[发明专利]过程控制系统信号频率谱分析方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及工业过程控制技术领域，尤其涉及一种过程控制系统信号频率谱分析方法和一种过程控制系统信号频率谱分析装置。

背景技术

在控制回路中施加激励信号获取相应的过程响应是控制工程应用最广泛的一种实验分析方法和手段。经典实验方法主要有以阶跃信号为激励的阶跃时域分析法，以正弦或余弦波频率信号激励的频域分析法等。时域分析是描述数学函数或物理信号对时间的关系，频域分析则是描述信号在频率方面的特性。例如，信号强度随时间的变化规律属于时域特性，信号是由哪些单一频率的信号合成的则属于频域特性。对信号进行时域分析时，有时一些信号的时域参数相同，但并不能说明信号就完全相同。因为信号不仅随时间变化，还与频率、相位等信息有关，这就需要进一步分析信号的频率结构，并在频率域中对信号进行描述。

控制回路或对象的频率特性分析方法是控制系统设计、性能分析、参数调整、参数模型辨识的本质方法和根本性依据，系统开环频率特性是分析系统稳定性指标的基本方法之一、特别是对系统鲁棒性的分析具有十分重要的意义。在工业过程中，在频率域中对信号进行分析或描述受到了各种因素的限制。首先，获取频率特性便是一项极其繁杂的事情，有时工艺过程却不允许施加过大的正弦波激励信号。其次，对于慢时变过程系统而言，试验所经历的时间较长，可能受到的干扰能量更大。因而，控制实践中，工程技术人员往往通过对象或系统的时域过渡过程来研究控制系统特性。然而，通过这种时域分析手段难以掌握对象的本质特性，致使分析和研究过程具有较大的盲目性。最后，现有技术当中，动态信号从时间域变换到频率域主要通过傅里叶级数和傅里叶变换实现，繁杂的傅里叶变换计算增加了实验的难度。

发明内容

为解决上述的傅里叶计算较为复杂的问题，本发明提供了一种过程控制系统信号频率谱分析方法和一种过程控制系统信号频率谱分析装置。

一种过程控制系统信号频率谱分析方法，包括以下步骤：

按相等的时间间隔，将过程信号分解为若干个阶跃信号；

将分解后的每一个阶跃信号分别转换为频率信号；

将每一个所述频率信号分别分解为X轴方向相量和Y轴方向相量；

将分解的各个X轴方向相量和Y轴方向相量分别进行累积；

根据X轴方向相量的累积值和Y轴方向相量的累积值，将过程信号恢复为频率信号。

与现有技术相比，本发明所提出的过程控制系统信号频率谱分析方法，能够快速准确地分析出过程信号中的频率谱成分，作为频域分析的数据源。例如，根据所提取出过程对象的输入、输出信号中的频率谱特性并进行幅值和相位比较，便可获取该过程对象的频率特性。

一种过程控制系统信号频率谱分析装置，包括：阶跃信号分解模块、阶跃信号转换模块、频率信号分解模块、相量累积模块和频率信号恢复模块；

所述阶跃信号分解模块用于按相等的时间间隔，将过程信号分解为若干个阶跃信号；

所述阶跃信号转换模块用于将分解后的每一个阶跃信号分别转换为频率信号；

所述频率信号分解模块用于将每一个所述频率信号分别分解为X轴方向相量和Y轴方向相量；

所述相量累积模块用于将分解的各个X轴方向相量和Y轴方向相量分别进行累积；

所述频率信号恢复模块用于根据X轴方向相量的累积值和Y轴方向相量的累积值，将过程信号恢复为频率信号。

与现有技术相比，本发明所提出的过程控制系统信号频率谱分析装置，能够快速准确地分析出过程信号中的频率谱成分，作为频域分析的数据源。

附图说明

图1是本发明过程控制系统信号频率谱分析方法的示意流程图；

图2是本发明过程控制系统信号频率谱分析方法一个将时间窗口宽度为T的过程信号分解为N个阶跃信号的实施例示意图；

图3是本发明过程控制系统信号频率谱分析方法中阶跃信号构成参数的示意图；

图4是本发明过程控制系统信号频率谱分析方法中频率信号相量分解的示意图；

图5是本发明过程控制系统信号频率谱分析装置的结构示意图；

图6是本发明过程控制系统信号频率谱分析装置一个实施例效果示意图；

图7是本发明过程控制系统信号频率谱分析装置一个实施例示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明所提出的过程控制系统信号频率谱分析方法与装置的技术方案，进行清楚和完整的描述。