CN114061678A - 一种科氏流量计数字驱动方法 - Google Patents

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CN114061678A CN202210019220.3A CN202210019220A CN114061678A CN 114061678 A CN114061678 A CN 114061678A CN 202210019220 A CN202210019220 A CN 202210019220A CN 114061678 A CN114061678 A CN 114061678A
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Abstract

本发明公开了一种科氏流量计数字驱动方法，包括：使科氏流量计处于零驱动状态以固有频率做自由衰减振动；获得科氏流量计的固有频率，基于固有频率获得驱动信号的频率，利用驱动信号驱动科氏流量计振动，并记录科氏流量计处于驱动状态下的持续振动时长T1；采集科氏流量计的振动信号，计算获得科氏流量计的振动频率f和振动幅值A；基于A和T1判断科氏流量计的固有频率是否发生变化，若发生变化则重新计算固有频率，并以新的固有频率产生新的驱动信号进行驱动，本方法可有效跟踪科氏流量计固有频率变化，驱动科氏流量计稳幅振动，并能在科氏流量计因外力因素停振后，驱动科氏流量计重新起振工作，有利于提高科氏流量计的工作效果。

Description

一种科氏流量计数字驱动方法
技术领域
本发明涉及仪器仪表领域，具体地，涉及一种科氏流量计数字驱动方法。
背景技术
科里奥利质量流量计(以下简称科氏流量计)是一种直接式质量流量计，其测量精度高、重复性好、应用广泛。科里奥利质量流量计中的主要部件为流量管，驱动流量管稳幅振动是科氏流量计的关键技术，根据驱动信号产生的不同方式，驱动方案可分为模拟驱动、半数字驱动与数字驱动三种。由于数字驱动启振快、幅值跟踪能力强，优于模拟驱动和半数字驱动，是当前的研究热点，现有技术中的科氏流量计数字驱动方案如图1示。
数字驱动首先通过自激信号启振流量管，当振动幅值到达一定时，打开启振开关，停止激励，进入零驱动状态，此时流量管处于自由衰减状态；然后采用衰减信号参数估计算法获取流量管固有频率，如文献Zielinski T P and Duda K. Frequency and dampingestimation methods – an overview [J]. Metrology and Measurement Systems,2011, XVIII: 505-528.，介绍了多种衰减信号参数估计算法，可用于获取流量管固有频率；最后利用获取到的固有频率作为驱动信号频率，并结合文献：李祥刚,徐科军.科氏质量流量管非线性幅值控制方法研究[J]. 电子测量与仪器学报, 2009, 23(6):82-86.中的非线性幅值控制算法，驱动流量管稳幅振动。
该方案存在缺陷：初始化时，通过零驱动模式，可以准确得到流量管固有频率，但当流量管固有频率发生改变时，检测到的激励频率(驱动频率)和固有频率不再匹配，影响驱动效果，甚至可能导致科氏流量计停振，无法工作。
发明内容
为驱动科氏流量计流量管稳幅振动，提升驱动效果，提出一种科氏流量计数字驱动方法。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种科氏流量计数字驱动方法，所述方法包括：
步骤1：产生第一瞬时激励信号输入科氏流量计，使所述科氏流量计处于零驱动状态以固有频率做自由衰减振动产生第一衰减信号；
步骤2：基于所述第一衰减信号获得所述科氏流量计的第一固有频率，基于所述第一固有频率获得第一驱动信号的频率，利用所述第一驱动信号驱动科氏流量计振动，并记录科氏流量计处于驱动状态下的持续振动时长T1；
步骤3：采集所述科氏流量计的振动信号，基于所述振动信号计算获得科氏流量计的振动频率f和振动幅值A；
步骤4：由于采用了非线性幅值控制算法，流量计固有频率发生变化时，幅值变化缓慢，只监测幅值，降低固有频率跟踪效果。因此，结合流量计驱动状态下的持续振动时间，以及时跟踪流量计固有频率变化。当所述振动幅值A≥第一阈值和所述T1≤第二阈值时，基于所述振动频率f获得第二驱动信号的频率，利用所述第二驱动信号驱动科氏流量计振动，并返回执行步骤3；当所述振动幅值A＜第一阈值或所述T1＞第二阈值，并且所述振动幅值A不为0时，则停止向所述科氏流量计输入驱动信号，所述科氏流量计处于零驱动状态以固有频率做自由衰减振动产生第二衰减信号，基于所述第二衰减信号获得所述科氏流量计的第二固有频率，基于所述第二固有频率获得第二驱动信号的频率，利用所述第二驱动信号驱动科氏流量计振动，更新所述T1并返回执行步骤3；当所述振动幅值A＜第一阈值或所述T1＞第二阈值，并且所述振动幅值A为0时，产生第二瞬时激励信号，使所述科氏流量计处于零驱动状态以固有频率做自由衰减振动产生第三衰减信号，基于所述第三衰减信号获得所述科氏流量计的第三固有频率，基于所述第三固有频率获得第三驱动信号的频率，利用所述第三驱动信号驱动科氏流量计振动，更新所述T1并返回执行步骤3。
其中，本方法可有效跟踪科氏流量计固有频率变化，驱动科氏流量计稳幅振动，并能在科氏流量计因外力因素停振后，驱动科氏流量计重新起振工作，有利于提高科氏流量计的工作效果。
优选的，本方法通过振动传感器采集所述科氏流量计的振动信号。
其中，本方法中的科氏流量计的固有频率的获得方式可以为多种方式，如背景技术中介绍的方式，用衰减信号参数估计算法获取流量管固有频率，如文献Zielinski T Pand Duda K. Frequency and damping estimation methods – an overview [J].Metrology and Measurement Systems, 2011, XVIII: 505-528.，介绍了多种衰减信号参数估计算法，可用于获取流量管固有频率，但是申请人发现上述方式存在以下缺陷：
数字驱动首先通过自激信号启振流量管，当振动幅值到达一定时，停止激励，进入零驱动状态，此时流量管处于自由衰减状态；然后采用参数估计算法获取流量管固有频率；最后根据频率合成驱动信号，并结合非线性幅值控制算法，驱动流量管稳幅振动。
该方案的关键点在于停止激励后，能够快速有效地获取流量管固有频率。当流量管处于自由衰减状态时，振动模型为单频衰减实信号，如式(1)所示。
Figure 851789DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中：
Figure 628115DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 49869DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 253449DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 393443DEST_PATH_IMAGE005
分别表示采样信号初幅值、频率、初相位和衰减因子；
Figure 973460DEST_PATH_IMAGE006
表示采样时刻点，
Figure 780879DEST_PATH_IMAGE007
常为偶数，表示信号长度；
Figure 483256DEST_PATH_IMAGE008
是均值为0，方差为
Figure 251492DEST_PATH_IMAGE009
的加性高斯白噪声。
根据对信号的不同处理方式，科氏流量计固有频率获得方法主要可分为时域法和频域法两大类。时域法是在时域对信号进行计算得到固有频率，如线性预测法，STMB法等，此类方法通过构造矩阵估计固有频率，其思路简单、分辨率高，在中高信噪比条件下的固有频率估计精度高，但受噪声影响大，在低信噪比条件下的固有频率估计精度较低，且涉及到迭代求解矩阵，方法计算量较大、实时性较差。频域法将时域信号转换到频域进行频谱分析，可借助硬件实现，其计算速度快，且具有更强的抗噪性，但受频谱泄漏的影响，在中高信噪比或者信号频率较低条件下的固有频率估计精度较低，且频率分辨率较低，不适合固有频率特别低的科氏流量计。典型方法有迭代插值法、加窗插值法和频谱泄漏校正法等，这些方法在一定程度上抑制了频谱泄漏的影响，提高了固有频率估计精度，但仍有待提高。
针对稳幅振动状态下的科氏流量计参数估计问题，发明专利202011468681.6公布了一种时频结合的含噪信号参数估计新算法。该方法首先采用频域法中的快速傅里叶算法对采样信号进行处理，得到降噪滤波器参数，并通过时域法中的线性预测法构造了滤波后的预测矩阵，通过求解矩阵得到了信号参数。但是上述方法存在以下技术问题：其模型简单无法处理复杂问题，其计算量大。
为提高科氏流量计固有频率的估计精度，并减少计算量、提升计算速度，结合频域法抗噪性好、计算量小和时域法参数估计精度高的特点，对科氏流量计固有频率的获得方法进行了改进，改进后的科氏流量计固有频率获得方法包括：
采集科氏流量计在自由衰减状态下的振动信号获得采样信号；
对采样信号进行截短获得截短信号；
获得所述截短信号的频谱，提取所述截短信号频谱最大值的索引，获得第一索引；
在所述第一索引前后进行插值，分别获得第一插值点频谱值和第二插值点频谱值；
求取所述第一索引对应频谱值、所述第一插值点频谱值和所述第二插值点频谱值中的最大值获得最大频谱值，获得所述最大频谱值对应的第二索引；
基于所述第二索引获得所述采样信号频谱最大值对应的第三索引；
在所述第三索引的前后进行插值，分别获得第三插值点频谱值和第四插值点频谱值；
基于所述第三插值点频谱值和所述第四插值点频谱值，计算所述采样信号的频谱偏移量估计值和衰减因子的初步估计值；
基于所述频谱偏移量和衰减因子的初步估计值，计算获得滤波器参数，基于所述滤波器参数获得滤波器；
构造所述采样信号的预测关系式，将所述预测关系式带入所述滤波器获得预测矩阵；
求解所述预测矩阵获得所述科氏流量计的固有频率。
其中，本方法首先为抑制噪声的影响、提高计算速度，对采样信号进行截短，得到截短信号，并对截短信号进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)，得到截短信号的频谱最大值的索引；其次，分别先后对截短信号和采样信号的频谱进行两点插值计算，得到采样信号频谱偏移量和衰减因子初步估计值，从而得到降噪滤波器的初始参数；然后，利用正弦信号的线性预测性质构造预测关系式，并通过降噪滤波器进一步抑制噪声的影响，得到降噪后的预测矩阵；最后，利用最小二乘法求解矩阵，得到预测系数，从而得到科氏流量计的固有频率。
其中，本发明中的科氏流量计固有频率获得方法能够减少计算量，提高了科氏流量计的固有频率估计精度，具有结合频域法抗噪性好、计算量小和时域法参数估计精度高的特点。
优选的，本方法中所述采样信号为：
Figure 697517DEST_PATH_IMAGE010
式中：
Figure 93863DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 630456DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 10622DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 994758DEST_PATH_IMAGE005
分别表示所述采样信号初幅值、频率、初相位和衰减因子；
Figure 652136DEST_PATH_IMAGE011
表示采样时刻点，
Figure 493053DEST_PATH_IMAGE007
表示信号长度；
Figure 298198DEST_PATH_IMAGE008
是均值为0，方差为
Figure 23708DEST_PATH_IMAGE009
的加性高斯白噪声。
优选的，本方法中所述截短信号的长度为所述采样信号长度的一半。其中，这样设计的目的是减少计算量。
优选的，所述方法具体为：对采样信号进行截短，得到长度为采样信号长度一半的截短信号
Figure 597909DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 609727DEST_PATH_IMAGE013
，对所述截短信号进行快速傅里叶变换，提取所述截短信号频谱最大值的索引，获得第一索引。
优选的，本方法中所述截短信号频谱
Figure 574272DEST_PATH_IMAGE014
的计算方式为：
Figure 962528DEST_PATH_IMAGE015
Figure 391236DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 714901DEST_PATH_IMAGE017
表示截短信号，
Figure 494638DEST_PATH_IMAGE018
表示截短信号频谱，
Figure 686585DEST_PATH_IMAGE019
表示截短信号频谱索引，
Figure 641902DEST_PATH_IMAGE020
为自然底数，
Figure 464365DEST_PATH_IMAGE021
为虚数单位，
Figure 528136DEST_PATH_IMAGE022
为第一索引，
Figure 133561DEST_PATH_IMAGE023
表示取复数序列
Figure 271281DEST_PATH_IMAGE018
的模值，
Figure 326962DEST_PATH_IMAGE024
表示提取序列
Figure 815712DEST_PATH_IMAGE023
中最大值的索引。
优选的，本方法中所述第一索引与其前后两个插值点的间隔均为0.5，所述第三索引与其前后两个插值点的间隔均为0.5。选择插值点间隔为0.5，是因为频谱偏移量
Figure 959248DEST_PATH_IMAGE025
的取值边界是0.5(
Figure 279371DEST_PATH_IMAGE026
)，利用插值点间隔0.5计算出来的频谱偏移量更加准确。
优选的，本方法中所述第一插值点频谱值为
Figure 443636DEST_PATH_IMAGE027
，所述第二插值点频谱值为
Figure 88857DEST_PATH_IMAGE028
，所述第二索引为
Figure 160718DEST_PATH_IMAGE029
，所述第三索引为
Figure 538610DEST_PATH_IMAGE030
，其中：
Figure 545880DEST_PATH_IMAGE031
；
Figure 9222DEST_PATH_IMAGE032
；
Figure 884774DEST_PATH_IMAGE033
；
Figure 789277DEST_PATH_IMAGE034
。
优选的，本方法中所述第三插值点频谱值为
Figure 29765DEST_PATH_IMAGE035
，所述第四插值点频谱值为
Figure 42720DEST_PATH_IMAGE036
，所述采样信号的频谱偏移量估计值为
Figure 331750DEST_PATH_IMAGE037
，所述采样信号的衰减因子初步估计值为
Figure 418655DEST_PATH_IMAGE038
，其中：
Figure 157941DEST_PATH_IMAGE039
；
Figure 330296DEST_PATH_IMAGE040
；
Figure 157438DEST_PATH_IMAGE041
；
其中，
Figure 426745DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 9036DEST_PATH_IMAGE043
分别表示取复数
Figure 340792DEST_PATH_IMAGE044
的实部和虚部。
优选的，本方法中所述滤波器为
Figure 361837DEST_PATH_IMAGE045
，其中：
Figure 423334DEST_PATH_IMAGE046
Figure 379789DEST_PATH_IMAGE047
表示复变量，
Figure 323474DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 820315DEST_PATH_IMAGE049
为滤波器参数，计算方式为：
Figure 674001DEST_PATH_IMAGE050
。
优选的，本方法中所述预测关系式为：
Figure 863674DEST_PATH_IMAGE051
其中，
Figure 294655DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 535800DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure 306309DEST_PATH_IMAGE054
,
Figure 463621DEST_PATH_IMAGE055
,
Figure 522844DEST_PATH_IMAGE056
为单位冲击函数；
所述预测矩阵为：
Figure 361487DEST_PATH_IMAGE057
其中，
Figure 314400DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure 845875DEST_PATH_IMAGE059
分别表示采样信号
Figure 861236DEST_PATH_IMAGE060
和冲击信号
Figure 831466DEST_PATH_IMAGE061
经过滤波器后的滤波信号；
求解所述预测矩阵获得所述科氏流量计的固有频率
Figure 576568DEST_PATH_IMAGE062
，其中：
Figure 216628DEST_PATH_IMAGE063
。
本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本方法可有效跟踪科氏流量计固有频率变化，驱动科氏流量计稳幅振动，并能在科氏流量计因外力因素停振后，驱动科氏流量计重新起振工作，有利于提高科氏流量计的工作效果。
本发明中的科氏流量计固有频率获得方法，具有结合频域法抗噪性好、计算量小和时域法参数估计精度高的特点，能够减少计算量，提高了科氏流量计固有频率的估计精度，进而能够快速准确的实现科氏流量计数字驱动。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是现有技术中的科氏流量计数字驱动方案示意图；
图2是本发明中的科氏流量计数字驱动方案示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
请参考图2，本发明实施例一提供了一种科氏流量计数字驱动方法，所述方法包括：
步骤1：产生第一瞬时激励信号输入科氏流量计，使所述科氏流量计处于零驱动状态以固有频率做自由衰减振动产生第一衰减信号；
步骤2：基于所述第一衰减信号获得所述科氏流量计的第一固有频率，基于所述第一固有频率获得第一驱动信号的频率，利用所述第一驱动信号驱动科氏流量计振动，并记录科氏流量计处于驱动状态下的持续振动时长T1；
步骤3：采集所述科氏流量计的振动信号，基于所述振动信号计算获得科氏流量计的振动频率f和振动幅值A；
步骤4：当所述振动幅值A≥第一阈值和所述T1≤第二阈值时，基于所述振动频率f获得第二驱动信号的频率，利用所述第二驱动信号驱动科氏流量计振动，并返回执行步骤3；当所述振动幅值A＜第一阈值或所述T1＞第二阈值，并且所述振动幅值A不为0时，则停止向所述科氏流量计输入驱动信号，所述科氏流量计处于零驱动状态以固有频率做自由衰减振动产生第二衰减信号，基于所述第二衰减信号获得所述科氏流量计的第二固有频率，基于所述第二固有频率获得第二驱动信号的频率，利用所述第二驱动信号驱动科氏流量计振动，更新所述T1并返回执行步骤3；当所述振动幅值A＜第一阈值或所述T1＞第二阈值，并且所述振动幅值A为0时，产生第二瞬时激励信号，使所述科氏流量计处于零驱动状态以固有频率做自由衰减振动产生第三衰减信号，基于所述第三衰减信号获得所述科氏流量计的第三固有频率，基于所述第三固有频率获得第三驱动信号的频率，利用所述第三驱动信号驱动科氏流量计振动，更新所述T1并返回执行步骤3。
具体实现方式为：
首先给科氏流量计一个瞬时激励信号，科氏流量计处于零驱动状态，以固有频率做自由衰减振动，采用衰减信号参数估计算法获取科氏流量计固有频率，并利用获得的固有频率作为驱动信号频率，结合非线性幅值控制算法驱动科氏流量计稳幅振动，完成科氏流量计起振工作。
然后采集科氏流量计振动信号，利用信号参数估计算法实时估计科氏流量计振动频率和幅值，算法选择文献：Ye S L, Sun J D, Aboutanios E. On the estimation ofthe parameters of a real sinusoid in noise [J]. IEEE Signal ProcessingLetters, 2017, 24(99):638-642.中提出的算法。并进行判断，当幅值A≥a或科氏流量计进入零驱动状态时间间隔≤10分钟时，直接利用当前获得的频率作为驱动信号频率，结合非线性幅值控制算法驱动科氏流量计振动，其中阈值a的大小可以根据实际需要进行灵活调整，本发明不进行具体的限定。当幅值A＜a或科氏流量计进入零驱动状态时间间隔＞10分钟时，具体的时长可以根据实际需要进行灵活调整，本发明不进行具体的限定，再判断幅值A是否为0，即判断科氏流量计是否停振，当振动幅值不为0时，停止输入驱动信号，进入零驱动状态，使科氏流量计处于自由衰减状态，立刻采用衰减信号参数估计算法估计科氏流量计固有频率，并刷新驱动信号频率，驱动科氏流量计振动。当振动幅值为0时，判断科氏流量计停止，产生瞬时激励信号，使科氏流量计以固有频率自由衰减，采用衰减信号参数估计算法获取科氏流量计固有频率，合成驱动信号，结合非线性幅值控制算法，驱动科氏流量计振动。
其中，零驱动状态时间间隔即为科氏流量计处于驱动状态下的持续振动时长。
所设计方案可有效跟踪科氏流量计固有频率变化，驱动科氏流量计稳幅振动，并能在科氏流量计因外力因素停振后，驱动科氏流量计重新起振工作，有利于提高科氏流量计的工作效果。
实施例二
在实施例一的基础上，本实施例对科氏流量计固有频率获得方法进行了改进，实施例二提供了一种科氏流量计固有频率获得方法，所述方法包括：
采集科氏流量计在自由衰减状态下的振动信号获得采样信号；
对采样信号进行截短获得截短信号；
获得所述截短信号的频谱，提取所述截短信号频谱最大值的索引，获得第一索引；
在所述第一索引前后进行插值，分别获得第一插值点频谱值和第二插值点频谱值；
求取所述第一索引对应频谱值、所述第一插值点频谱值和所述第二插值点频谱值中的最大值获得最大频谱值，获得所述最大频谱值对应的第二索引；
基于所述第二索引获得所述采样信号频谱最大值对应的第三索引；
在所述第三索引的前后进行插值，分别获得第三插值点频谱值和第四插值点频谱值；
基于所述第三插值点频谱值和所述第四插值点频谱值，计算所述采样信号的频谱偏移量估计值和衰减因子的初步估计值；
基于所述频谱偏移量和衰减因子的初步估计值，计算获得滤波器参数，基于所述滤波器参数获得滤波器；
构造所述采样信号的预测关系式，将所述预测关系式带入所述滤波器获得预测矩阵；
求解所述预测矩阵获得所述科氏流量计的固有频率。
其中，本实施例中，振动信号的获得方式为：科氏流量计利用自激函数启振后，流量管幅值达到一定时，停止自激，使流量管处于自由衰减状态，并采集流量管此时的振动信号。
在本实施例中，本方法具体包括：
对采样信号进行截短，得到长度为采样信号长度一半的截短信号
Figure 843918DEST_PATH_IMAGE064
，并进行快速傅里叶变换(Fast FourierTransform, FFT)，提取频谱最大值的索引。
Figure 24364DEST_PATH_IMAGE065
(2)
Figure 827235DEST_PATH_IMAGE016
(3)
其中，
Figure 700513DEST_PATH_IMAGE017
表示截短信号，
Figure 815099DEST_PATH_IMAGE018
表示截短信号频谱，
Figure 736919DEST_PATH_IMAGE066
表示截短信号频谱索引，
Figure 456613DEST_PATH_IMAGE020
为自然底数，
Figure 297530DEST_PATH_IMAGE021
为虚数单位，
Figure 40358DEST_PATH_IMAGE022
表示截短信号频谱最大值的索引，
Figure 828186DEST_PATH_IMAGE023
表示取复数序列
Figure 199124DEST_PATH_IMAGE018
的模值，
Figure 351888DEST_PATH_IMAGE024
表示提取序列
Figure 378750DEST_PATH_IMAGE023
中最大值的索引。
在截短信号
Figure 767006DEST_PATH_IMAGE017
频谱索引
Figure 130467DEST_PATH_IMAGE022
左边进行插值，插值间隔为0.5，得到插值点频谱值
Figure 516449DEST_PATH_IMAGE067
。
Figure 92923DEST_PATH_IMAGE068
(4)
在截短信号
Figure 160237DEST_PATH_IMAGE017
频谱索引
Figure 443450DEST_PATH_IMAGE022
右边进行插值，插值间隔为0.5，得到插值点频谱值
Figure 734754DEST_PATH_IMAGE028
。
Figure 736208DEST_PATH_IMAGE069
(5)
通过比较索引
Figure 200688DEST_PATH_IMAGE022
处的频谱值
Figure 541671DEST_PATH_IMAGE070
和其左右两边的插值点频谱值
Figure 331772DEST_PATH_IMAGE071
、
Figure 554943DEST_PATH_IMAGE072
，求取三个频谱值中最大值的索引
Figure 229638DEST_PATH_IMAGE073
。
Figure 284182DEST_PATH_IMAGE074
(6)
从而得到N点采样信号频谱最大值的索引
Figure 182867DEST_PATH_IMAGE075
。
Figure 96597DEST_PATH_IMAGE076
(7)
得到采样信号频谱最大值的索引后，在采样信号频谱索引
Figure 168458DEST_PATH_IMAGE075
左边插值，间隔为0.5，得到插值点频谱值
Figure 280770DEST_PATH_IMAGE035
。
Figure 553620DEST_PATH_IMAGE077
(8)
在采样信号频谱索引
Figure 751383DEST_PATH_IMAGE075
右边插值，间隔为0.5，得到插值点频谱值
Figure 626935DEST_PATH_IMAGE036
。
Figure 797017DEST_PATH_IMAGE040
(9)
利用插值点频谱值，计算频谱偏移量和衰减因子的初步估计值
Figure 37505DEST_PATH_IMAGE078
。
Figure 784881DEST_PATH_IMAGE079
(10)
式中：
Figure 354139DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 441044DEST_PATH_IMAGE078
分别表示频谱偏移量
Figure 649171DEST_PATH_IMAGE025
估计值和衰减因子
Figure 759209DEST_PATH_IMAGE080
的初步估计值，
Figure 179826DEST_PATH_IMAGE081
和
Figure 917975DEST_PATH_IMAGE082
分别表示取复数
Figure 703529DEST_PATH_IMAGE083
的实部和虚部。
设计传递函数为
Figure 363180DEST_PATH_IMAGE045
的降噪滤波器：
Figure 384226DEST_PATH_IMAGE046
(11)
式中：
Figure 117827DEST_PATH_IMAGE047
表示复变量，滤波器参数
Figure 136598DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 80283DEST_PATH_IMAGE049
由频谱偏移量和衰减因子的初步估计值的计算结果确定。
Figure 514807DEST_PATH_IMAGE050
(12)
根据正弦函数的预测性质，构造预测关系式：
Figure 430810DEST_PATH_IMAGE084
(13)
式中：
Figure 682800DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 989148DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure 289679DEST_PATH_IMAGE054
,
Figure 122506DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 155184DEST_PATH_IMAGE056
为单位冲击函数。
将式(13)代入式(11)，可得预测矩阵：
Figure 11144DEST_PATH_IMAGE057
(14)
式中：
Figure 912104DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure 474804DEST_PATH_IMAGE059
分别表示采样信号
Figure 68596DEST_PATH_IMAGE060
和冲击信号
Figure 411853DEST_PATH_IMAGE061
经过滤波器后的滤波信号。
利用最小二乘法计算式(14)，得到预测系数，从而得到所述科氏流量计的固有频率。
Figure 723361DEST_PATH_IMAGE063
(15)
得到固有频率后，合成驱动信号，驱动流量管稳幅振动。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种科氏流量计数字驱动方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：产生第一瞬时激励信号输入科氏流量计，使所述科氏流量计处于零驱动状态以固有频率做自由衰减振动产生第一衰减信号；
步骤2：基于所述第一衰减信号获得所述科氏流量计的第一固有频率，基于所述第一固有频率获得第一驱动信号的频率，利用所述第一驱动信号驱动科氏流量计振动，并记录科氏流量计处于驱动状态下的持续振动时长T1；
步骤3：采集所述科氏流量计的振动信号，基于所述振动信号计算获得科氏流量计的振动频率f和振动幅值A；
步骤4：当所述振动幅值A≥第一阈值和所述T1≤第二阈值时，基于所述振动频率f获得第二驱动信号的频率，利用所述第二驱动信号驱动科氏流量计振动，返回执行步骤3；当所述振动幅值A＜第一阈值或所述T1＞第二阈值，并且所述振动幅值A不为0时，则停止向所述科氏流量计输入驱动信号，所述科氏流量计处于零驱动状态以固有频率做自由衰减振动产生第二衰减信号，基于所述第二衰减信号获得所述科氏流量计的第二固有频率，基于所述第二固有频率获得第二驱动信号的频率，利用所述第二驱动信号驱动科氏流量计振动，更新所述T1并返回执行步骤3；当所述振动幅值A＜第一阈值或所述T1＞第二阈值，并且所述振动幅值A为0时，产生第二瞬时激励信号，使所述科氏流量计处于零驱动状态以固有频率做自由衰减振动产生第三衰减信号，基于所述第三衰减信号获得所述科氏流量计的第三固有频率，基于所述第三固有频率获得第三驱动信号的频率，利用所述第三驱动信号驱动科氏流量计振动，更新所述T1并返回执行步骤3。
2.根据权利要求1所述的科氏流量计数字驱动方法，其特征在于，本方法通过振动传感器采集所述科氏流量计的振动信号。
3.根据权利要求1所述的科氏流量计数字驱动方法，其特征在于，本方法中科氏流量计的固有频率的获得方式为：
采集科氏流量计在自由衰减状态下的振动信号获得采样信号；
对采样信号进行截短获得截短信号；
获得所述截短信号的频谱，提取所述截短信号频谱最大值的索引，获得第一索引；
在所述第一索引前后进行插值，分别获得第一插值点频谱值和第二插值点频谱值；
求取所述第一索引对应频谱值、所述第一插值点频谱值和所述第二插值点频谱值中的最大值获得最大频谱值，获得所述最大频谱值对应的第二索引；
基于所述第二索引获得所述采样信号频谱最大值对应的第三索引；
在所述第三索引的前后进行插值，分别获得第三插值点频谱值和第四插值点频谱值；
基于所述第三插值点频谱值和所述第四插值点频谱值，计算所述采样信号的频谱偏移量估计值和衰减因子的初步估计值；
基于所述频谱偏移量和衰减因子的初步估计值，计算获得滤波器参数，基于所述滤波器参数获得滤波器；
构造所述采样信号的预测关系式，将所述预测关系式带入所述滤波器获得预测矩阵；
求解所述预测矩阵获得所述科氏流量计的固有频率。
4.根据权利要求3所述的科氏流量计数字驱动方法，其特征在于，所述采样信号为：
Figure 140225DEST_PATH_IMAGE001
式中：
Figure 791786DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 305944DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 294628DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 843421DEST_PATH_IMAGE005
分别表示所述采样信号初幅值、频率、初相位和衰减因子；
Figure 400305DEST_PATH_IMAGE006
表示采样时刻点，
Figure 401759DEST_PATH_IMAGE007
表示信号长度；
Figure 944867DEST_PATH_IMAGE008
是均值为0，方差为
Figure 348166DEST_PATH_IMAGE009
的加性高斯白噪声。
5.根据权利要求3所述的科氏流量计数字驱动方法，其特征在于，所述截短信号的长度为所述采样信号长度的一半。
6.根据权利要求5所述的科氏流量计数字驱动方法，其特征在于，所述方法具体为：对采样信号进行截短，得到长度为采样信号长度一半的截短信号
Figure 75951DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 689335DEST_PATH_IMAGE011
，对所述截短信号进行快速傅里叶变换，提取所述截短信号频谱最大值的索引，获得第一索引。
7.根据权利要求6所述的科氏流量计数字驱动方法，其特征在于，所述截短信号频谱
Figure 895188DEST_PATH_IMAGE012
的计算方式为：
Figure 152994DEST_PATH_IMAGE013
Figure 192625DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 168672DEST_PATH_IMAGE010
表示截短信号，
Figure 178216DEST_PATH_IMAGE012
表示截短信号频谱，
Figure 415162DEST_PATH_IMAGE015
表示截短信号频谱索引，
Figure 484749DEST_PATH_IMAGE016
为自然底数，
Figure 948092DEST_PATH_IMAGE017
为虚数单位，
Figure 761327DEST_PATH_IMAGE018
为第一索引，
Figure 600583DEST_PATH_IMAGE019
表示取复数序列
Figure 106650DEST_PATH_IMAGE020
的模值，
Figure 791709DEST_PATH_IMAGE021
表示提取序列
Figure 533269DEST_PATH_IMAGE019
中最大值的索引。
8.根据权利要求3所述的科氏流量计数字驱动方法，其特征在于，所述第一索引与其前后两个插值点的间隔均为0.5，所述第三索引与其前后两个插值点的间隔均为0.5。
9.根据权利要求7所述的科氏流量计数字驱动方法，其特征在于，所述第一插值点频谱值为
Figure 620174DEST_PATH_IMAGE022
，所述第二插值点频谱值为
Figure 31564DEST_PATH_IMAGE023
，所述第二索引为
Figure 79285DEST_PATH_IMAGE024
，所述第三索引为
Figure 234323DEST_PATH_IMAGE025
，其中：
Figure 441314DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure 148239DEST_PATH_IMAGE027
；
Figure 807890DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 766619DEST_PATH_IMAGE029
。
10.根据权利要求9所述的科氏流量计数字驱动方法，其特征在于，所述第三插值点频谱值为
Figure 562536DEST_PATH_IMAGE030
，所述第四插值点频谱值为
Figure 456674DEST_PATH_IMAGE031
，所述采样信号的频谱偏移量估计值为
Figure 338043DEST_PATH_IMAGE032
，所述采样信号的衰减因子初步估计值为
Figure 100462DEST_PATH_IMAGE033
，其中：
Figure 141099DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 65193DEST_PATH_IMAGE035
；
Figure 433858DEST_PATH_IMAGE036
；
其中，
Figure 609755DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 645844DEST_PATH_IMAGE038
分别表示取复数
Figure 740839DEST_PATH_IMAGE039
的实部和虚部。
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