CN111801629A - 用于确定在测量信号中发生的振荡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定在测量信号（10；u、u_s、y）中发生的振荡的方法，所述方法具有如下步骤：接收测量信号（10；u、u_s、y）；确定所接收到的测量信号（10；u、u_s、y）的极值；并且通过如下方式来确定所述测量信号（10；u、u_s、y）的闭环：a)标识在所述测量信号（10；u、u_s、y）中的闭环，其中一个闭环通过振荡宽度相同并且方向相反的两个半环（15、16）来构成，b)存储所标识出的闭环，c)将所标识出的闭环从所述测量信号（10；u、u_s、y）中除去，并且d)重复步骤a)至c)，直至已确定全部闭环。

Description

用于确定在测量信号中发生的振荡的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定在测量信号中发生的振荡的方法，该方法例如可以被用在对诸如取暖、通风和空调设备那样的技术系统的监控和/或自适应调节中。

背景技术

用于调节例如取暖、制冷和空调设备、娱乐和家用电子产品或者工业过程、如例如在化学工业中发生的工业过程的所谓的PID调节器由于它们众所周知且简单的应用而经常被使用。PID调节器是具有比例分量、积分分量和微分分量的调节器。

这样的PID调节器的参数常常利用齐格勒（Ziegler）和尼科尔斯（Nichols）的启发式方法来被设定，该齐格勒和尼科尔斯的启发式方法虽然尤其是在严重延迟的稳定过程的情况下得到良好的干扰行为，但是得到振荡的导向行为（Führungsverhalten）。也就是说，齐格勒和尼科尔斯方法主要适合于其负载特性随时间并不发生显著变化而且其中过振不造成干扰的过程。

因而，如果在过程动态性方面或在负载特性方面能预期到更大的变化，则调节器参数常常自适应地被设定。为此，持续地关于额定值周围的振荡对调节参量进行监控。一旦查明有振荡，就使调节器参数适配为使得消除在该调节参量中的振荡（Li等人的“Patents,Software and hardware for PID control: an overview and analysis of thecurrent art”，IEEE Control Systems Magazine，26(1)，第42-54页，2006年）。

在此，确定在该调节参量中的振荡的品质和精度对于调节行为来说、尤其是对于能用自适应调节器来实现的导向行为来说是决定性的。

原则上，该调节参量可以借助于快速傅里叶变换（FFT）被分解成该调节参量的振荡分量。然而，在时域内的分辨率差的情况下，宽窗口在此导致在频域内的良好的分辨率，这使得难以探测变化的频率。在窄窗口的情况下得到相反的效果。快速傅里叶变换假定涉及周期性信号，使得关于振荡开始或停止的精确时间点的信息丢失。

从WO 2010/054657 A1公知一种调节方法，其中确定在PID调节器的控制参量（Stellgröße）中的振荡的衰减率并且根据该衰减率来提高该控制参量。在此，高衰减率表明接近稳定极限的高振荡的系统，使得该控制参量的增益被减小，而低衰减率表明阻尼过度，使得该控制参量的增益被提高。

发明内容

按照第一方面，本发明提供了一种具有权利要求1的特征的用于确定在测量信号中发生的振荡的方法。该方法包括：接收测量信号；确定所接收到的测量信号的极值；并且确定测量信号的闭环。在此，通过如下方式来确定测量信号的（全部）闭环：a) 标识在测量信号中的（第一）闭环，其中一个闭环通过振荡宽度相同并且方向相反的两个半环来构成；b) 存储所标识出的闭环并且c) 将所标识出的闭环从测量信号中除去，其中重复所提到的步骤a)至c)，直至已确定全部闭环。这些闭环对应于在测量信号中发生的振荡。

测量信号优选地是传感器的传感器信号，如该传感器在调节回路、例如具有取暖、通风和空调设备的调节回路中所使用的那样。然而，表述“测量信号”也把例如通过估计方法从传感器信号中推导出的信号包括进去。

按照独立权利要求的方法具有如下优点：即使在复杂的、真实的系统的测量信号中的振荡也可以利用常常不同的供应商的不同的、彼此嵌套并且相互影响的调节来简单地、快速地并且稳健地被确定。在此，这些振荡可以与测量信号的来源无关地、尤其是与相应的传感器类型无关地被分析。

优选地，为了确定测量信号的闭环，使用所谓的雨流（Rainflow）计数法。雨流计数法来源于材料力学领域并且在材料力学领域被用于确定构件的疲劳寿命。名称“雨流计数法”来源于雨水在塔顶上的流动的类比。在此，相关的测量信号的时间轴被设想顺时针旋转90°。在此，确定并且将测量信号的在其上“雨水”从一个“顶”滴落到下一个、在下方的顶上的区域计数为半环（也称作半滞回或半循环）。尤其是将如下区域计数为半环：i) 在一个极值处开始并且在更大的极值对面结束的（信号）区域；ii) 在一个极值处开始并且在出现从在上方的极值落下的雨水的部位处结束的区域；和iii) 在一个极值处开始并且在时间序列结束时结束的区域。相同大小、也就是说沿相反方向延伸（也就是说关于与时间轴垂直的轴成轴对称）的相同振荡宽度的两个半环构成一个闭环（也称作闭合滞回或者完整循环）。极值由局部最小值和最大值构成并且也被称作反转点（例如参见M. Köhler等人的“Zählverfahren und Lastannahme in der Betriebsfestigkeit（在运行强度方面的计数方法和负载假设）”，第2.4.4章，第23-27页，DOI 10.1007/978-3-642-13164-6_2，Springer出版社，2012年）。

雨流计数法允许以简练的方式即使在具有高数据量的测量信号的情况下也减少对于确定包含在测量信号中的振荡来说所需的数据量，使得高效且节省时间和资源的分析是可能的，其中可以获得关于在测量信号中出现的振荡的详细信息。

因此，半环的振荡宽度是在测量信号中发生的对应于由该半环构成的闭环的那个振荡的幅度。还可以简单地确定振荡的平均值作为该振荡的半环的一半幅度。此外，根据被分配给在测量信号中发生的振荡的半环的双倍时长来得到该振荡的周期时长。此外，在测量信号中发生的振荡的起始时间点对应于被分配给该振荡的完整环的起始时间点、也就是说该完整环在时间上首个半环的起始时间点。相对应的情况适用于振荡的结束时间点。时间分析能够实现对在测量信号中的振荡的出现和消失的历史分析。有利地，在此并不需要关于在测量信号中所要预期的振荡的先期信息。

优选地，可以预先给定关于半环的振荡宽度/幅度及其时长（以及因此振荡的周期时长）方面的极限值，以便使要考虑的振荡与不要考虑的振荡分开。例如，在温度测量时可以预先给定：忽视具有小于1℃的幅度的半宽/振荡和具有超过1小时的周期时长的振荡。

利用上文所描述的用于确定在测量信号中发生的振荡的方法，可以系统性地检查技术系统的测量信号，其中例如同一类型、但是不同位置、例如安装在不同建筑物中的取暖、通风和空调设备的测量数据可以彼此进行比较。这例如可以借助于中央网络平台来进行。

在用于监控技术系统、尤其是取暖、通风和空调设备的方法（该方法使用上述用于确定在测量信号中发生的振荡的方法）中，如果例如在测量信号中发生的、被确定的振荡的幅度（振荡宽度）和/或频率超过预先限定的极限值，则可以向用户或者向服务人员或者向用户组输出报警。对报警的输出可以借助于显示器显示和/或报警音和/或通过电子邮件和/或通过根据其它协议的电子消息来进行。在本发明的一个优选的实施方式中，对报警的输出或通知可以视幅度或幅度和而定被分配给不同的接收方。这具有如下优点：在偏差更高时，相应的技术故障可能恶化并且可以被报告给更大的用户组，以便可以引入相对应的措施。

还可以设置计数器，在每次确定有闭环、也就是说振荡时，都使该计数器增加，例如增加1。如果该计数器以及因此振荡的数目超过预先确定的极限值，则可以输出报警。此外，在特定的时期、例如1小时内发生的振荡的幅度可以被相加，并且当被相加的幅度之和超过预先确定的极限值时，才能输出报警。在对系统的监控之后可以进行故障诊断。此外，（来自所确定的闭环中的）所确定的信号也可以用作用于故障搜索和和故障隔离或更精确的故障定位的数据挖掘（Datamining）算法的输入。因此，例如当生产故障从特定的幅度起较频繁地出现时可以检测到。所确定的信号还可用于更好的故障定位、尤其是在复杂的、多组件的技术系统或设施中用于更好的故障定位，其方式是可以检查在设备的哪个子组件中出现最强烈的振荡。

除了监控之外或者替选于监控，上述用于确定在测量信号中发生的振荡的方法可以被用于对技术系统、尤其是取暖、通风和空调设备的自适应调节。在自适应调节的情况下，调节器参数与该系统以及在过程动态性方面的变化适配。自适应调节也被称作自学习调节。

在此，根据在相应的测量信号中发生的振荡来设定自适应调节器的参数。因此，调节器参数优选地被设定为使得振荡的幅度下降到预先确定的最小高度之下。在此，在用于确定在测量信号中发生的振荡的方法的框架内的用于计算调节器参数的方法例如可以基于最小误差平方法。优选地，使用PID调节器作为自适应调节器。然而，替选地或组合地，也可以使用其它调节器类型、诸如状态调节器。调节器可以是多维调节器。因此，上述用于确定在测量信号中发生的振荡的方法提供了一种用于设定自适应调节的参数的跨系统的、系统性的方案。

通过所提出的对自适应调节的监控和设定，尤其可以识别和避免错误配置的调节，查明系统组件的例如可能会导致其使用寿命缩短的不寻常的行为并且引入前瞻性维护。

按照本发明的另一方面，提供了一种计算单元，该计算单元被设立为实施上述用于确定在测量信号中发生的振荡的方法、上述用于对自适应调节的监控的方法和/或上述用于对自适应调节的设定的方法。还提供了一种计算机程序，该计算机程序被设立为实施上述用于确定在测量信号中发生的振荡的方法、上述用于对自适应调节的监控的方法和/或上述用于对自适应调节的设定的方法。该计算机程序可以存储在机器可读存储介质、例如EEPROM、闪速存储器或数据载体（例如DVD）上。还可以规定：在中央服务器上提供该计算机程序，通过计算机网络（互联网、内联网等等）可以在该中央服务器上实施该计算机程序或者可以从该中央服务器下载该计算机程序。对该计算机程序的访问可以通过网络平台来进行。

本发明的其它有利的设计方案从如下描述和随附的附图中得到。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的用于确定在测量信号中发生的振荡的方法的流程图；

图2示出了用于阐述对在示例性测量信号中的闭环的确定的示意性图表；

图3示出了用于阐述将所确定的闭环从测量信号中除去的示意性图表；

图4示出了对压缩机的监控的示例性图表；

图5示出了具有自适应调节器的一维调节回路的框图；

图6示出了具有自适应调节的多维调节回路的框图；以及

图7示出了其中本发明被用于监控多个位置的实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于确定在测量信号中发生的振荡的方法的流程图。测量信号例如可以是体积流、压缩机上游或下游的压力或者温度。

在步骤1中，由计算单元、例如计算机或电子控制单元（未示出）接收测量信号。在一个优选的、选用性的步骤2中，检查所接收到的测量信号是否有所谓的异常值并且将这些异常值从测量信号中除去。如果测量值与其之前的测量值和/或其随后的测量值偏差了特定的、事先规定的数值，则该测量值被分类为异常值。

如果测量信号是模拟信号而不是数字信号，则在步骤3中优选地对测量信号进行量化。步骤2和3的顺序可以交换。

在接下来的步骤4中，确定测量信号的极值，例如通过计算测量信号的一阶和二阶导数来确定测量信号的极值。为了确定极值，可以预先限定容差，所述容差预先给定这些极值应该彼此偏差的最小数值，以便例如忽略最小振荡和噪声的效果并且由此提高振荡确定的精度。

在接下来的步骤5中，优选地借助于开头所描述的雨流计数法来检查测量信号是否有闭环（完整循环、完整滞回）。在此，确定存在于测量信号中的半环（半循坏、半滞回）。一个闭环由振荡宽度相同但方向相反的两个半环而得到。

如果在步骤6中查明测量信号不包含唯一的闭环，则该方法在步骤7中结束。在该测量信号中可以确定没有振荡。

而如果在步骤6中查明可以确定有闭环并且因此有振荡，则将该闭环并且因此该振荡在步骤8中优选地与其幅度、起始时间点、结束时间点、周期时长/频率和/或平均值共同存储在存储介质（未示出）、例如RAM中并且将所找到的闭环从测量信号中除去，其中使该测量信号的其余部分彼此连接。

图2用于阐明图1的步骤5。在图2中示例性且示意性示出的其中例如涉及温度T的测量信号在所示出的时域内在时间点t11、t12、t13或t14处具有四个极值11、12、13、14。对于其振荡宽度从最大值12延伸到最小值13并且借助于雨流计数法来找到的第一半环15来说，可以借助于雨流计数法来在测量信号10中找到对应的第二半环16，该第二半环在方向相反的情况下具有相同的振荡宽度。找到第一半环15，因为该第一半环开始于最大值12并且结束于最小值13，该最小值在时间上的下一个最大值14对面，该最大值14具有比（起始）最大值12更大的值（开头提到的雨流计数法的条件i)）。找到第二半环16，因为该第二半环开始于极值（最小值13）并且结束于出现“雨水”的部位17，该“雨水”从最大值12沿时间轴的方向“向下滴落”（开头提到的雨流计数法的条件ii)）。第一半环15和第二半环16共同构成闭环，该闭环对应于在测量信号10中的振荡。

在图1的步骤8中，将所标识出的闭环、也就是说相对应的振荡及其特性存储并且从测量信号10中删除，其中使测量信号的其余部分彼此连接。后者在图3中阐明。也就是说，图2中的划线三角形18被除去并且得到在图3中所示出的测量信号，该测量信号接着借助于雨流计数法被搜索其它闭环。

因此，借助于在图1中示例性示出的方法，可以确定在测量信号中发生的振荡。图4针对取暖、通风和空调设备的压缩机的示例示出了在测量信号中借助于该方法所确定的一天中每个小时的振荡，该测量信号示例性地是在压缩机下游的压力。在此，针对相应的小时所确定的振荡的幅度被相加并且在一整年内被求平均。如所能看出的那样，在7:00点钟与20:00点钟之间存在被相加的幅度的高度方面的下降。根据该信号（变化过程）可以推断出：在对应于主要工作阶段的上述时间段之外，压缩机必须在负载要求更低的情况下更频繁地进行时控。借此，可以自动确定在主要工作阶段之外出现更高的损耗。

图5示出了示意性示出的调节回路20，该调节回路具有：自适应调节器21，该自适应调节器优选地构造为自适应PID调节器；控制环节（Stellglied）22、例如阀；和调节对象（Regelstrecke）23，该调节对象通过所要调节的技术系统23、例如取暖、通风和空调设备来给出。图5的技术系统23是简单的、也就是说一维的系统，该系统只有一个输入信号（控制环节的输出参量u_s）并且只有一个输出信号（调节参量y）。

示例性地，将自适应调节器21的输出信号（控制参量u）、控制环节的输出参量u_s和调节参量y作为测量信号输送给功能块24。在功能块24中，在这些测量信号中的每个测量信号上实施在图1中示出的用于确定在相应的测量信号中发生的振荡的方法。将在功能块24中所确定的振荡或其特性、如幅度、周期时长等等输送给功能块25，用于对技术系统23进行监控和故障诊断，使得例如在有高幅度的振荡时可以缩短维护期。在功能块24中所确定的振荡还被用于在功能块26中重新计算并且设定自适应调节器21的参数，使得测量信号u、u_s和y的振荡被最小化。块21、24、25、26可以通过软件和/或硬件、例如通过在计算单元、例如服务器上运行的计算机程序分开地或者共同地来实现。

相对于图5而言，图6是到具有复杂技术系统33的多维调节回路30的扩展，该复杂技术系统具有多个输入信号和输出信号。在图5中所示出的本地调节的情况下，只有当在对自适应调节器21的错误配置的情况下在其中出现振荡的参量/信号也是负责自适应调节器21的功能块24的输入信号时，才能适当地借助于功能块26设定自适应调节器21的参数。

对于在图6中示出的多维调节回路30来说，提出了一种中央测量信号检测和自动化单元37，该中央测量信号检测和自动化单元对全部相关的测量信号进行检测。将由测量信号检测和自动化单元37所检测到的测量信号输送给功能块34，该功能块实施在图1中示出的用于确定在测量信号中发生的振荡的方法。将在功能块34中所确定的振荡或其特性输送给功能块35，用于对技术系统33进行监控和故障诊断。此外，将在功能块34中所确定的振荡及其特性输送给功能块36，用于使调节器参数适配。在功能块36或37中，优选地确定所标识出的振荡与在调节回路30中所使用的自适应调节器之间的相关，并且使与相应的振荡最强烈地相关的调节器的调节器参数适配，使得与这些调节器相关的振荡被最小化。在此，通过中央测量信号检测和自动化单元37来进行调节。功能块34、35、36、37可以以软件和/或硬件的形式、尤其是作为服务器上的计算机程序共同地或者分开地被实现。

有利地，按照本发明的用于确定在测量信号中发生的振荡的方法可以集中被用于尤其是对多个位置43（也就是说多个技术系统）、诸如多个生产设施或建筑物的并行的监控和/或调节（参见图7）。因此，例如不同建筑物的取暖、通风和空调设备可以并行地集中被监控和/或被调节。将位置43的全部被检测到的测量信号输送给中央功能块44，该中央功能块借助于在图1中所示出的方法来确定在这些测量信号中发生的振荡及其特性。优选地，功能块44被实现为在中央服务器上运行的软件（计算机程序）。现在，通过网络平台45可以访问该服务器和所确定的振荡，并且可以在该网络平台上为了监控和故障诊断目的而对这些振荡进行集中分析和显示。为此，可以通过该网络平台来访问相对应的安装在该服务器上的监控和诊断软件。通过该网络平台，还可以促使对调节器参数的自适应适配，其中同样可以通过安装在该服务器上的软件来实现对这些调节器参数的重新计算。这样，例如可以执行跨位置的性能分析以及必要时执行能耗降低。

Claims (13)

1.用于确定在测量信号中发生的振荡的方法，所述方法具有如下步骤：

- 接收测量信号（10；u、u_s、y）；

- 确定所接收到的测量信号（10）的极值（11、12、13、14）；

- 通过如下方式来确定所述测量信号（10；u、u_s、y）的闭环：

a) 标识在所述测量信号（10；u、u_s、y）中的闭环，其中一个闭环通过振荡宽度相同并且方向相反的两个半环（15、16）来构成，

b) 存储所标识出的闭环，

c) 将所标识出的闭环从所述测量信号（10）中除去，并且

d) 重复步骤a)至c)，直至已确定全部闭环。

2.根据权利要求1所述的方法，其中为了确定所述测量信号（10；u、u_s、y）的闭环而使用雨流计数法。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所述测量信号（10；u、u_s、y）中发生的振荡的幅度根据与所述振荡相对应的闭环的半环（15、16）的振荡宽度来被确定；在所述测量信号（10；u、u_s、y）中发生的振荡的周期时长根据所述半环（15、16）的双倍时长来被确定；和/或在所述测量信号（10；u、u_s、y）中发生的振荡的起始时间点根据所述半环（15、16）的起始时间点来被确定。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中针对每个所确定的闭环来使计数器增加。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在确定所接收到的测量信号（10；u、u_s、y）的极值（11、12、13、14）之前，将异常值从所述测量信号（10；u、u_s、y）中除去。

6.用于监控技术系统（23；33；43）、尤其是取暖、通风和空调设备的方法，所述方法具有如下步骤：

- 利用根据上述权利要求中任一项所述的方法，针对一个或多个测量信号（10；u、u_s、y）来确定在相应的测量信号（10；u、u_s、y）中发生的振荡；

- 如果在测量信号（10；u、u_s、y）中发生的振荡的幅度、在测量信号（10；u、u_s、y）中发生的振荡的数目和/或在测量信号（10；u、u_s、y）中发生的振荡的被相加的幅度超过预先确定的极限值，则输出报警。

7.根据权利要求6所述的方法，所述方法被用于对多个技术系统（43）的并行的监控，其中所述方法能够通过网络平台（45）来被实施。

8.用于对技术系统（23；33；43）、尤其是取暖、通风和空调设备的自适应调节的方法，所述方法具有如下步骤：

- 利用根据权利要求1至5中任一项所述的方法，针对一个或多个测量信号（10；u、u_s、y）来确定在相应的测量信号（10；u、u_s、y）中发生的振荡；

- 根据在所述相应的测量信号（10；u、u_s、y）中发生的振荡，设定用于所述技术系统（23；33；43）的自适应调节器（21）、尤其是自适应PID调节器的参数。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述技术系统（33）具有多个自适应调节器，并且每个自适应调节器的参数根据与相应的自适应调节器相关的那些振荡来被设定。

10.根据权利要求8或9所述的方法，所述方法被用于对多个技术系统（43）的自适应调节，其中所述方法能够通过网络平台（45）来被实施。

11.计算单元，所述计算单元被设立为实施根据上述权利要求中任一项所述的方法。

12.计算机程序，当所述计算机程序在计算单元上被实施时，所述计算机程序促使所述计算单元实施根据权利要求1至10中任一项所述的方法。

13.机器可读存储介质，在其上存储有根据权利要求12所述的计算机程序。

Images