CN105094106B - 一种输入电信号指令与阀芯反馈信号的比较方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种输入电信号指令与阀芯反馈信号的比较方法，通过一种实时显示比例流量阀输入电信号指令与阀芯反馈指令的曲线，对比例流量阀输入电信号指令和阀芯反馈指令的比例关系进行量化评估。当评估结果显示出比例流量阀输入电信号指令与阀芯反馈指令的比例关系异常，以高亮显示异常点的方式提示操作者异常发生的确切时段。对同一输入电信号指令对应的阀芯反馈信号进行多次采样，对比其相似度，当相似度低于规定的级别时，以人机交互界面提示的方式给出评估结果。大大减少操作者及分析人员的统计和分析工作时间，使操作人员无需将精力和时间放在重复性较高的统计工作上。提高了故障判断率。

Description

一种输入电信号指令与阀芯反馈信号的比较方法

技术领域

本发明涉及一种输入电信号指令与阀芯反馈信号的比较方法。

背景技术

电液比例流量控制阀(简称比例流量阀，下同)是可以根据输入电信号，按照比例对工作油液的流量和方向进行控制的液压控制阀。当经过放大器给定比例电磁铁一个输入信号时，电磁铁推杆推动节流阀芯移动一定的开口量，节流口进出油流的压降由压力阀保持恒定，则调速阀输入流量为一个定值。如果给定一个连续的电信号，就会输入一个连续的流量，因此使电信号和输入流量具有比例关系。此外比例电磁铁带有位移传感器，该位移传感器反映了节流阀芯的位置并反馈回放大器中，以便作为监控用。其流程如图1所示。

比例流量阀输入电信号指令与实际开口量的比例关系与理论比例关系的重合度，反映了比例流量阀控制质量的优劣。如果输入电信号指令与输出流量间的实际比例关系与理论比例关系的重合度非常低，则比例流量阀已经处于损坏状态。实际应用中，如果无流量计，则通过计算内置于比例流量阀内部的阀芯反馈信号与输入电信号指令之间的差值，可以评估比例流量阀是否按照比例关系严格执行指令。但是由于阀芯内置于阀体内，肉眼直接无法观察阀芯的位移情况，并且输入电信号指令是一个实时变化的值，即使肉眼看到阀芯实体，也无法评估比例流量阀是否在准确的时间准确地执行输入电信号指令。

目前对输入电信号指令和阀芯反馈信号的评估，主要是以将输入信号A和阀芯反馈信号以数值或图像显示的形式，来表达二者的误差。

数值方式为，向比例流量阀的放大器输入一个连续的定值电信号，然后使用诸如万用表测量阀芯反馈信号的形式，评估测量到的阀芯反馈电信号与输入信号是否呈现正确的比例关系。譬如，假设0～10V电压输入电压信号，对应节流阀芯开口量的0～100％，并且该比例流量阀的比例关系为线性关系，亦即10V对应100％开度。则向比例流量阀输入一个连续的3V电压信号时，使用万用表测量阀芯反馈信号时，万用表读数应该在3V左右，允许存在诸如±0.1V的误差。则可评估阀芯反馈信号与输入电信号指令呈现比例关系。如果反馈的阀芯信号是5V，则说明该阀芯反馈信号与输入电信号指令不成比例关系。这种方法是最为容易操作但同时也是最为繁琐的评估方法。因为每次只能向比例流量阀放大器输入一个连续的定值电信号，所以每次测量只能判断一个阀芯反馈信号与输入电信号指令是否成正确的比例关系。如果要对最小值到最大值输入信号进行评估，则必须要经过多次输入电信号及多次测量之后，才能判断比例流量阀是否具备正确执行所有的电信号的能力。

或者，将可编程控制器或者工业控制计算机的数模转换元件与比例流量阀放大器相连，模数转换元件与比例流量阀的阀芯反馈信号相连接。当控制器向比例流量阀输入实时变化的输入电信号指令A时，同时从模数转换元件上采集由阀芯反馈回的信号B。通过转换计算之后，将输入电信号指令A与阀芯反馈信号B统一量纲。并将A和B显示在人机交互界面(Human Machine Interface，简称HMI，下同)终端。HMI终端上给出三个标签控件Label，第一个标签Label1显示输入电信号指令A的数值，第二个标签Label2显示阀芯反馈信号B的数值。第三个标签Label3，显示出输入电信号指令A和阀芯反馈信号B的差值。操作者通过观察Label1、Label2及Label3显示的数值进行判断。该方法比使用万用表测量的方法更加简便，且能够观察实时变化的电信号与阀芯反馈之间的关系。

或者，给出至少3列(行)以上的表格，在人机交互界面上填写Label1、Label2的数值，并自动计算出Label3的数值。以3列格式为例。此方法虽然自动化程度较高，但是比较抽象。需要操作者对设备的工作步骤和工艺流程非常了解，才能据数据判断比例流量阀的执行情况是否正常否则，操作者无法明晰电信号指令A在阀芯反馈信号B什么环节出现了非正常比例关系。

或者，采用曲线显示方式，将输入电信号指令A的多个数据通过曲线拟合的方式得到曲线，以同样的方式得到阀芯反馈信号B和差值的曲线。此方法较为直观，但由于比例流量阀的输入电信号指令与反馈并不完全是单一的线性关系，有时由于比例流量阀制造原因或为了达到工业需求，将比例流量阀的驱动与执行在动态阶段呈现一个非线性关系，也导致了正确执行时输入电信号指令与阀芯反馈信号在动态阶段也应该是一个非线性关系。譬如，当控制器向比例流量阀输入一个随时间变换的0～1V电信号时，由于阀芯遮盖的特性或者工艺的要求，设计所期望的阀芯位置并不是按照线性地从0开启至10％，其有可能是一条曲线，如图2所示，其中横坐标X代表输入信号指令的数值，纵坐标Y代表阀芯反馈信号的数值。

在这种情况下，如需要检验阀芯反馈信号B是否与输入电信号指令A呈现正确的比例关系。需要操作人员对输入电信号指令与阀芯反馈信号的比例关系十分明确。而且需要对每一个时刻的输入电信号指令A和反馈指令B进行读取对比，并评估这两个数值对比关系是否符合A与B的比例关系。统计工作量非常巨大和繁琐。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种输入电信号指令与阀芯反馈信号的比较方法，操作者以量化了解比例阀输入指令与阀芯反馈的关系，提高比例流量阀故障的判断率和准确率。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种输入电信号指令与阀芯反馈信号的比较方法，包括以下步骤：

步骤一：控制器向比例流量阀发出输入信号指令，并接收阀芯反馈信号；

步骤二：控制器在固定的时间间隔△t内记录输入信号指令的实时数值A并同时采集阀芯反馈信号的实时数值B,并将k组数据以数组储存到数据库中；

步骤三：控制器将离散数据绘制成曲线显示在HMI终端上；

步骤四：控制器根据操作者的指令判断是否需要进行比例阀输入指令与反馈信号的分析，如是，则跳转至步骤五；否则直接退出本方法；

步骤五：控制器读取数组中A和B的各个数值；

步骤六：控制器判断在数组中是否存在数值A从零值突变到非零值，若为是则响应时间计时器开始计时，将当前时刻记为T_Start储存到数据库中，并进入步骤七；否则跳转至步骤二；

步骤七：控制器判断数组中是否存在数值B从基准值开始突变，若为是，则响应时间计时器停止计时，将当前时刻记为T_End，并进入步骤八；否则跳转至步骤二；

步骤八：根据公式ΔT_Response＝T_End-T_Start计算响应时间ΔT_Response并将其存入数据库；

步骤九：控制器判断ΔT_Response的样本空间是否足够多，若为是，则根据ΔT_Response对响应时间重复度利用标准差方法计算得到标准差б，并进入步骤十；否则，直接退出本方法；

步骤十：控制器判断标准差б是否小于预先设定的允许值，若为是，则将稳定标识符Stabilization标识为1，并根据公式n＝ΔT_Response/△t算出n值存入数据库；否则将稳定标识符Stabilization标识为0，并将响应时间不稳定的信息显示在HMI终端上；

步骤十一：控制器判断稳定标识符Stabilization的值，若为1，则根据公式C_k＝B_k+n-1-A_k计算输入输出差值C_k存入数据库，并进入步骤十二；若为0，则直接退出本方法；

步骤十二：利用预先录入到数据库的数值D_k以及允差ε，判断|C_k-D_k|是否小于或等于ε，若为是，则该组数据作为阀芯运动正常信息储存在数据库中；否则，将异常次数m增加1，并将该组数据以阀芯运动异常信息储存在数据库中，并将k所在时间轴的位置高亮显示；

步骤十三：循环执行步骤十二，直至对k组的A_k和B_k+n-1，C_k和D_k比较完毕。

步骤十四：根据公式Present＝m/k计算超差百分比Present；将其显示在HMI终端中的曲线上并对数据库中的m和k复位；结束本方法。

相比于现有技术，本方法发明一种实时显示比例流量阀输入电信号指令与阀芯反馈指令的曲线，并对比例流量阀输入电信号指令和阀芯反馈指令的比例关系进行正确性评估。当评估结果显示出比例流量阀输入电信号指令与阀芯反馈指令的比例关系异常，以高亮显示异常点的方式提示操作者异常发生的确切时段。本发明研究的方法，大大减少操作者及分析人员的统计和分析工作时间，使操作人员无需将精力和时间放在重复性较高的统计工作上。提高了故障判断率。操作人员可根据比例流量阀的历史记录及当前比例阀的控制质量，做出是否更换比例阀决定以量化的方式向操作和提供比例阀的使用状态情况，评估出比例阀的输入与阀芯执行的比例关系是否正常。

进一步，步骤十和步骤十一之间还包括以下步骤：控制器判断分析的类型，若为比例关系分析则进入步骤十一；若为相似度分析则进入步骤十五；

步骤十五：控制器首先判断数组中是否存在相同输入电信号指令A所对应的多组阀芯反馈信号B，如无，则提醒操作者让设备使用相同输入电信号指令A重复两次以上的循环运行，并跳出本方法；如有，则利用Pearson相关系数方法，计算出多组阀芯反馈信号B的相关系数r。

进一步，步骤十五还包括以下步骤：计算出多组阀芯反馈信号B的相关系数r后，控制器根据相关系数r数值对相似度分为三级；若相似度为等级1，将数据存入数据库；若相似度为等级2,此时控制器向操作者发出提示，并将数据存入数据库；若相似度为等级3，此时控制器向操作者发出报警信息，并将数据存储到数据库中；结束本方法。

进一步，r≥0.8为等级1，0.8>r≥0.6为等级2，r<0.6为等级3。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1是比例阀输入电信号与阀芯反馈的流程图

图2是指输入电信号指令与阀芯位移曲线图

图3a为本发明的一种输入电信号指令与阀芯反馈信号的比较方法的流程图

图3b为图3a中流程图的跨页图

具体实施方式

请同时参阅图3a与图3b,其是本发明的一种输入电信号指令与阀芯反馈信号的比较方法的流程图。本发明的一种输入电信号指令与阀芯反馈信号的比较方法的步骤如下：

S1：控制器向比例流量阀发出输入信号指令，并接收阀芯反馈信号。

S2：控制器在固定的时间间隔△t内记录输入信号指令的实时数值A并同时采集模数转换输入元件的阀芯反馈信号的实时数值B,将阀芯反馈信号B的数值通过转换计算之后，形成与输入电信号指令A相同量纲的数值B。譬如时间间隔△t为1ms，则经过100ms的数据采集，将有100个输入电信号指令A的数值和100个阀芯反馈信号B的数值。最后将k组数据以数组储存到数据库中。

S3：控制器将离散数据绘制成曲线显示在HMI终端上。利用MSChart或其它诸如最小二乘法、三次样条差值以及快速傅立叶变换技术将这些数值显示在HMI终端上。

S4：控制器根据操作者的指令判断是否需要进行比例阀输入指令与反馈信号的分析，如是，则跳转至步骤S5；否则直接退出本方法。

S5：控制器读取数组中A和B的各个数值。

S6：控制器判断在数组中是否存在数值A从零值突变到非零值，若为是则响应时间计时器开始计时，将当前时刻记为T_Start储存到数据库中，并进入S7；否则跳转至S2。

S7：控制器判断数组中是否存在数值B从基准值开始突变，若为是，则响应时间计时器停止计时，将当前时刻记为T_End，并进入步骤S8；否则跳转至S2。

S8：根据公式ΔT_Response＝T_End-T_Start计算响应时间ΔT_Response并将其存入数据库。当放大器接受到输入电信号指令A后，经历信号传输，模数转换元件输入，功率放大器计算，驱动油液、阀芯动作等环节。致使从输入电信号指令A与采集阀芯反馈信号B之间客观上必然存在一个响应时间△T_Response。在S2中虽然控制器可以保证对输入电信号指令A和阀芯反馈信号B进行同步记录采集。但实际上同一时刻的A和B的数值并不是确切的对应关系，B数值在时间上要滞后A的。滞后多长时间，则由阀芯的响应时间△T_Response确定。在本方法中，以比例流量阀的输入信号A为零时作为电信号基准。并记录下同时刻的阀芯反馈信号B数值，以此刻阀芯反馈的数值为阀芯反馈信号B的计算基准。在输入电信号指令信号A从零值突变为成非零值时，开始计时，记为T_Start。当阀芯反馈信号B从其基准数值开始突变时，结束计时，记为T_End。所获得的时间间隔即为阀芯的响应时间△T_Response，△T_Response＝T_End-T_Start。并将每次启动阀芯的响应时间存入存储介质中。在此，要求检测用的控制器，其指令信号的输入输出IO时间△t要远低于响应时间。譬如，假设△T_Response。为10ms，那么采用一个IO时间为20ms的控制器来计算响应时间是毫无意义的，因为控制器从读入数据，信号传输，CPU计算机判断、信号传输再到指令输出总用时已经是20ms，根本无法捕获阀芯在10ms时刻阀芯的信号突变时刻。反之，如果控制器的IO时间为1ms，那么在阀芯响应的10ms内，控制器可以捕获阀芯反馈信号B突变的时刻。每次输入信号A从零值突变到非零值时，可以获得一个△T_Response，将每一个△T_Response存储如存储介质中。

S9：控制器判断ΔT_Response的样本空间是否足够多，譬如有已经有100个△T_Response贮存在存储介质中，认为样本空间足够，若为是，则根据ΔT_Response对响应时间重复度利用标准差方法计算得到标准差б，并进入步骤S10；否则，直接退出本方法。

S10：控制器判断标准差б是否小于预先设定的允许值，允许值由操作者指定，若为是，表明阀芯的响应时间稳定，将稳定标识符Stabilization标识为1，并根据公式n＝ΔT_Response/△t算出n值存入数据库。对于控制器来说，采集的的数值A，要过n个IO时间以后的B数值与A呈对应关系。譬如，检测到阀芯运动的响应时间T_Response为10ms，控制器的IO时间△t为1ms，那么对于S2中存储的数据应该是第10个B数值和第1个A数值行对应。所以n值用于后续的比例关系验证计。若响应时间ΔT_Response的标准差大于允许值，表明响应时间ΔT_Response不是稳定值，将稳定标识符Stabilization标识为0，并将响应时间不稳定的信息显示在HMI终端上。跳转S11。

S11：控制器判断分析的类型，比例关系是判断单一的阀芯动作期间比例阀输入电信号指令和阀芯运动是否呈正确的比例关系，阀芯运动重复是判断针对同一输入电信号在不同时期驱动的多次比例阀阀芯动作是否有重复性。若为比例关系分析则进入步骤S12；若为相似度分析则进入步骤S16。

S12：控制器判断稳定标识符Stabilization的值，若为1，则根据公式C_k＝B_k+n-1-A_k计算输入输出差值C_k存入数据库，并进入步骤S13；若为0，在HMI终端上显示无法进行比例流量阀比例关系评估功能，并直接结束本方法。

S13：利用比例流量阀生产商提供的产品样本，将输入电信号指令A和阀芯反馈信号B的理论差值D_k录入到存储介质中。D_k等于比例阀生产商提供的比例流量阀输入电信号A与阀芯反馈信号B的理论差值。判断|C_k-D_k|是否小于允差ε。允差ε预先设定，是一个定值常量。如果|C_k-D_k|小于允差ε，表明该时刻比例流量阀的输入电信号指令A与阀芯反馈信号B的比例关系正常，记录下阀芯运动正常信息。如果大于|C_k-D_k|大于允差ε，表明在比例阀执行输入指令A_k时刻，阀芯反馈信号异常，将异常次数m增加1。记录下阀芯运动异常信息，将C_k所映射时间轴的t_k位置高亮显示，以示该处的输入电信号指令A与阀芯反馈信号B异常。

S14：循环执行S13，直至对k组的A_k和B_k+n-1，C_k和D_k比较完毕。

S15：根据公式Present＝m/k计算超差百分比Present；将其显示在HMI终端中的曲线上并对数据库中的m和k复位；结束本方法。

S16：控制器首先判断数组中是否存在相同输入电信号指令A所对应的多组阀芯反馈信号，如无，则提醒操作者让设备使用相同输入电信号指令A重复两次以上的循环运行，以获取两组以上的阀芯反馈信号，并跳出本方法；如有，则利用Pearson相关系数方法，计算出多组阀芯反馈信号的相关系数r。

S17：将相关系数r的数值进行级别划分。譬如，r≥0.8为等级1，0.8>r≥0.6为等级2，r<0.6为等级3。根据等级判断，如果相似度属于等级1，则说明阀芯在相同的输入电信号指令下，其阀芯反馈信号较为稳定。此时无需通知操作者，只需要将数据存储到存储介质即可。如果相似度属于等级2，说明在明阀芯在相同的输入电信号指令下，阀芯反馈信号稍有不稳定，但不影响比例流量阀的正常使用。故此时只需要向操作者提示，并将这些历史数据存储到存储介质。如果相似度属于等级3，说明在明阀芯在相同的输入电信号指令下，阀芯反馈信号已经不稳定，且可能严重影响比例流量阀的正常使用。故此时必须向操作者发出报警信息，并将这些历史数据存储到存储介质。结束本方法。

应该注意到，本发明中的步骤S9中采用标准差的方式对阀芯响应时间的波动度进行统计，仅是为了举例说明。如本领域的技术人员采用其它诸如极差、方差等统计离散数据波动程度的方法来对统计阀芯响应时间波动程度，并未超出本发明的方法。

相比于现有技术，本方法发明一种实时显示比例流量阀输入电信号指令与阀芯反馈指令的曲线，并对比例流量阀输入电信号指令和阀芯反馈指令的比例关系进行正确性评估。当评估结果显示出比例流量阀输入电信号指令与阀芯反馈指令的比例关系异常，以高亮显示异常点的方式提示操作者异常发生的确切时段。本发明研究的方法，大大减少操作者及分析人员的统计和分析工作时间，使操作人员无需将精力和时间放在重复性较高的统计工作上。提高了故障判断率。操作人员可根据比例流量阀的历史记录及当前比例阀的控制质量，做出是否更换比例阀决定以量化的方式向操作和提供比例阀的使用状态情况，评估出比例阀的输入与阀芯执行的比例关系是否正常。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种输入电信号指令与阀芯反馈信号的比较方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：控制器向比例流量阀发出输入信号指令，并接收阀芯反馈信号；

步骤二：控制器在固定的时间间隔△t内记录输入信号指令的实时数值A并同时采集阀芯反馈信号的实时数值B,并将k组数据以数组储存到数据库中；

步骤三：控制器将离散数据绘制成曲线显示在HMI终端上；

步骤四：控制器根据操作者的指令判断是否需要进行比例阀输入指令与反馈信号的分析，如是，则跳转至步骤五；否则直接退出本方法；

步骤五：控制器读取数组中A和B的各个数值；

步骤六：控制器判断在数组中是否存在数值A从零值突变到非零值，若为是则响应时间计时器开始计时，将当前时刻记为T_Start储存到数据库中，并进入步骤七；否则跳转至步骤二；

步骤七：控制器判断数组中是否存在数值B从基准值开始突变，若为是，则响应时间计时器停止计时，将当前时刻记为T_End，并进入步骤八；否则跳转至步骤二；

步骤八：根据公式ΔT_Response＝T_End-T_Start计算响应时间ΔT_Response并将其存入数据库；

步骤九：控制器判断ΔT_Response的样本空间是否足够多，若为是，则根据ΔT_Response对响应时间重复度利用标准差方法计算得到标准差б，并进入步骤十；否则，直接退出本方法；

步骤十：控制器判断标准差б是否小于预先设定的允许值，若为是，则将稳定标识符Stabilization标识为1，并根据公式n＝ΔT_Response/△t算出n值存入数据库；否则将稳定标识符Stabilization标识为0，并将响应时间不稳定的信息显示在HMI终端上；

步骤十一：控制器判断稳定标识符Stabilization的值，若为1，则根据公式C_k＝B_k+n-1-A_k计算输入输出差值C_k存入数据库，并进入步骤十二；若为0，则直接退出本方法；

步骤十二：利用预先录入到数据库的数值D_k以及允差ε，判断|C_k-D_k|是否小于或等于ε，若为是，则该组数据作为阀芯运动正常信息储存在数据库中；否则，将异常次数m增加1，并将该组数据以阀芯运动异常信息储存在数据库中，并将k所在时间轴的位置高亮显示；

步骤十三：循环执行步骤十二，直至对k组的A_k和B_k+n-1，C_k和D_k比较完毕。

步骤十四：根据公式Present＝m/k计算超差百分比Present；将其显示在HMI终端中的曲线上并对数据库中的m和k复位；结束本方法。

2.根据权利要求1所述的一种输入电信号指令与阀芯反馈信号的比较方法，其特征在于步骤十和步骤十一之间还包括以下步骤：控制器判断分析的类型，若为比例关系分析则进入步骤十一；若为相似度分析则进入步骤十五；

步骤十五：控制器首先判断数组中是否存在相同输入电信号指令A所对应的多组阀芯反馈信号B，如无，则提醒操作者让设备使用相同输入电信号指令A重复两次以上的循环运行，并跳出本方法；如有，则利用Pearson相关系数方法，计算出多组阀芯反馈信号B的相关系数r。

3.根据权利要求2所述的一种输入电信号指令与阀芯反馈信号的比较方法，其特征在于步骤十五还包括以下步骤：计算出多组阀芯反馈信号B的相关系数r后，控制器根据相关系数r数值对相似度分为三级；若相似度为等级1，将数据存入数据库；若相似度为等级2,此时控制器向操作者发出提示，并将数据存入数据库；若相似度为等级3，此时控制器向操作者发出报警信息，并将数据存储到数据库中；结束本方法。

4.根据权利要求3所述的一种输入电信号指令与阀芯反馈信号的比较方法，其特征在于：r≥0.8为等级1，0.8>r≥0.6为等级2，r<0.6为等级3。