JP2005326416A

JP2005326416A - 周波数調整システム、装置及び方法

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Publication number: JP2005326416A
Application number: JP2005140767A
Authority: JP
Inventors: Alexei Petchenev; アレクセイ・ペチェネフ; Olga Malakhova; オルガ・マラコバ
Original assignee: Bently Nevada Inc
Current assignee: Bently Nevada Inc
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2005-11-24
Also published as: AU2005201856B2; EP1596207A2; AU2005201856A1; EP1596207A3; US20050256656A1; CN1744435B; CN1744435A; US7065474B2

Abstract

【課題】本発明は、機械等の資産を監視等し、雑音に隠れている信号の周波数を抽出するため雑音信号を調整するファンデルポール発振器を用いた周波数調整システムに関する。
【解決手段】複合信号（２２）は、関心周波数（２６）で関心信号（２４）が雑音信号（２８）に隠れているような雑音信号（２８）に対応する最大のスペクトルピークの全てを有する第１スペクトルを含む。複合信号（２２）を調整信号（４２）に調整して、雑音信号（４４）を抑制し、調整信号（２２）がより小さな他の全てのスペクトルピークを有する関心信号（２４）に対応する最大のスペクトルピークを有する第２スペクトルから構成されるように、パラメータを備えたファンデルポール発振器（４０）を用いて取得された信号（２２）を処理する。資産情報を提供する際に使用するための抽出モジュール（６０）を用いて調整信号（４２）から関心周波数（２６）を抽出して資産信号を処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、周波数調整システムに関し、特に、機械、プロセス、及び手段の様々なグループを含む資産を監視し、保護し、及び／又は管理するため、雑音に隠れ或いは埋もれている信号の周波数を抽出又は回復するため雑音信号を調整するＶａｎｄｅｒＰｏｌ（ファンデルポール）発振器を用いた周波数調整システム、装置及び方法に関する。

信号処理においては、関心信号及びその周波数は通常、主要なフーリエ変換成分として求められる。多くの場合、特定の関心周波数が全周波数範囲内の主なフーリエ成分とは成り得ず、更に、一定の周波数帯域内に最大振幅を有する可能性があることが知られている。従って、関心周波数は、通常は、該関心周波数が唯一の或いは少なくともスペクトルの主要な周波数であるように、関心周波数を囲む一定の周波数帯域に信号をフィルタリングすることによって得られる。このような場合、対応するスペクトルピークとその周波数は容易に検出される。従って多くの場合、十分に小さな周波数帯域を最初に選択して、関心周波数が選択された帯域内の主要成分に関連するようにすることができる。

この方法は、信号からフィルタリングされ且つ関心周波数を囲む周波数帯の雑音が全く無いか、或いはほとんど無い場合に良好に働く。

しかしながら、この方法は、関心信号に最も近接していても、雑音が信号自体の雑音よりも高いほど信号の雑音が多い場合に問題となる。言い換えると、関心信号に最も近いスペクトル帯が選択された場合でも、関心信号が雑音に完全に「埋もれ」、スペクトルのピークの全てが関心信号のピークではなく雑音のピークを表すようになる。従って、このような場合、関心信号は雑音に比べると小さすぎ、すなわち、主要成分を選択することは関心周波数をもたらすことにはならず、むしろランダムな結果を生じる。

従って、関心信号に最も近接している場合でも雑音が関心信号自体の雑音より高いような雑音の多い信号から関心信号を取得する必要性がある。言い換えると、関心信号のピークではなく雑音のピークを表すスペクトルピークからなる雑音の多い信号から、雑音に完全に「埋もれている」関心信号を取得する必要性がある。更に、機械、プロセス、及び手段の様々なグループを含む資産を監視し、保護し、及び／又は管理するため、ランダムな結果を得るのではなく、雑音に「埋もれている」関心信号を得るという問題を解決する必要性がある。

本発明は、多くの点で既知の従来技術とは区別される。１つの点では、本発明の１つの実施形態は、関心信号に最も近接していても、雑音が関心信号自体の雑音よりも高いほど雑音の多い信号から関心信号を得るためのシステムを提供する。従って、本発明の１つの実施形態は、関心信号のピークではなく、雑音のピークを表すスペクトルピークからなる雑音の多い信号から雑音に完全に「埋もれている」関心信号を得るためのシステムを提供する。従って、１つの態様では、本発明の１つの実施形態は、機械、プロセス、及び手段の様々なグループを含む資産を監視し、保護し、及び／又は管理するためのランダムな結果を得るのではなく、雑音に「埋もれている」関心信号を得るという問題を解決するシステムを提供する。

本発明の１つの実施形態において、資産信号を処理するための周波数調整システムは、（１）雑音信号と、対応する関心周波数を有する関心信号とからなる資産からの複合信号を発生する手段であって、複合信号は、関心周波数での関心信号が雑音信号に隠れるような雑音に対応する最大のスペクトルピークの全てを有する第１スペクトルを含む手段と、（２）複合信号を受け取りこれを調整信号に調整することにより、雑音信号が抑制され、調整信号がより小さな他の全てのスペクトルピークを有する関心信号に対応する最大のスペクトルピークを有する第２スペクトルから構成されるようにする選択可能なパラメータを含む、信号発生器に動作可能に結合されたファンデルポール発振器と、（３）ファンデルポール発振器に動作可能に結合され、調整信号から関心周波数を抽出するための抽出手段と、（４）抽出された関心周波数に応じて意思決定を行い、資産を監視し、保護し、及び／又は管理する際に使用する意思決定に基づいて勧告を行うように、抽出手段に動作可能に結合された意思決定支援手段とから構成される。

本発明の別の実施形態において、資産信号を処理するための周波数調整システムは、（１）対応する関心周波数を有する関心信号から構成され、関心周波数での関心信号の振幅よりも大きな振幅を有する雑音信号を更に含み、該関心信号が雑音信号に隠れている資産からの信号を発生する手段と、（２）雑音信号が関心周波数での関心信号の振幅よりも小さな振幅を有するように信号を調整するための信号発生手段に動作可能に結合されたファンデルポール発振器手段と、（３）調整信号から関心周波数を抽出する手段と、（４）抽出された関心周波数に応じて意思決定を行い、機械、プロセス、及び／又は手段資産のような資産を監視し、保護し、及び／又は管理する際に使用する意思決定に基づいて資産勧告を行うように、抽出手段に動作可能に結合された意思決定支援手段とから構成される。

本発明の別の実施形態において、資産信号を処理するための周波数調整方法は、入力及び出力を有するファンデルポール発振器をコンピュータモデリングする段階と、ファンデルポール発振器モデルの固有周波数が関心信号の関心周波数に近接するようにファンデルポール発振器モデルのパラメータを選択する段階と、複合信号が、雑音信号と、対応する関心周波数を有する関心信号とから構成され、且つ関心周波数での関心信号が雑音信号に隠れているような雑音信号に対応する最大のスペクトルピークの全てを有する第１スペクトルを複合信号が含むように、ファンデルポール発振器の入力に複合信号を印加する段階と、雑音信号が抑制され、且つ調整出力信号がより小さな他の全てのスペクトルピークを有する関心信号に対応する最大のスペクトルピークを有する第２スペクトルから構成されるよう調整出力信号を供給するためのファンデルポール発振器モデルで複合信号を調整する段階と、調整出力信号をそのスペクトルに変換する段階と、変換された調整出力信号の最大のスペクトルピークの周波数を求めることによって関心周波数を求める段階と、抽出された関心周波数に応じて意思決定する段階と、該意思決定段階に基づいて勧告を行う段階とから構成される。

更に、このように本発明を要約すると、請求項によって以下に示される本発明の範囲及び公正な目的から逸脱することなく、多くの修正及び改変を行い得ることは理解されるはずである。

図面を参照すると、同じ参照符号が種々の図面全体を通して同じ部分を示しており、参照符号１０は、機械、プロセス、及び手段の様々なグループを含む資産の監視、保護、及び／又は管理における、各資産の雑音の多い信号を処理するための周波数調整システム、装置及び方法に関する。

本質的に、更に図１を参照すると、本発明の実施形態は、信号発生器２０に接続部４１を介して動作可能に結合された物理／アナログモデル又は数値シミュレーション・コンピュータモデルとすることができるファンデルポール発振器４０から構成される周波数調整システム１０を提供し、該信号発生器２０は、ファンデルポール発振器４０上で強制関数として働き、関心周波数２６で関心信号２４の振幅よりも大きな振幅を有する雑音信号２８に隠れ又は埋もれている、対応する関心周波数２６を有する関心信号２４からなる複合信号２２を出力する。ファンデルポール発振器４０は、信号発生器２０から複合信号２２を受け取り、該受け取った複合信号２２を調整出力信号４２に調整して、ファンデルポール発振器４０が経時的に関心周波数２６で関心信号２４に同期するようにすると共に、雑音信号２８を抑制して、調整信号４２が関心周波数２６で関心信号２４の振幅よりも小さな振幅を有する雑音信号４４から構成されるようにする。

システム１０は更に、調整出力信号４２を受け取り、次に複合信号２２のスペクトルとは異なり、且つより小さな他の全てのスペクトルピークを有する関心信号２４に対応する特有の又は最大のスペクトルピークからなるスペクトルに調整出力信号４２を変換する、フーリエ変換モジュール６４などの変換モジュール６２を用いて調整出力信号４２から関心周波数２６を抽出し、次いで、変換された調整信号４２の最大スペクトルピークの周波数を求めることによって、関心周波数２６を求めて、例えば、抽出された関心周波数２６に応じて資産１６を監視し、保護し、及び／又は管理する際に使用するようにする、ファンデルポール発振器４０に接続部６１を介して動作可能に結合された抽出モジュール６０から更に構成することができる。

システム１０はまた、接続部２１を介して信号発生器２０に動作可能に結合された資産１６を監視し、保護し、及び／又は管理するための抽出された関心周波数２６に応じて意思決定をするため、抽出モジュール６０に接続部８１を介して動作可能に結合された意思決定支援モジュール８０から更に構成することができる。

例えば図１及び図２を参照すると、本発明の実施形態において、信号発生器２０は、システム１０によって抽出された関心周波数２６に変換される資産状態又は情報に相関のある複合信号２２を発生するため、資産１６に接続部１９を介して動作可能に結合されたトランスデューサ１８の形態（図２）とすることができ、該抽出された関心周波数２６は、例えば、機械、プロセス、及び／又は手段の資産を監視し、保護し、及び／又は管理する際に使用するための意思決定及び／又は勧告用の意思決定支援モジュール又は手段８０によって処理される。

従って、本発明の実施形態において、システム１０は、雑音信号２８に埋もれ又は隠れている関心信号２４から構成される複合信号２２を調整し、結果として生じた波形、すなわち調整された出力信号４２が、埋もれていた関心信号２４の関心周波数２６を見出す良い機会を与えるようにする。

特に、関心信号２４に対応する、入力複合信号２２に特異なスペクトルピークが存在しない場合もある。その代わりに、雑音信号２８にのみ関係する多くのスペクトルピークが存在する場合がある。これは雑音が多すぎる場合に生じ、結果として、雑音信号２８に埋もれ又は隠れる関心信号２４が生じることになる。このような場合、関心信号２４の関心周波数２６の検出は、従来から問題が多く解決されていない。

周波数調整システム１０は、加えられた複合信号２２を調整信号４２に調整し、次いで、複合信号２２のスペクトルとは異なり、且つより小さな他の全てのスペクトルピークを有する関心信号２４に対応する特有の又は最大のスペクトルピークからなるスペクトルに調整信号４２を変換するように選択されたパラメータでファンデルポール発振器４０を使用することによって、この問題を認識し解決する。次に、システム１０は、変換された調整信号４２の最大のスペクトルピークの周波数を求めることによって関心周波数２６を求め、次いで、システムは、求められた関心周波数２６を使用して、複合信号２２が発生した資産１６を監視し、保護し、及び／又は管理する。

更に具体的に図２を参照すると、本発明の１つの実施形態は、自己周波数又は固有周波数が、知識データベースから経験的に求められ又は得ることのできる関心周波数に近接するようにファンデルポール発振器パラメータ又は係数を適切に選択することによって、無視することができる自己周波数又は固有周波数を含み、より小さな雑音を含み、及び関心卓越周波数を含む調整出力信号又は波形を取得するように、ユーザ選択可能なパラメータ又は係数４８を有する数値シミュレートファンデルポール発振器モデル４６からなるファンデルポール発振器４０を含むプロセッサ又はコンピュータ５０から構成された周波数調整システム１０を提供する。

プロセッサ５０は、接続部５１を介してサンプリング／デジタル化手段３０に動作可能に結合され、該サンプリング／デジタル化手段３０は、接続部３１を介して少なくとも１つのトランスデューサ１８に動作可能に結合される。トランスデューサ１８は、接続部１９を介して資産１６に動作可能に結合され、ここで資産１６は、例えば、回転又は往復動機械のような機械の形態、工業プロセスのようなプロセスの形態、或いは、物理的な資産パラメータを測定して、資産を監視し、複合信号２２をサンプリング／デジタル化手段３０に出力するための他の手段の形態である。

出力された複合信号２２は、サンプリング／デジタル化手段３０によって受け取られ、雑音信号の大きさ或いは振幅が関心周波数２６での関心信号２４の大きさ或いは振幅より大きいように、又は言い換えると、関心信号２４の大きさ或いは振幅が関心周波数２６での雑音信号２８の大きさ又は振幅より小さく、これにより雑音信号２８に隠れるか或いは埋もれるように、雑音信号２８に隠れるか或いは埋もれた対応する関心周波数２６を有する関心信号２４から構成される。

サンプリング／デジタル化手段３０、例えばアナログデジタルコンバータは、複合信号２２を受け取り、サンプリングして、デジタル化複合信号３２にデジタル化する。トランスデューサ１８からの複合信号２２がサンプリング／デジタル化手段３０によってデジタル化複合信号３２にデジタル化されると、これはプロセッサ５０に出力される。

プロセッサ又はプロセッシング手段５０は、デジタル化複合信号３２を受け取り、ファンデルポール発振器モデル４６の固有周波数が関心周波数２６に近接するように選択されたユーザ選択可能なパラメータ４８を有する当該ファンデルポール発振器モデル４６の関数としてデジタル化複合信号３２を処理する。ファンデルポール発振器４０と組み合わされたプロセッサ５０は、ファンデルポール発振器４０への強制関数入力としてデジタル化複合信号を使用して、デジタル化複合信号３２をファンデルポール発振器によって出力される調整信号４２に調整することによってデジタル化複合信号を処理し、この場合、ファンデルポール発振器４０は、経時的に関心周波数で関心信号に同期すると共に、関心周波数で関心信号の振幅よりも小さな振幅を有するように雑音信号を抑制する。理論的には、雑音信号は、時間と共に反対方向にファンデルポール発振器の周波数をプッシュして、ファンデルポール発振器によって除去され、他方、関心信号は、ファンデルポール発振器４０によって同期されるほぼ一定の周波数を有する。

図２を更に参照すると、本発明の１つの実施形態において、プロセッサ５０は、１つの実施形態では調整信号４２にフーリエ変換を行うフーリエ変換モジュール又は手段６４である変換モジュール又は手段６２を用いて、調整信号の変換を行うことによって調整デジタル信号４２から関心周波数２６を抽出するための抽出手段６０を組み込み、プロセッサ５０によって処理された結果、フーリエ変換の主要成分を求めて、資産状態を決定する場合に使用するため、雑音信号にこれまで隠れていた関心周波数を回復するようにする。具体的には、フーリエ変換モジュール６４は、複合信号２２のスペクトルとは異なり、且つより小さな他の全てのスペクトルピークを有する関心信号２４に対応する特有の又は最大のスペクトルピークから構成されるスペクトルに調整信号４２を変換し、次いで、プロセッサ５０は、変換された調整信号４２の最大のスペクトルピークの周波数を求めることによって関心周波数２６を求め、これを例えば、抽出された関心周波数２６に応じて機械、プロセス、及び／又は手段の資産を監視し、保護し、及び／又は管理する際に使用する。

次に図３を参照すると、本発明の１つの実施形態において、プロセッサ５０はまた、抽出手段６０に動作可能に結合された意思決定支援モジュール８０を組み込むことが可能であり、該モジュール８０を用いて、関心周波数２６を求めることができ、更に、資産を監視し、保護し、及び／又は管理するために抽出された関心周波数２６に応じて意思決定をすることができる。

本発明の１つの実施形態において、意思決定支援モジュール８０は、資産の監視、保護、及び／又は管理のための規則から各々が構成されるソフトウェア規則パッケージである規則パック８２から構成することができる。本発明の１つの実施形態において、規則パック８２に含まれる１つの規則パッケージは、ファンデルポール発振器４０と、関心周波数２６を求めてこれに応じて資産を監視し、保護し、及び／又は管理する抽出モジュール６０とから構成される周波数規則パック又はパッケージ８４である。

例えば、使用及び動作の１つの態様では、規則パック８２は、周波数規則パック８４からなるインダクションモータ用の規則パッケージとすることができ、該パック８４はファンデルポール発振器４０と抽出モジュール６０とから構成され、例えば、インダクションモータの電気モータ電流を表す電気電流波形の形態で複合信号２２を処理して、モータシャフト周波数の形態で電気モータ電流波形の関心周波数２６を求め、他の規則パック８６での他の周波数と共に使用して、出力デバイス９０及び／又は１つ又はそれ以上の遠隔コンピュータ１００に伝達することのできるインダクションモータ用モータ意思決定８８を行い、とりわけ、オペレータ及び他の要員に機械に関する問題などの各問題を含む資産情報を自動的に通知し、及び／又は決定された異常又は問題点に基づいて警報を発生し、更にこうした警報を利用して機械などの資産を自動的に停止するようにする。

システム１０は更に、トランスデューサ或いはプロセッサ５０の一部として動作可能に結合されるフィルタリング手段５２から構成することができ、ファンデルポール発振器４０による信号の調整の前に、アナログ又はデジタル信号を受け取り特定の周波数帯にフィルタリングする。加えて、プロセッサ５０は、警報、リレー出力、或いはデジタルアナログコンバータ９２を介した電流出力などの物理的な出力デバイス９０に接続部９１を介して動作可能に結合される。更にプロセッサ５０は、１つ又はそれ以上の遠隔コンピュータ１００に接続部１０１を介して動作可能に結合することができ、両者間でデータを転送する。

従って、本発明の１つの実施形態において、システム１０は、資産を監視するための本発明の１つの態様に従って雑音の多いトランスデューサ信号を処理することができ、次いで、出力デバイス９０及び／又は１つ又はそれ以上の遠隔コンピュータ１００に伝達することができ、とりわけ、オペレータ及び他の要員に資産情報、問題点、及び勧告を自動的に通知し、決定された異常又は問題点に基づいて警報を発生し、更にこうした警報を利用して機械などの資産を自動的に停止するようにする。

図１から図３を参照し、上記の説明を考慮して、本発明の実施形態は周波数調整方法を含み、該方法は、（１）選択されたパラメータを有するファンデルポール発振器４０を使用して、雑音に対応する特有の又は最大のスペクトルピークの全てを有する第１スペクトルからなる複合信号２２を、より小さな他の全てのスペクトルピークを有する関心信号２４に対応する特有の又は最大のスペクトルピークを有する第２の異なるスペクトルからなる調整信号４２に調整する段階と、（２）調整信号４２をそのスペクトルに変換する段階と、（３）変換された調整信号４２の最大のスペクトルピークの周波数を求めることによって関心周波数２６を求める段階と、（４）抽出された関心周波数２６に応じて意思決定及び／又は勧告を行う段階とを含む。

加えて、図１から図３を更に参照すると、本発明の実施形態は、周波数調整方法を含み、該方法は、（１）対応する関心周波数２６を有する関心信号２４から構成され、且つ該関心信号２４が雑音信号２８に隠れており、関心周波数２６で関心信号２４の振幅よりも大きい振幅の雑音信号２８から更に構成された複合信号２２を機械のような資産１６から生じさせ又は発生させる段階と、（２）複合信号２２をサンプリングしデジタル化してデジタル複合信号３２にする段階と、（３）ファンデルポール発振器モデルの固有周波数が関心周波数に近接するように選択されたパラメータを有するファンデルポール発振器をコンピュータモデリングする段階と、（４）ファンデルポール発振器モデルの関数としてデジタル化された信号を処理して、該デジタル化された信号を調整信号４２に調整する段階と、（５）調整デジタル信号から関心周波数を抽出する段階と、を含み、（６）該抽出段階が、調整デジタル信号に対してフーリエ変換を行い、当該フーリエ変換の主要成分を決定して求め、機械情報を決定して勧告するのに使用するためデジタル化雑音信号にこれまで隠れていた関心周波数を回復するようにする段階を含む。

次に、システム１０（装置及び方法）を更に説明するために実施例が図示されるが、該実施例は、本明細書で示され且つ請求項によって記載される本発明の範囲を制限するものではない。

以下の実施例は、実際の実験結果を含み、（１）システム１０の概要、及び（２）デジタル化信号による動作を使用した特定のケースの概要に対する詳細を提供する。

最初に、上記に示されたように、周波数調整システム１０は、従来の方法を使用して雑音の下で信号を回復する際に問題となるような入力高調波信号が著しい雑音に深く埋もれている場合に極めて有益である。これらのケースでは、本発明の１つの実施形態において、入力高調波信号及びその周波数の回復は、ファンデルポール発振器４０の固有周波数が関心周波数２６に近接するように選択されたユーザ選択可能パラメータ４８を有するファンデルポール発振器４０と、入力信号を発振器４０上に介入させる手段と、発振器４０内で循環する信号を抽出する手段とからなる周波数調整システム１０によってもたらされ、これは、ファンデルポール発振器４０の固有周波数が関心周波数２６に近接するようにファンデルポール発振器のパラメータが選択されたときに関心周波数のより大きな成分を搬送する。

本発明の１つの実施形態において、システム１０のファンデルポール発振器４０は、以下の数学的説明を有する。すなわち、
Ｍ^＊ｄ（ｄｕ／ｄｔ）ｄｔ−Ｄ^＊（０．２５^＊Ａ^＊Ａ−ｕ^＊ｕ）^＊ｄｕ／ｄｔ＋Ｋ^＊ｕ＝０
上式で、ｕは変数、ｔは時間、Ｍは質量、Ｄは減衰、Ａは発振の振幅パラメータ、及びＫは剛性である。ファンデルポール発振器は、自励発振器として知られる。すなわち、これは、パラメータＡとＫ／Ｍの平方根によってそれに応じて制御された振幅と周波数を有するどのような外部入力もなく発振変数ｕをもたらす。

システム１０は、ファンデルポール発振器への強制関数入力として複合信号２２又は入力信号を用い、その結果として以下の数学的説明が得られる。
Ｍ^＊ｄ（ｄｕ／ｄｔ）ｄｔ−Ｄ^＊（０．２５^＊Ａ^＊Ａ−ｕ^＊ｕ）^＊ｄｕ／ｄｔ＋Ｋ^＊ｕ＝入力信号
上記に数学的に説明されたファンデルポール発振器の変数ｕは、ファンデルポール発振器４０の固有周波数が関心周波数２６に近接するようにファンデルポール発振器のパラメータが選択されたときに、関心周波数のより大きな成分を搬送する、発振器４０で循環する信号を抽出するための出力信号として使用される。強制関数の複合信号２２が、ファンデルポール発振器に加えられると、該信号は、適切に選択されたパラメータを備える強制関数の周波数を有する成分からなる信号に調整される。

システム１０を適切に働かせるために、ファンデルポール発振器パラメータ４６は、（１）パラメータＡが入力信号と同じ桁の大きさであり、（２）Ｋ／Ｍの平方根が、調整されることになる高調波信号の周波数にかなり近接するように制御されなければならない。

デジタル化信号による動作を用いた概要の１つの特定のケースは、ＭＡＴＬＡＢスーツ（バージョン６．５．０１８０９１３ａリリース１３）のＳＩＭＵＬＩＮＫ（ＭＡＴＬＡＢ用ダイナミックシステムシミュレーションバージョン５．０Ｒ１３）環境でモデル化されたファンデルポール発振器を使用して行なわれた。この１つの特定のケースでは、ファンデルポール発振器は、以下のパラメータ：Ｍ＝１、Ｄ＝１、Ａ＝１、Ｋ＝１を用いてモデル化される。ファンデルポール発振器の上記のパラメータは、非妨害発振器が１秒につき１ラジアンの周波数で発振を起こすように選択される。１に等しい振幅と０．９５ラジアン／秒の周波数を備えた入力高調波信号が選択される。白色雑音が、時間領域と周波数領域の両方で入力高調波信号を確実に隠すように選択される。これは、信号を回復するための従来のツールが機能しない条件下で、システム１０が有効であることを実証するために行なわれる。

図４は、システム１０がどのように機能するかを説明するため３つの実験で使用されるＭＡＴＬＡＢモデル化システム１１０用の正確なＳＩＭＵＬＩＮＫを表す機能ブロック図であり、図６から図１１に示されるグラフ表示を生成するのに使用されたモデルである。図５は、図４に示されたファンデルポール発振器モデルを更に詳細に示す。

最初に、図６から図１１で、縦軸には単位がなく、これらはＳＩＭＵＬＩＮＫ／ＭＡＴＬＡＢ内の無次元単位を表示している点に留意されたい。波形の時間ベースのプロット全てに対して、横軸は秒で計測された時間を表示している。波形の周波数ベースのプロット全て（これらもスペクトルと呼ばれる）に対しては、横軸はラジアン／秒で測定された周波数を表示している。

モデル化システム１１０は、図示のように以下の接続された要素、すなわち、ゼロ信号を発生する定数ブロック１１２と、大きさ１のランダム雑音信号を発生する帯域制限白色雑音ブロック１１４とを含み、スイッチ入力１１８、１２０をそれぞれ介して両方とも第１スイッチ１１６に動作可能に結合される。第１スイッチ１１６は、スイッチ出力１１７を介して雑音レベル増幅器１２２に動作可能に結合される。雑音レベル増幅器１２２は、雑音信号を２倍に増幅し、第１スイッチ１１６の位置に応じて、このブロックの出力は、ゼロ、又は増幅されたランダム雑音信号１２３のいずれかである。増幅されたランダム雑音信号１２３は、雑音信号２８の実施例である。モデル化システム１１０は更に、時間変数をもたらすデジタルクロックブロック１２６と、クロックブロック１２６に接続部１２７を介して接続された、時間変数を０．９５倍増幅し０．９５^＊時間変数を与える周波数増幅器１２８と、周波数増幅器１２８に接続部１２９を介して接続された、ｓｉｎ（０．９５^＊時間）変数をもたらす三角関数ブロック１３０とを含む。従ってこのブロックの出力は、大きさが１で０．９５ラジアン／秒に等しい関心周波数を備えた正弦波信号１３１であり、ここで、周波数調整システム１０、従ってモデル化システム１１０の目的は、０．９５ラジアン／秒のこの特定の周波数の検出を助けることである。加算ブロック１３４は、接続部１３３、１３５を介してそれぞれ雑音レベル増幅器１２２と三角関数ブロック１３０とに接続される。加算ブロックは、第１スイッチの位置１１６に応じて、単独で純粋な正弦波信号であるか、或いは二倍の大きさのランダム雑音と混合されるかのいずれかである。入力１３７、１３８を有する第２スイッチ１３６は、接続部１１３、１３９を介して、それぞれ定数ブロック１１２と加算ブロック１３４の出力に動作可能に結合される。次に、ファンデルポール発振器ブロック１４０は、接続部１４１を介して第２スイッチ１３６の出力に接続され、これは選択可能なパラメータ４８を備えたコンピュータモデル４６を含むファンデルポール発振器４０から構成される。３つのディスプレイ１２４、１３２、及び１４５はそれぞれ、雑音信号１２３、純粋な高調波信号１３１、及び調整された信号１４３を表示する。

図５は、ファンデルポール発振器ブロック１４０を更に詳細に示し、追加の入力１４１と出力１４３を備えた閉ループ（上記のファンデルポールの方程式を表す）として図４で使用されたファンデルポール発振器４０をモデル化したものであり、２つの積分ブロック１４４、１４６、３つの増幅器：剛性増幅器１４８と１／質量増幅器１５０とダンピング増幅器１５２（Ｋ＝１、?１、及び１でそれぞれ信号を増幅する）、関数ブロック１５４（ここでは信号を２乗してこれから１／４を引く（Ａ＝１なので））、積ブロック１５６、及び２つの加算ブロック１５８、１６０のような図示された接続要素を含む機能ブロック図である。

ここで図４及び図５を参照すると、システム１０がどうのように働くかを説明する３つの実験は以下の通りである。第１の実験では、ファンデルポール発振器モデル１４０が、スイッチ１３６を介していずれの外部信号源からも切り離される。第２の実験では、ファンデルポール発振器が、ゼロ定数ブロック１１２に接続されているスイッチ１３６及びスイッチ１１６を介して純粋な高調波信号に接続される。第３の実験では、ファンデルポール発振器が、スイッチ１３６及びスイッチ１１６を介して純粋な高調波信号と白色雑音とのミックスに接続される。

以下は上記の３つの実験結果である。

第１の実験は、スイッチ１３６が接続部１１３を介して定数ゼロに接続される場合だけを説明する目的で行なわれる。従って、入力高調波信号は、ファンデルポール発振器に接続されず、付加される雑音は存在しない。この特定の実験では、ファンデルポール発振器は妨害がないので、通常は、大きさ１を有する自己周波数１ラジアン／秒を発生する。この固有周波数は、入力信号の周波数（０．９５ラジアン／秒）に近接するように選択される点に留意されたい。

第２の実験においては、依然として付加される雑音が存在せず、図６及び図７に示された入力高調波信号１３１は、入力すなわち接続部１３８と接続するスイッチ１３６と、入力すなわち接続部１１８に接続されているスイッチ１１６とによる外部パワーとしてファンデルポール発振器に加えられる。

図６は、入力高調波信号１３１ｓｉｎ（０．９５＊時間）の時間ベースのグラフ表示であり、ここでは振幅が１で０．９５ラジアン／秒の関心周波数を有する関心信号２４である。

更に、図７は、入力高調波信号１３１ｓｉｎ（０．９５＊時間）の周波数ベースのグラフ表示であり、ここでは振幅が１で０．９５ラジアン／秒の関心周波数を有する関心信号２４である。

第２の実験においては、調整される出力信号がファンデルポール発振器から取られ、０．９５ラジアン／秒の周波数を備えた主要成分を示す。これは、自己周波数１ラジアン／秒は生成しないが、代わりに、大きさが１．８を備えた０．９５ラジアン／秒の関心周波数を生成する。従って、システム１１０のファンデルポール発振器は外部周波数に同期する。

第３の実験においては、スイッチ１３６が入力すなわち接続部１３８に接続され、スイッチ１１６が入力すなわち接続部１２０に接続されることにより、入力信号は、（１）この場合１に等しい振幅と０．９５ラジアン／秒の周波数を有する関心信号２４（図６及び図７）である純粋な正弦波信号１３１と、（２）この場合雑音信号２８である圧倒的なすなわち支配的な白色雑音信号１２３とのミックスとなる。従って、関心信号である正弦波信号１３１は、こうした著しい雑音の白色雑音信号１２３に完全に埋もれ、その結果、スペクトルの雑音成分から容易には区別できないようになる。

図８は、入力雑音信号１２３の時間ベースのグラフ表示を示しており、該入力雑音信号１２３は著しく、その結果、時間及び周波数領域それぞれで図６及び図７に示される入力高調波信号１３１自体に確実に隠れ或いは埋もれている。

更に、図９は、入力雑音信号１２３の周波数ベースのグラフ表示を示しており、該入力雑音信号１２３は著しく、その結果、時間及び周波数領域それぞれで図６及び図７に示される入力高調波信号自体に確実に隠れ或いは埋もれている。

従ってこの実験では、雑音は著しく、時間領域及び周波数領域の両方で入力高調波信号に確実に隠れるようになる。更に、システム１０は、ファンデルポール発振器から出て、正確に正弦波信号１３１の関心周波数である０．９５ラジアン／秒の周波数を備えた支配成分を有する、雑音及び信号のスペクトルからの入力信号を調整する。この周波数は、上記に説明されたように、スペクトル内には存在するがはるかに低い雑音成分の全てを抑制するシステムの結果として検出することができる。

図１０を参照すると、調整された信号１４２が時間ベースの領域で示され、図１１では調整された信号１４２が、０．９５ラジアン／秒の周波数を備える主要成分を明らかに示す周波数ベースの領域で示されている。

従って上記の実験から、システム１０は、求められた最大ピーク（周波数領域で）から関心周波数の結果として生じる回復を可能にすることが分かる。すなわち、求められた最大ピークの周波数は関心周波数である。更に、上記の実験で１％の差が高調波信号の周波数（すなわち関心周波数）とファンデルポール発振器の固有周波数（すなわちＫ／Ｍの平方根）との間で使用された点に留意されたい。この１％は、限定としてみなすべきではなく、実際には、雑音が弱くなるほど、これらの周波数は更に離れていくことになる。

使用及び動作において、図面を参照すると、システム１０の装置及び方法は、図１２に示される機械監視システム２１０のような資産監視システム内に含まれ又は具現化することができ、少なくとも１つのトランスデューサ１８を介して、機械資産１６、及びコンピュータ化状態モニタ２４０に動作可能に結合されたモニタ２１２から構成される。資産モニタ及び監視ソフトウェアの実施例は、ＢｅｎｔｌｙＮｅｖａｄａ，ＬＬＣ（１６３１ＢｅｎｔｌｙＰａｒｋｗａｙＳｏｕｔｈ，Ｍｉｎｄｅｎ，Ｎｅｖａｄａ，８９４２３，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＯｆＡｍｅｒｉｃａ）によって現在製造及び販売されている。更に、本システムで用いることのできる種々のトランスデューサは、ＢｅｎｔｌｙＮｅｖａｄａ，ＬＬＣ（１６３１ＢｅｎｔｌｙＰａｒｋｗａｙＳｏｕｔｈ，Ｍｉｎｄｅｎ，Ｎｅｖａｄａ，８９４２３，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＯｆＡｍｅｒｉｃａ）によって現在製造及び販売されている。

更に具体的には、図１２を参照すると、システム１０を含む機械監視システムの１つの実施例は、接続部２４１を介してコンピュータ化状態モニタ２４０及び少なくとも１つのトランスデューサ１８に動作可能に結合されたモニタ２１２から構成され、該トランスデューサ１８は機械１６に動作可能に結合されて、モニタ２１２に出力される機械１６からの複合信号２２を生成又は発生し、ここで複合信号２２は、対応する関心周波数２６を有する関心信号２４から構成され、更に関心周波数２６で関心信号２４の振幅よりも大きな振幅を有する雑音信号２８から構成され、該関心信号２４は雑音信号に隠れている。

モニタ２１２は、少なくとも１つのトランスデューサ１８に接続部３１を介して動作可能に結合されて、出力された複合信号２２を受け取り、サンプリングし、及びデジタル化してデジタル化複合信号３２にするサンプリング／デジタル化デバイス又はアナログデジタルコンバータデバイス３０から構成される。

モニタ２１２は更に、処理デバイス２１６、関連メモリ２１８、及びコントローラ２２０から構成される。処理デバイス２１６は、接続部２１４を介してアナログデジタルコンバータ３０に動作可能に結合される。次いで、処理デバイス２１６は、関連メモリ２１８及びコントローラ２２０に動作可能に結合され、処理デバイス２１６と関連メモリ２１８が、接続部２２２（データバス）、２２４（アドレスバス）、及び２２６（制御線）を介して相互に接続され、及びコントローラ２２０に接続されるようになる。

処理デバイス２１６は、接続部２１４を介してアナログデジタルコンバータデバイス３０から出力されたデジタル化複合信号３２を受け取り、次に、ファンデルポール発振器４０、抽出モジュール又は手段６０、及び規則パッケージ８２を含む意思決定支援モジュール又は手段８０を含むプロセッサ５０（図３を参照）から構成することができるコンピュータ化状態モニタ２４０にデジタル化信号を送ることができ、ファンデルポール発振器モデルの固有周波数が関心周波数に近接するように選択されたパラメータを有するファンデルポール発振器をコンピュータモデリングし、デジタル化信号をファンデルポール発振器モデルの関数として処理して該デジタル化信号を調整信号４２に調整し、更に調整デジタル信号から関心周波数を抽出して、機械情報を決定する際に使用するようにする。抽出段階は更に、調整デジタル信号に対してフーリエ変換を行って当該フーリエ変換の主要成分を求め、機械、プロセス、及び手段の様々なグループを含む資産を、例えば監視し、保護し、及び／又は管理するのに使用するため、雑音信号にこれまで隠れていた関心周波数を回復するようにする段階と、出力デバイス９０又は遠隔コンピュータ１００にこの情報を伝達し、とりわけ、オペレータ及び他のプラント要員に機械の問題点及び勧告を含む情報を自動的に通知し、及び／又は決定された問題点に基づいて警報を発生し、更にこうした警報を利用して、機械などの資産を自動的に停止するようにする段階とから構成することができる。

コンピュータ化状態モニタ２４０は、ラップトップ、ノートブック、デスクトップの、ネットワークされた及び／又は分散されたコンピュータ又はこれらに類するものとすることができ、更に、プロセッサ、関連メモリ、及び記憶媒体からなるコンピュータ上で実行できるコンピュータ状態監視ソフトウェアを含むことができる。処理及び記憶デバイスは、選択又はマウスデバイス及び／又はキーボードのような少なくとも１つの入力デバイスに動作可能に結合され、更にディスプレイを含むグラフィカル・ユーザ・インターフェースに動作可能に結合される。ユーザ、処理及び記憶デバイス、及びモニタ２１２の間の通信は、グラフィカル・ユーザ・インターフェースにより行なわれる。

更に、処理デバイス２１６もまた、ファンデルポール発振器４０、抽出モジュール又は手段６０、及び意思決定支援モジュール又は手段８０を含むプロセッサ５０から構成することができ、ファンデルポール発振器モデルの固有周波数が関心周波数に近接するように選択されたパラメータを有するファンデルポール発振器をコンピュータモデリングし、デジタル化信号を調整信号４２に調整するためのファンデルポール発振器モデルの関数としてデジタル化信号を処理し、更に機械情報を決定するのに使用するための調整デジタル信号から関心周波数を抽出することができる点に留意されたい。

１つ又はそれ以上の電源２３２は、接続部２３３を介して動作可能に結合され、トランスデューサ１８、モニタ２１２、物理的出力デバイス９０、及び／又はコンピュータ化状態モニタ２４０に対して任意の要求される電力を供給するようにする。

機械、プロセス、及び手段の様々なグループを含む、資産の雑音の多い信号を処理するための周波数調整システム１０とその使用及び動作を含む上記の説明は、本発明の産業上の応用を示している。

更に、本発明について説明してきたが、上記に示され更に請求項によって記載される本発明の範囲及び公正な目的から逸脱することなく、多数の修正及び改変を行い得ることは明らかなはずである。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

雑音に隠れ或いは埋もれている信号を回復するための周波数調整システムの機能的ブロック図。雑音に隠れ或いは埋もれている信号を回復するための周波数調整システムを更に詳細に示す機能的ブロック図。雑音に隠れ或いは埋もれている信号を回復するための周波数調整システムの意思決定支援モジュールを更に詳細に示す機能的ブロック図。雑音に隠れ或いは埋もれている信号を回復するために使用される周波数調整システムのモデルの機能的ブロック図。図４に示されたモデル化された周波数調整システムのファンデルポール発振器を更に詳細に示す機能的ブロック図。関心信号が図４に示されたモデル化された周波数調整システムによって発生される場合の時間ベースの入力高調波信号のグラフ図。関心信号が図４に示されたモデル化された周波数調整システムによって発生される場合の周波数ベースの入力高調波信号のグラフ図。図４に示されたモデル化された周波数調整システムによって発生された、著しい入力雑音信号により時間領域と周波数領域両方で入力高調波信号に確実に隠れ或いは埋もれている時間ベースの入力雑音信号のグラフ図。図４に示されたモデル化された周波数調整システムによって発生された、著しい入力雑音信号により時間領域と周波数領域の両方で入力高調波信号に確実に隠れ或いは埋もれている周波数ベースの入力雑音信号のグラフ図。雑音に隠れ或いは埋もれている関心信号を回復するための図４に示されたモデル化された周波数調整システムによって発生される時間ベースの調整出力信号のグラフ図。雑音に隠れ或いは埋もれている関心信号を回復するための図４に示されたモデル化された周波数調整システムによって発生される周波数ベースの調整出力信号のグラフ図。雑音に隠れ或いは埋もれている信号を回復するための使用及び動作の１つの態様で示された周波数調整システムの機能的ブロック図。

符号の説明

１０周波数調整システム
１６資産
２０信号発生器
２２複合信号（雑音に埋もれている関心信号／周波数）
２４関心信号
２６関心周波数
２８雑音信号
４０ファンデルポール発振器
４２調整信号
５０プロセッサ

Claims

資産信号を処理するための周波数調整システムにおいて、
雑音信号（２８）と、対応する関心周波数（２６）を有する関心信号（２４）とからなる資産（１６）からの複合信号（２２）を発生するための信号発生手段（２０）であって、前記関心周波数（２６）での前記関心信号（２４）が前記雑音信号（２８）に隠れるような前記雑音信号（２８）に対応する最大のスペクトルピークの全てを有する第１スペクトルを前記複合信号（２２）が含む信号発生手段（２０）と、
前記複合信号を受け取り且つ調整して調整信号（４２）にし、その結果、前記雑音信号（２８）が抑制され、前記調整信号（４２）がより小さな他の全てのスペクトルピークを有する前記関心信号に対応する最大のスペクトルピークを有する第２スペクトルから構成されるようにする選択可能なパラメータを含む、前記信号発生手段（２０）に動作可能に結合されたファンデルポール発振器（４０）と、
前記ファンデルポール発振器（４０）に動作可能に結合され、資産情報を提供するのに使用するため前記調整信号（４２）から前記関心周波数（２６）を抽出するプロセッサ（５０）と、
を共に含むシステム。
前記抽出手段（５０）に動作可能に結合された、前記抽出された関心周波数（２６）に応じて意思決定を行うための意思決定支援手段（８０）を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記意思決定支援手段（８０）は更に、前記意思決定に基づいて勧告を行う手段を含むことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
前記資産（１６）は機械である請求項１に記載のシステム。
該資産（１６）はプロセスである請求項１に記載のシステム。
前記資産（１６）は、物理的な資産パラメータを測定するための手段である請求項１に記載のシステム。
前記信号発生手段（２０）は、機械状態に相関する物理的機械パラメータを測定して前記対応する関心周波数（２６）を有する前記関心信号（２４）から構成される複合信号（２２）を出力するよう機械に動作可能に結合されたトランスデューサ（１８）から構成され、前記複合信号（２２２）は更に、前記関心周波数（２６）で前記関心信号（２４）の振幅よりも大きな振幅を有する前記雑音信号（２８）を含み、前記関心信号（２４）は前記雑音信号（２８）に隠れていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記信号発生手段（２０）は更に、前記複合信号をサンプリングしデジタル信号にデジタル化するため、前記トランスデューサ（１８）に接続されたサンプリング手段（３０）から構成されることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
前記サンプリング手段（３０）に動作可能に結合されたプロセッサ（５０）を更に含み、前記ファンデルポール発振器モデルの固有周波数が前記関心周波数に近接するよう、及び前記ファンデルポール発振器モデルが前記デジタル化信号を調整して調整出力信号にするように選択されたパラメータを有する、前記ファンデルポール発振器モデルの形態の前記ファンデルポール発振器（４０）を含むことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
前記プロセッサ（５０）は、前記調整出力信号に対してフーリエ変換を行い、前記フーリエ変換の主要成分を求めることによって該調整出力信号から該関心信号及び周波数を抽出し、資産情報を決定するのに使用するための該雑音信号に前から隠れている該関心周波数を回復する抽出手段（６０）を更に含むことを特徴とする請求項９に記載のシステム。