CN103415818B - 用于信号滤波的方法和装置以及用于过程的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于信号滤波的方法和相应的装置，其中连续地检查掺杂噪声的输入信号位于死区之内还是之外。在此连续地依据输入信号的时间特性和预定的系统时间常数将死区的死区宽度和零点与输入信号的噪声功率相匹配，并且连续地输出至少一个滤波过的输出信号，该输出信号与死区信号、基本上是平滑过的输入信号相应。此外提供一种控制装置，其包括按照本发明的信号滤波。

Description

用于信号滤波的方法和装置以及用于过程的控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于信号滤波的方法和相应的装置，其中连续地检查，掺杂噪声的输入信号位于死区（Totband）之内还是之外。本发明还涉及一种用于过程的控制装置。

背景技术

为了使方法技术过程自动化而采用控制结构。在此控制回路由如下组成：

-测量技术地采集待控制的过程变量的实际值（控制变量），

-规定用于该过程变量的额定值（基准变量），

-形成控制差（控制变量与所规定的额定值的偏差），

-控制算法（控制器），其根据控制差确定如何操作调节机构（Stellorgan）（例如阀、活门、电动机...），由此，控制变量近似于基准变量，

-向驱动器或执行机构输出调节信号。

相应地应当借助控制器将技术设备的部件的控制变量尽可能好地保持在控制变量的额定值上。在控制过程中的问题一般在于控制变量的噪声，其原因在于在测量技术地采集控制变量时会存在由于干扰影响引起的过程噪声等。

例如可以利用由EP 1 490 735 B1公知的方法来避免控制变量的实际值的不期望的振荡。在运行技术设备期间持续地确定控制变量的实际值并且依据实际值的时间特性改变PI（比例积分）控制器的放大系数，直至实际值保持在关于额定值规定的容差带之内。如果现在在运行过程中所控制的部件具有关于其动态特性的变化，例如由于材料磨损和/或部件的运行或辅助材料的沉积引起，或由于部件的部分老化引起，则当控制变量的实际值在数值上远离容差带时，才再次改变放大系数。该放大系数的重新的连续的变化又仅一直进行，直到实际值再次进入容差带并且保留在那里。

控制变量的噪声导致控制差的相应的噪声并且由此导致了不断地激励控制器。该控制器促使调节机构不断地执行小的调节运动。但是噪声不能通过该调节运动清除，必要时甚至会放大。驱动器本身通过不断的、不需要的来回运动而强烈加重了负担，磨损是相应大的。

出于这个原因在控制技术中针对控制变量或针对控制差必须对信号变化滤波。在滤波器的输出端必须产生如下信号：其基本上反映原始信号变化但不包含快速的、小的信号改变。

涉及信号滤波的领域地，在文献中存在多个例如用于适应性滤波的方法。通常描述完善的数学方法，借助该方法能够平滑掺杂噪声的信号，而不会歪曲插入信号中的有用信息。然而在发电站控制回路结合控制差的滤波的情况下未提出这种高的要求。

在控制器的输入端实现这种滤波的简单的方法是应用死区，这在发电站技术中通常足以用于信号滤波。在需要高价值滤波算法处附加地应用该方法。

定义如下函数f（x）作为死区：

f(x)=x-T_B其中x>a

f(x)=x+T_B其中x<a

这意味着（对于a＝0），在输入信号x位于死区或区间[-T_B,T_B]之内的情况下输出值0作为输出信号。在该范围之外将输入信号的值以减小或提高半个死区宽度的方式输出。也可以存在相应的偏置，如在此通过常数a表达的那样。通过这种死区函数可以相应地平滑信号，使得这些信号围绕值0波动。作为死区函数的扩展也可以对围绕不等于零的值（例如在此为a）波动的信号进行滤波。

在控制系统中控制构件大多符合标准地装备了这样的死区函数。基于控制变量被控制到其额定值的事实而围绕值零波动的控制差由此被切换到死区。如果控制差仅在设置的死区之内改变，则在滤波器的输出端按照定义始终形成值零并且由此不激励控制器。仅控制差的较大的改变得以通过。由此清除了噪声的影响。

现在问题在于，对于每个控制回路必须单独地设置死区宽度。如果死区太小，则总是有部分噪声通过。如果死区太大，则控制器太晚响应实际出现的控制差。因此必须检查控制变量信号并且确定噪声的宽度，以便能够正确地设置死区。在发电站过程中例如存在大约200-300个控制器。因此，设置所有死区是极其麻烦的过程。这尤其适用于如下情况：考虑噪声宽度会变化，例如由于外部干扰影响的变化或由于出现磨损等而作为设备的当前工作点的函数随着时间变化。因此在该情况下必须多次再调整针对死区的设置值。这是极其艰难的，因为在发电站控制中在方法技术起动和优化的范围内目前由工程师手动地进行死区的设置。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种借助死区进行信号滤波的方法和相应的装置，其允许在连续运行中完全自动地匹配死区，其中在信号滤波之后应当存在如下信号，其基本上反映原始信号变化但不包含快速的小、的信号改变。此外，还应当提供一种改善的控制装置，借助该控制装置克服了按照现有技术描述的缺陷。

按照本发明，上述技术问题通过方法和相应的装置来解决，其中不断地检查掺杂噪声的输入信号位于死区之内还是之外。在此与现有技术不同，不是固定地规定或事先设置死区宽度，而是在连续运行中依据输入信号的时间特性和所选择的系统时间常数而改变死区宽度。此外，借助按照本发明的算法也改变并由此设置死区函数的零点。通过这种方式实现了自动地在线适配死区宽度和（死区函数的零点的）“偏置”。在此优选的是自学习算法，其例如在技术设备中（一旦开始就）始终一起运行。同样在线输出基本上与平滑过的输入信号相应的滤波过的输出信号。输出信号如愿地基本上反映原始信号的变化，但不包含快速的、小的信号改变。

在本发明的优选的实施中，当输入信号在优选短的第一持续时间内穿过死区特定次数n次时，将死区宽度放大一倍。与专利文件EP 1490735不同，在那里当所监视的变量（在那里为实际值）穿过死区一次时，则触发待适配的参数（在那里为控制器的放大系数）变化一倍，而在此具有优势的是，规定穿过死区的次数n。只有当所监视的变量（在此为输入信号）穿过死区至少n次时，才改变参数（在此为匹配死区宽度）。通过这种方式得到关于设置死区宽度的更多的灵活性。通过穿过死区的次数n可以特别有利地影响适应性的滤波。

在本发明的另一种优选的实施中，当输入信号在优选长的第二持续时间期间位于死区的内部区域之内并且停留在那里时，连续地随着时间缩小死区宽度。

特别具有优势的是，除了滤波过的第一输出信号（诸如死区信号）还输出滤波过的第二输出信号（诸如围绕噪声的平均值校正的死区信号）。由此使用者获得在运行技术设备的情况下能够具有优点的附加信息。同样可以考虑输出另外的输出信号，诸如恰好还位于死区之内的最大值或相应的最小值，并且显示按照本发明的算法的效率。

优选地，当在输入信号的最大值和最小值之间的时间间隔大于所规定的最大周期持续时间的一半时，将穿过死区的计数复位到零，通过这种方式优选地区分噪声与“真正的”信号运动。

按照本发明的方法的特别有利的应用可能性在于控制技术。包括在持续运行中借助适应性的死区来滤波信号的装置的控制装置在技术设备中提高了控制的质量并且由此也提高了基于设备的过程。不仅在发电站领域中存在完全自动地适配各个部件的控制的趋势。在持续运行设备时具有完全自动的适应性的信号滤波的控制装置可以被通用地应用并且适用于实现最优的且保护设备的控制结果。

在本发明的另一种优选的实施中，控制装置由按照本发明用于适应性的信号滤波的装置和在下游连接的、具有可适应性设置的放大系数的PI控制器组成。在该实施方式中，尤其应当避免输入信号的振荡并且这样设置控制器，使得实现最优的控制品质因数，即，使得控制变量尽可能恰好遵循其额定值。通过组合两种构件而使优点倍增：通过现在自动地运行之前手动实施的工作，产生少的开销。控制示出了少的磨损并且不会随着时间变得更差。包含上述控制构件的设备可以更快速地优化并且由此也更快速地重新可用。

附图说明

下面对照附图所示的实施例对本发明作进一步的说明。

附图中：

图1示出了输入信号的示例性变化的图示，其中同样示出了死区的变化和两个输出信号的变化，

图2示出了输入信号的另一种按照其标尺放大的示例性时间变化，和

图3示出了控制装置，其包括按照本发明用于滤波的装置。

具体实施方式

图1包含控制系统的屏幕显示器的计算机打印输出，在其中执行按照本发明的方法。在图1上部可以看见信号变化的图示，下部包括具有关于所示出的信号变化的进一步说明的表格。在此，记录所示出的信号的名称和描述以及其值和边界。

实施例的描述主要与在上部图像截面中示出的信号变化有关，其中在横坐标上绘出时间t（在此作为以分钟间隔的时钟时间）并且在纵坐标上绘出信号变化S。输入信号IN具有高频的噪声。在此可以是任意的过程信号、控制差或测量信号的纯的实际值。

在按照本发明的滤波算法的范围内，现在在连续运行设备时基于掺杂噪声的输入信号IN和其它所规定的或可规定的值连续地（在线）计算、立即输出并显示至少一个滤波过的输出信号。

对于死区宽度DB例如规定起始值零。替换地，起始值也可以大于零。然后开启学习算法（Lernalgorithmus）。然后持续一段时间直到算法已经学习到去除噪声的程度（参见图1中的区域A）。按照本发明，将死区宽度适应性地与信号变化匹配，即依据输入信号IN的时间特性连续地改变死区。在横坐标的直接上方相应地绘出死区的当前的总值DB。

死区例如可以围绕输入信号的幅值的最小值和最大值的平均值对称地布置并且类似于包络线直接在输入信号的幅值的最小值和最大值附近延伸。死区的上边界值以ULDB标出，相应的当前值称为UL DB ACT。死区的下边界值以LL DB标出，相应的当前值称为LLDB ACT。

只要规定了死区宽度DB，则检查输入信号位于具有其当前宽度的死区之内还是之外（图1中区域B）。如果值位于当前死区宽度之内，则例如给出之前的振荡幅值的平均值作为输出信号。在图1中示出的实施例中，输出信号OUT DB是死区的输出信号。如果输入信号例如是控制差，则为OUT DB给出值零，这意味着，输入信号位于当前死区宽度之内。如果噪声显示强烈不对称，即如果输入信号的时间平均值不是恰好位于幅值的最大值和最小值之间的中心，则其可以根据第二输出信号OUT读出。在该实施例中，借助信号OUT正确地反映掺杂噪声的信号的时间平均值。信号OUT的信号变化不是相应地如信号OUT DB的变化那样平滑，因为在此由于更强地考虑到信号波动，而将滤波效果减小了一些。尽管如此在此也不再存在高的振荡频率。

图1明显示出死区DB随着时间连续地变化。一眼就可以看出，自动地放大或缩小死区宽度并且如软管那样围绕输入信号的幅值极值安放并且由此仅遵循输入信号的“真正的（echten）”波动。“真正的”波动意味着，在此输入信号的最大值和最小值的平均值改变。

为了能够适应性地改变死区宽度，首先必须规定时间常数，由此可以定义时间间隔或持续时间并且由此也可以确定输入信号的变化速度。由此，所谓的系统时间常数描述了动态的系统特性并且取决于被观察的总系统。在发电站领域中，温度控制系统例如具有在30和60秒之间的系统时间常数，而压力控制系统包括在5和10秒之间的时间常数。借助该时间常数可以将信号噪声与“真正的”信号变化区别。温度例如可以在5秒的持续时间内不多次变化。但是如果温度测量值示出了这样的特性，则一定是信号噪声而不是真正的信号变化。

作为示例在此应当取20秒的持续时间作为系统时间常数。如果在该持续时间内观察到输入信号的多次振荡，则在温度测量值的情况下此处是噪声，但在压力测量值的情况下是快速的信号变化。诸如“长的”或“短的”持续时间的概念也可以相应地根据系统时间常数来量化。

根据按照本发明的方法，当输入信号IN已经在第二持续时间内停留在死区的内部区域之内并且总是停留在那里时，连续地缩小死区宽度，其中通过系统时间常数确定第二持续时间并且规定内部区域的宽度。在第二持续时间中在此取相对长的、大于系统时间常数的持续时间。

在此应当按照具体情况确定死区的内部区域的宽度。作为示例对于内部区域取死区整个宽度的95%的宽度。因此不断如下地观察输入信号位于具有在该情况下减小了5%的宽度的死区之内还是之外。该死区下面应当称为95%死区。当输入信号现在在该95%死区之内停留较长时间时，连续地缩小死区。这在图1中可以在区域D中明显识别。关于大约3分钟的时间间隔，输入信号的振荡在标出的死区边界之内延伸。死区宽度相应地连续变化。死区宽度的减小速度依据系统时间常数来确定。系统越慢，则死区缩小得越慢。此外，死区已经越小，则死区宽度的减小速度也变小。当输入信号IN又脱离死区（在此95%死区）的内部区域和/或死区宽度到达下边界值（参见图1区域E）时，死区宽度的缩小停止。

在图1的区域F和G中，输入信号的平均值明显改变了大约25%。在该区域内按照本发明的算法的效率变得明显。死区跟随输入信号并且与之匹配。相应于信号变化移动零点，因为存在“真正的”信号变化。在该区域中不需要明显匹配死区宽度，因为噪声功率不变。

根据按照本发明的方法，当输入信号IN在第一持续时间内交替地向上和向下穿越死区边界n次时，将死区宽度放大一倍，其中规定穿过死区边界的次数n，并且通过系统时间常数确定第一持续时间。第一持续时间是相对短的持续时间。在此之后在输入信号每又一次在短的时间内穿过死区时，将死区宽度提高一倍。当输入信号不再在短的持续时间内穿过死区或死区宽度到达上边界值时，死区宽度的放大停止。当输入信号再次停留在死区之内时，将根据参数n的死区穿越的计数复位至零。

放大死区宽度的情况的一个示例在图2中示出。在此放大了来自于图1中区域C的部分。

在信号变化的开始，输入信号IN保持在死区的上边界和下边界之内，该上下边界在此以粗线示出。此外，分别通过细线标出95%死区。在位置1处此时信号IN从死区出来并且在位置2处首次穿过死区DB。应当引起死区宽度变大的穿过死区的次数在此通过n＝2规定。信号IN现在在短的持续时间内交替地向下和向上穿过死区两次。事先规定持续时间Tmax作为用于穿过的最大时间。如看出的那样，信号IN在较短的持续时间（T<Tmax）内穿过死区边界。由此在点3处满足了两个条件，作为结果将死区宽度放大一倍。输入信号IN又穿过死区两次，由此在点4处再次将死区宽度提高一倍。下面保持信号在死区边界之内直至在点5处呈现较小的幅值。信号现在关于相对大的时间间隔Tgr保持在95%死区之内。在该相对长的第二持续时间之后连续缩小死区，直至信号在点6处穿过95%死区。由于信号IN现在保持在外部以粗线标出的死区之内，由此保持该死区宽度。

图3示出了按照本发明用于滤波信号IN的装置F，带有在下游连接的控制装置R。可以向装置F的第一输入端施加输入信号IN。还存在至少一个第二输入端XY，用于接收另外的参数或值。经由这些输入端例如可以向滤波装置F馈送系统时间常数或输入信号穿过死区边界的次数n，其对于死区宽度的放大是必须的。滤波装置F包括计算单元BE，借助该计算单元执行按照本发明的对输入信号的适应性的滤波。在滤波装置F的输出端存在至少一个信号输出端以用于输出滤波过的输出信号。可选地，设置至少一个用于第二输出信号OUT DB的第二输出端。所示的输出端中的至少一个可以与控制器R连接。控制器R用于控制技术设备的至少一个部件并且例如可以被构造为PI控制器。

在一种实施方案中，现在可以通过另外的构件BS2来优化控制器R。通过按照本发明的滤波装置F（或构件1，BS1）与按照EP 1 490 735 B1适配的PI控制器R的组合实现了提高的控制质量。在运行技术设备期间，在构件2BS2中持续地确定控制变量的实际值并且依据实际值的时间特性改变PI控制器的放大系数K和复位时间，直至实际值保持在预定的关于额定值的容差带之内。将优化的放大系数K和复位时间馈送到控制器R，该控制器输出控制信号ST，其又影响控制变量。

通过这种方式实现了输入信号的适应性滤波与PI控制器的放大系数的适应性设置的组合，其以提高的控制质量作为结果。由构件BS1和BS2组成的组合被实现为控制装置RE。同样可以考虑按照本发明的适应性的滤波器与另外的控制器和控制装置的组合。

Claims (7)

1.一种用于信号滤波的方法，其中不断地检查，掺杂噪声的输入信号(IN)位于具有围绕零点(NP)的死区宽度(DB)的死区之内还是之外，其特征在于，在连续运行中依据所述输入信号(IN)的时间特性来改变所述死区的死区宽度(DB)和零点，并且在线输出至少一个滤波过的输出信号，所述输出信号对应于死区信号，所述死区信号对应于平滑过的输入信号，

其中，规定系统时间常数，根据所述系统时间常数来量化所述输入信号的时间变化，当所述输入信号(IN)在第二持续时间内停留在所述死区的内部区域之内时，将所述死区宽度(DB)缩小一个系数，其中通过所述系统时间常数确定所述第二持续时间并且规定所述内部区域的宽度，并且当所述输入信号(IN)又脱离所述死区的内部区域和/或所述死区宽度(DB)到达下边界值时，停止所述死区宽度(DB)的缩小。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述输入信号(IN)在第一持续时间内交替地向上和向下穿过所述死区n次时，将所述死区宽度(DB)放大一个系数，其中规定穿过的次数n，并且通过所述系统时间常数确定所述第一持续时间，并且当所述输入信号(IN)不再在所述第一持续时间内穿过所述死区或所述死区宽度(DB)到达上边界值时，停止所述死区宽度(DB)的放大。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，当所述输入信号在所述死区之内保持预定的持续时间时，将穿过死区的计数复位到零。

4.一种用于信号滤波的装置(F)，具有

-至少一个信号输入端，用于接收掺杂噪声的输入信号(IN)，

-另外的输入端(XY)，借助其向所述装置(F)施加参数和/或测量值，

-计算单元(BE)，在该计算单元中借助按照权利要求1至3中任一项所述的方法处理所述输入信号(IN)，

-至少一个信号输出端，用于输出滤波过的输出信号(OUT)，

-另外的输出端，用于输出另外的输出信号(OUT DB)。

5.一种用于过程的控制装置(RE)，在该控制装置中连续地采集控制变量作为实际值，并且规定用于所述控制变量的额定值，向控制器(R)馈送由实际值与额定值形成的差，所述控制器又通过调节信号(ST)影响所述控制变量，其特征在于，在所述控制器(R)的输入端的上游连接按照权利要求4所述的、用于滤波所述输入信号的装置。

6.根据权利要求5所述的控制装置(RE)，其特征在于，使用PI控制器作为控制器，所述PI控制器包括适应性地设置的放大系数和复位时间作为控制变量。

7.一种存储介质，其上存储了计算机程序，用于当在计算机上执行该计算机程序时实施根据权利要求1至3中任一项所述的方法。