DE10304170B4 - Method and device for determining the transfer function of discrete or continuous systems with determined signals - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Ermittlung einer unbekannten, diskreten oder kontinuierlichen, Übertragungsfunktion eines technischen oder biologischen Systems bei möglichst geringer Systembelastung, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erregung ein breitbandiges, determiniertes Testsignal verwendet wird, welches der Impulsantwort eines ersten, diskreten Hilbert-Transformators entspricht.method to determine an unknown, discrete or continuous, transfer function a technical or biological system if possible low system load, characterized in that for excitement a broadband, determinate test signal is used, which the impulse response of a first, discrete Hilbert transformer equivalent.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, mit dem die unbekannte Übertragungsfunktion H(p) beziehungsweise der Frequenzgang H(f) mit p = σ + j2πf eines technischen oder biologischen Systems ohne unzulässig hohe Systembelastung, wie sie bei Impuls- oder Sprungerregung auftritt, messtechnisch bestimmt werden kann. Dabei können auch unbekannte Systeme bei regelungstechnischen Anwendungen im geschlossenen Regelkreis bestimmt werden.The The invention relates to a method and a device for carrying out the Method by which the unknown transfer function H (p) or the frequency response H (f) with p = σ + j2πf of a technical or biological system without unduly high system load, as it occurs with impulse or jump excitation, metrologically can be determined. It can also unknown systems in control applications in the closed loop can be determined.
In
In der ersten Spalte sind die bekannten Testsignale x(t), in der zweiten Spalte die zugehörigen Signal-Spektren (Beträge der Fouriertransformierten der Signale) und in der dritten Spalte die Systemantworten dargestellt.In the first column are the known test signals x (t), in the second Column the associated Signal spectra (amounts the Fourier transform of the signals) and in the third column the system responses are shown.
Die Zeilen (1) und (2) zeigen auf, dass sich aus der Impuls- oder der Sprungantwort durch Fouriertransformation die vollständige Ortskurve (der Frequenzgang) bestimmen lässt. Dabei stellen Impuls- oder Sprungerregung eine hohe Systembelastung dar, welche von empfindlichen Systemen, beispielsweise biologische Anordnungen, nicht ohne weiteres verkraftet werden können. Andererseits benötigt man bei unbekannter (hoher) Eckfrequenz des zu analysierenden Systems sehr breitbandige Erregungen; hier ist der Impuls besser geeignet als der Sprung.The Lines (1) and (2) indicate that the pulse or the Step response by Fourier transform the complete locus (the frequency response) lets determine. In this case, impulse or step excitation place a high load on the system Which of sensitive systems, such as biological Arrangements, can not be easily coped with. on the other hand needed one at unknown (high) corner frequency of the system to be analyzed very broadband excitations; Here the impulse is better suited as the jump.
In der Zeile (3) ist die klassische Messtechnik, d.h. Erregung mit einem sinusförmigen Signal dargestellt. Für eine feste Frequenz f0 wird nach dem Einschwingvorgang wieder ein sinusförmiges Signal mit gleicher Frequenz, anderer Amplitude und anderer Phase erhalten. Die jeweiligen Amplituden und Phasen repräsentieren dann Punkte der Ortskurve bzw. des Frequenzganges des zu analysierenden Systems. Dieses Verfahren ist bei Systemen, welche breitbandig zu messen sind, sehr zeitaufwendig.Line (3) shows the classical measuring technique, ie excitation with a sinusoidal signal. For a fixed frequency f 0 , a sinusoidal signal having the same frequency, different amplitude and different phase is again obtained after the transient process. The respective amplitudes and phases then represent points of the locus or the frequency response of the system to be analyzed. This method is very time consuming in systems that need to be measured over a broadband range.
In der Zeile (4) ist ein modernes Analyseverfahren dargestellt, bei dem die Erregung mit einem breitbandigen Zufallssignal erfolgt. Näheres dazu ist durch die Vorträge und die Veröffentlichungen von Prof. Dr. Klaus Lehmann und Jochen Lehnert anlässlich der XVI.In the line (4) is a modern analysis method shown in the excitation is done with a broadband random signal. For details, this is through the lectures and the publications by Prof. dr. Klaus Lehmann and Jochen Lehnert on the occasion of XVI.
Internationalen Konferenz „Science in Practice" in Budapest im April 2000 und durch den Beitrag von Prof. Jürgen Weith anlässlich der XVII. Internationalen Konferenz „Science in Practice" in Schweinfurt im Mai 2001 beschrieben.international Conference "Science in practice "in Budapest in April 2000 and by the contribution of Prof. Jürgen Weith on the occasion of the XVII. International conference "Science in Practice" in Schweinfurt im May 2001.
Die internationale Patentanmeldung WO 00/13032 A1 beschreibt die Analyse der Übertragungsfunktion eines unbekannten Systems mittels verschiedener Verfahrensmöglichkeiten bei möglichst geringer Systembelastung. Allerdings erfordern die beschriebenen Verfahren aufgrund der verwendeten Testsignale einen hohen messtechnischen Aufwand, um die Testsignale zu erzeugen bzw. zu analysieren.The International patent application WO 00/13032 A1 describes the analysis the transfer function an unknown system by means of various process options if possible low system load. However, the described require Method due to the test signals used a high metrological Effort to generate or analyze the test signals.
Trotz der vielfältigen Auswahlmöglichkeiten an Signalen und der stetigen Verbesserungen liegt der Erfindung noch immer das Problem zugrunde, ein einfach zu realisierendes Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Übertragungsfunktion eines Systems ohne unzulässig hohe Systembelastungen messtechnisch bestimmt werden kann.In spite of the diverse options to signals and the continuous improvements is the invention still the problem behind, an easy to implement process show, with the transfer function of a system without impermissible high system loads can be determined metrologically.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren aufzuzeigen, bei dem spezielle breitbandige deterministische, d.h. vorgegebene Testsignale verwendet werden, die bei gleicher Qualität des Ergebnisses eine deutlich geringere Systembelastung gegenüber einer Impuls- oder Sprungerregung aufweisen, als dies bei den Verfahren im Stand der Technik der Fall ist und deren Erzeugung und Analyse mit deutlich geringerem Aufwand verbunden ist.It is therefore an object of the present invention, a device and to identify a method whereby special broadband deterministic, i.e. predetermined test signals are used, with the same quality of the result a significantly lower system load compared to a pulse or jump excitation than in the prior art methods is and their generation and analysis with significantly less effort connected is.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst.These The object is achieved by a method according to claim 1 or by a Device according to claim 10 solved.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass zur Erregung des Systems ein breitbandiges, determiniertes Testsignal verwendet wird, welches der Impulsantwort eines ersten diskreten Hilbert-Transformators entspricht.The inventive method and the device is characterized in that the Er a broadband, determinate test signal is used, which corresponds to the impulse response of a first discrete Hilbert transformer.
Die Basis der erfindungsgemäß bevorzugten, vorteilhaften Signalerzeugung zur messtechnischen Bestimmung des Frequenzganges H(f) eines unbekannten Systems bildet die sogenannte Hilbert-Transformation eines eindimensionalen Zeitsignales ν(t). Wird das Signal-Spektrum (also die Fouriertransformierte des Signals) des Ursprungssignals mit mit dem Hilbert-Transformationskern im Frequenzbereich –jsgn(f), multipliziert, so erhält man nach Rücktransformation in den Zeitbereich das Signal ν ^(t) die Hilberttransformierte von ν(t). Das Ursprungssignal ν(t) und das hilberttransformierte Signal ν ^(t) sind orthogonal zueinander. Wird jetzt das Signal ν ^(t) erneut einer Hilbert-Transformation unterworfen, so wird das inverse Ursprungssignal abzüglich des Gleichanteiles erhalten.The basis of the inventively preferred, advantageous signal generation for metrological determination of the frequency response H (f) of an unknown system forms the so-called Hilbert transformation of a one-dimensional time signal ν (t). Is the signal spectrum (ie the Fourier transform of the signal) of the original signal with multiplied by the Hilbert transform kernel in the frequency domain -jsgn (f), we obtain the signal ν ^ (t) after Hilbert transformation into the time domain, the Hilbert transform of ν (t). The original signal ν (t) and the hilbert transformed signal ν ^ (t) are orthogonal to each other. If the signal ν ^ (t) is again subjected to a Hilbert transformation, the inverse original signal minus the DC component is obtained.
Die
Die Fourier-Rücktransformierte des Hilbert-Transformationskernes –jsgn(f) ist bekannterweiseEs ist die Impulsantwort eines Systemes, welches die kontinuierliche Hilbert-Transformation ausführt. Diese Tatsache ist seit etwa 150 Jahren bekannt, nur lässt sich ein analoges (kontinuierliches) System mit der geforderten Impulsantwort nicht realisieren. Durch die steigende Verbreitung der digitalen Signalverarbeitung in den letzten 15 Jahren wurde offenbar, dass eine diskrete Realisierung eines Systemes zur Hilbert-Transformation mit sogenannten FIR-Filtern (Finite-Impulse-Response) mit fast beliebiger Genauigkeit möglich ist.The Fourier inverse transform of the Hilbert transform kernel -jsgn (f) is known It is the impulse response of a system that performs the continuous Hilbert transform. This fact has been known for about 150 years, only an analogue (continuous) system with the required impulse response can not be realized. Due to the increasing popularity of digital signal processing in the last 15 years, it has become clear that a discrete realization of a system for Hilbert transformation with so-called finite impulse response (FIR) filters is possible with almost any accuracy.
Mit der ganzzahligen Laufvariablen k ergibt sich die Impulsantwort eines diskreten Hilbert- Transformators zu With the integer variable k, the impulse response of a discrete Hilbert transformer results
Damit wird die unendliche Verstärkung bei kT = 0, die bei analoger Realisierung erforderlich ist, vermieden. T ist dabei der äquidistante Abtasttakt des diskreten Systems HH(z). Eine Verschiebung und Fensterung der diskreten Impulsantwort führt zu einem realisierbaren diskreten System.Thus, the infinite gain at kT = 0, which is required for analog implementation, avoided. T is the equidistant sampling clock of the discrete system H H (z). A shift and windowing of the discrete impulse response leads to a realizable discrete system.
Zunächst wird
der bevorzugte erfindungsgemäße Gedanke
zur Ermittlung der unbekannten Übertragungsfunktion
H(z) eines diskreten Systems erklärt. In
Eine
erneute Hilbert-Transformation des Antwort-Signals y(k) mit dem
gleichen System HH(z), wie es zur Signalgenerierung
von x(k) verwendet wird, liefert die vom Gleichanteil
Im diskreten Frequenzbereich für z = ejΩ mit Ω = ω·T als normierte Kreisfrequenz wird die Basis des Erfindungsgedankens offenbar: Jedes Teilsystem HH(ejΩ), welches eine Hilbert-Transformation ausführt, hat den Frequenzgang HH(ejΩ) = –jsgn(Ω).In the discrete frequency range for z = e jΩ with Ω = ω · T as the normalized angular frequency, the basis of the inventive idea becomes obvious: Each subsystem H H (e jΩ ) which performs a Hilbert transformation has the frequency response H H (e jΩ ) = -jsgn (Ω).
Mit wird
am Ausgang der Systemkaskade in
Dieser Zusammenhang besteht, weil man bei vorausgesetzten Linear-Time-Invariant-(LTI)-Systemen die Reihenfolge in der Kaskadenordnung vertauschen kann. Somit ist die diskrete Fourier-Transformation DFT{–h0(k)} = –H(ejΩ), und damit ist die Impulsantwort h0(k) bis auf den Gleichanteil bestimmbar.This relationship exists because assuming linear-time-invariant (LTI) systems, the order in the cascade order can be reversed. Thus, the discrete Fourier transform DFT {-h 0 (k)} = -H (e jΩ ), and thus the impulse response h is 0 (k) except for the DC component determinable.
In
Hier
ist gut erkennbar, dass statt eines einzelnen hohen Impulses bei
k = 0 das unbekannte System mit einer größeren endlichen Anzahl von
Impulsen, die in den Werten mit 1 / k abfallen, erregt wird, wobei das
Frequenzspektrum, siehe
Ein
weiterer Vorteil des besonders bevorzugten Verfahrens der Erregung
des unbekannten Systemes H(z) mit breitbandigen endlich langen determinierten
Signalen besteht darin, dass man das in
Für diese
Fälle zeigt
Der Vorteil von differenzierten oder integrierten Testsignalen besteht darin, dass differenzierte Testsignale eine Anhebung des Erregungsspektrums für höhere Frequenzen bewirken, integrierte Testsignale hingegen eine Absenkung des Erregungsspektrums für höhere Frequenzen zur Folge haben.Of the Advantage of differentiated or integrated test signals in that differentiated test signals increase the excitation spectrum for higher frequencies In contrast, integrated test signals reduce the excitation spectrum for higher frequencies have as a consequence.
Schließlich wird
im Zusammenhang mit
Die endlich lange Testfunktion x(k) braucht nicht explizit durch ein erstes Hilbert-Transformationssystem erzeugt zu werden, vielmehr kann man die bekannten und berechenbaren Werte in einem Festwertspeicher ablegen und diese durch eine Mikrocontrollersteuerung nacheinander abrufen. Auch die differenzierten oder integrierten Testsignale können – einmal berechnet – in einem Festwertspeicher abgelegt werden.The finally long test function x (k) does not need explicitly by a first Hilbert transformation system to be produced, but you can the known and predictable Store values in a read-only memory and this by a microcontroller call one after the other. Even the differentiated or integrated Test signals can - once calculated - in stored in a read-only memory.
Über einen
Taktgenerator wird der Controller veranlasst, die im Festwertspeicher
(z.B. ROM, EPROM, etc) abgelegten Werte einmalig oder periodisch
mit wählbaren
Pausen nacheinander auf einen Digital-Analog-Converter (DAC) auszugeben.
Der nachgeschaltete Sample & Hold-Kreis
(S&H) erzeugt
das wertdiskrete, zeitkontinuierliche Testsignal, welches als Erregung
des unbekannten Systems H(p) dient (siehe
Der Ausgang dieses Systems wird über einen Analog-Digital-Converter (ADC) in die diskrete Form gebracht, der digitalen Hilbert-Transformation unterworfen und entweder direkt, integriert oder differenziert als –h0(k) weiter ausgewertet. Eine eventuell nachfolgende diskrete Fourier-Transformation liefert direkt den Frequenzgang des unbekannten Systems H(p).The output of this system is brought into the discrete form via an analog-to-digital converter (ADC), subjected to the digital Hilbert transformation and further evaluated either directly, integrated or differentiated as -h 0 (k). Any subsequent discrete Fourier transform directly provides the frequency response of the unknown system H (p).
Die
Integration oder Differentiation auf der Auswerteseite in
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