JP2014517307A - 連続物理量のデータ集録方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【選択図】図１

Description

本発明は、連続物理量のデータ集録技術に関し、特に、熱工学、化学工業、冶金、電力分野における温度、圧力、流量、電圧、濃度、電流、電圧、電力、回転速度等の連続物理量のデータ集録方法及び装置に関する。

工業の自動化においては、温度、圧力、流量、電圧、濃度等の連続物理量に対する測定及びデータ集録（以下、単にデータ集録とする）が必要である。通常、連続物理量について、アナログサンプリングチャネルを用い、クライアントの要求に従ってアナログ信号をデータサンプリングする場合、サンプリング周波数はｆ_Δｙとされる。エイリアシングを回避するため、アナログサンプリングチャネルにはアナログローパスフィルターを設ける必要があり、その遮断周波数はｆ_ｃ＜０．５×ｆ_Δｙとされるが、ｆ_Δｙが比較的小さいことからｆ_ｃは小さくなり、アナログローパスフィルターにおける難易度とコストが上がってしまう。

また、工業の自動化の大部分においては定常状態方式が用いられ、物理量データについて定常値を集録することが求められている。特許文献１及び２（発明者：ハオ 玉山，発明の名称「連続物理量を測定する装置及び方法」）は、一般的な物理量における定常状態量及び全状態量の測定と記録について提示しているが、出力周波数が上記のデータ集録周波数を満たさず、出力内容も多い（起動停止時間等を含む）ため、工業の自動化へそのまま応用するには不都合である。

中国発明特許 ＺＬ２００９１０１５８３７５．ｘ 中国発明特許 ＺＬ２００９１０１５８３７０．７

上記の問題点に対し、本発明は連続物理量のデータ集録方法及び装置を提供することを課題とする。

リサンプリングにおいて発生の恐れがあるエイリアシング誤差を回避するため、デジタルローパスフィルタリングの遮断周波数をｆ_ｃ＜０．５×ｆ_Δｙとする。

アナログローパスフィルタリングの遮断周波数はｆ_ｃ＜０．５×ｆ_Δｈとするが、ｆ_Δｈはｆ_Δｙより何倍も大きいことから、デジタルローパスフィルタリング及びリサンプリングを行わない場合と比較して、本方法ではアナログローパスフィルターのｆ_ｃを何倍にも高めることができるため、本方法はアナログローパスフィルターにおける難易度とコストを引き下げることが可能となり、高速のアナログデジタル変換、特にΔ-ΣのＡＣ変換器の製造コストを低く抑えられる。

デジタルローパスフィルタリングの伝達関数は下記式で表され、

ｎ＝２，４，６，８はフィルターの次数である。Ｇ（ｚ）は、常用のｎ次バターワースまたはｎ次チェビシェフフィルターのような特殊関数である。

ｕ_ｋが定常状態か過渡状態かを判断するための判断規準として、下記式より入力量ｕ_ｋについて分散を求める。

デジタルローパスフィルター及びリサンプリングスイッチを用いた後に、アナログサンプリングチャネルは廉価なＡＤＣやアナログローパスフィルターを用いて、アナログサンプリングチャネルのコストを削減することができる。

本発明における連続物理量のデータ集録方法及び装置を示す説明図 本発明における連続物理量の定常値データ集録方法及び装置を示す説明図 本発明における連続物理量の定常値データ集録方法及び装置を示す説明図

図１は、連続物理量のデータ集録方法及び装置を示す。

デジタルローパスフィルターの遮断周波数ｆ_ｃはリサンプリング周波数ｆ_Δｙの０．５倍より小さく、リサンプリング周波数ｆ_Δｙはクライアントより指定される。

図２は、連続物理量の定常値データ集録方法及び装置を示す。

判断手段８は判断規準として、サンプリング信号ｕ_ｋについて分散を求める。

図３は、他の連続物理量の定常値データ集録方法及び装置を示す。

図３は、図１のデジタルローパスフィルター６を、図３のαβγフィルター（Ａ）、代入手段（Ｂ）及び判断手段（Ｃ）に置き換えたことを除き、その他の回路の配置及び作用は全て図１と同様である。図３において、アナログサンプリングチャネル１の出力ｕ_ｋはαβγフィルター（Ａ）を通過すると、位置成分Ｓ_ｋ、速度成分ν_ｋ及び加速度成分ａ_ｋを出力し、フィルターからの出力である位置成分Ｓ_ｋは代入手段（Ｂ）を通過すると、更にリサンプリングスイッチ５を通過してレジスター２に蓄積される。速度成分υ_ｋと加速度成分ａ_ｋは判断手段(Ｃ)に入力され、ｕ_ｋが定常状態の場合にはＦ＝０となり、逆に、ｕ_ｋが過渡状態の場合にはＦ=１となって、判断手段(Ｃ)がフラグＦを代入手段（Ｂ）に出力する。Ｆ＝０のとき、代入手段（Ｂ）の出力は位置成分Ｓ_ｋに等しくなるが、Ｆ＝１のとき、代入手段（Ｂ）の出力はｕ_ｋが達成不可能な値と等しくなり、当該達成不可能な値はクライアントに到達した後にバッドデータとして削除される。

上記の実施方案は、ＣＰＬＤ（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ：複合プログラマブルロジックデバイス）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ：フィールドプログラマブルゲートアレイ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：専用集積回路）、または類似のデジタル回路で実現してもよく、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ：デジタルシグナルプロセッサー）のプログラムで実現してもよいが、詳細についてはこれらの開発明細書を参照するものとする。また、上記の実施方案を全て集積して１つのチップ内で実現してもよい。

本実施例は、具体的な実施形態の一部を提示したにすぎず、本願発明の趣旨から逸脱しない各種の変形が可能であって、これらはすべて本願の特許請求の範囲に含まれる。

本発明は、連続物理量のデータ集録技術に関し、特に、熱工学、化学工業、冶金、電力分野における温度、圧力、流量、電圧、濃度、電流、電力、回転速度等の連続物理量のデータ集録方法及び装置に関する。

工業の自動化においては、温度、圧力、流量、電圧、濃度等の連続物理量に対する測定及びデータ集録（以下、単にデータ集録とする）が必要である。アナログサンプリングチャネルを用い、クライアントの要求に従ってアナログ信号をデータサンプリングする場合、サンプリング周波数はｆ_Δｙとされる。エイリアシングを回避するため、アナログサンプリングチャネルにはアナログローパスフィルターを設ける必要があるが、ｆ_Δｙが比較的小さいことからｆ_ｃは小さくなり、アナログローパスフィルターにおける難易度とコストが上がってしまう。

リサンプリングにおいて発生の恐れがあるエイリアシング誤差を回避するため、デジタルローパスフィルタリングの遮断周波数ｆ _ｃ を、リサンプリング周波数ｆ _Δｙ の０．５倍より小さくする。

アナログローパスフィルタリングの遮断周波数ｆ _ｃ を、サンプリング周波数ｆ _Δｙ の０．５倍より小さくするが、ｆ_Δｈはｆ_Δｙより何倍も大きいことから、デジタルローパスフィルタリング及びリサンプリングを行わない場合と比較して、本方法ではアナログローパスフィルターのｆ_ｃを何倍にも高めることができるため、本方法はアナログローパスフィルターにおける難易度とコストを引き下げることが可能となり、高速のアナログデジタル変換、特にΔ-ΣのＡＣ変換器の製造コストを低く抑えられる。

本発明は、更に、連続物理量のデータ集録装置を提供し、当該装置は、入力された連続物理量の電圧信号ｕをアナログサンプリングするとともに、サンプリング周波数をｆ_Δｈとし、サンプリング信号ｕ_ｋを出力するアナログサンプリングチャネル、サンプリング信号ｕ_ｋをリサンプリングしてリサンプリング信号ｕ_ｊを取得し、リサンプリング信号ｕ_ｊをレジスターに出力するとともに、リサンプリング周波数ｆ _Δｙ がクライアントにより指定されるリサンプリングスイッチ、リサンプリング信号ｕ_ｊを蓄積するレジスター、レジスターがデータをバスに出力し、バスを介してデータｕ_ｊをクライアントへ出力するよう制御するバス、及び、アナログサンプリングチャネルとリサンプリングスイッチを制御するためのタイミングコントローラーを含み、更に、アナログサンプリングチャネルからのアナログ電圧のサンプリング信号ｕ_ｋを受信して、ローパスフィルタリングした信号

を出力するデジタルローパスフィルターを含む。デジタルローパスフィルターの遮断周波数は、リサンプリング周波数ｆ_Δｙの０．５倍より小さく、アナログサンプリングチャネルにおけるアナログローパスフィルターの遮断周波数は、サンプリング周波数ｆ_Δｈの０．５倍より小さい。

デジタルローパスフィルターの遮断周波数はリサンプリング周波数ｆ_Δｙの０．５倍より小さく、リサンプリング周波数ｆ_Δｙはクライアントより指定される。

Claims (13)

1. 連続物理量のデータ集録方法であって、
   連続物理量を示す電圧信号ｕが入力され、
   アナログサンプリングチャネルを介して電圧信号ｕをサンプリングすることでサンプリング信号ｕ_ｋを取得するとともに、サンプリング周波数をｆ_Δｈとし、
   サンプリング信号ｕ_ｋをリサンプリングしてリサンプリング信号ｕ_ｊを取得し、リサンプリング周波数ｆ_Δｙはクライアントより指定され、
   

   

   ことを特徴とする方法。
2. 前記デジタルローパスフィルタリングの遮断周波数ｆ_ｃは、リサンプリング周波数ｆ_Δｙの０．５倍より小さい
   請求項１に記載の連続物理量のデータ集録方法。
3. 前記デジタルローパスフィルタリングの伝達関数は下記式で表され、
   

   

   式中、ｎ＝２，４，６，８はフィルターの次数であり、Ｇ（ｚ）は、常用のｎ次バターワースまたはｎ次チェビシェフフィルターのような特殊関数である
   請求項１または２に記載の連続物理量のデータ集録方法。
4. 

   請求項１に記載の連続物理量のデータ集録方法。
5. 

   である
   請求項４に記載の連続物理量のデータ集録方法。
6. 前記ｕ_ｋが定常状態か過渡状態かを判断するための判断規準として、下記式より物理量の入力量ｕ_ｋについて分散を求め、
   

   

   請求項４に記載の連続物理量のデータ集録方法。
7. 前記デジタルローパスフィルタリングは可変構造のαβγフィルタリングであり、
   入力量ｕ_ｋをαβγフィルタリングして、ｕ_ｋの位置成分Ｓ_ｋ、速度成分ν_ｋ及び加速度成分ａ_ｋを取得し、位置成分Ｓ_ｋがデジタルローパスフィルタリングの出力となり、
   

   

   Ｓ_ｋをリサンプリングへ出力し、ａ_ｇとυ_ｇは所定値である
   請求項１に記載の連続物理量のデータ集録方法。
8. 

   請求項７に記載の連続物理量のデータ集録方法。
9. 入力された連続物理量の電圧信号ｕをアナログサンプリングするとともに、サンプリング周波数をｆ_Δｈとし、サンプリング信号ｕ_ｋを出力するためのアナログサンプリングチャネル（１)、
   サンプリング信号ｕ_ｋをリサンプリングしてリサンプリング信号ｕ_ｊを取得し、リサンプリング信号ｕ_ｊをレジスター（２）に出力するリサンプリングスイッチ（５）、
   リサンプリング信号ｕ_ｊを蓄積するレジスター（２）、
   レジスター（２）がデータをバス（３）に出力し、バス（３）を介してデータｕ_ｊをクライアントへ出力するよう制御するバス（３）、
   アナログサンプリングチャネル（１）とリサンプリングスイッチ（５）を制御するためのタイミングコントローラー（４）、
   を備える連続物理量のデータ集録装置であって、
   

   

   デジタルローパスフィルター（６）の遮断周波数ｆ_ｃは、リサンプリング周波数ｆ_Δｙの０．５倍より小さく、アナログサンプリングチャネルにおけるアナログローパスフィルターの遮断周波数ｆ_ｃは、サンプリング周波数ｆ_Δｈの０．５倍より小さい
   ことを特徴とする装置。
10. 前記デジタルローパスフィルター（６）は、平均化手段（７）と判断手段（８）からなり、
    前記判断手段（８）は、アナログサンプリングチャネル（１）からのサンプリング信号ｕ_ｋが入力され、フラグＦを求めて平均化手段（７）へ出力し、サンプリング信号ｕ_ｋが定常状態の場合にはＦ＝０となり、逆に、サンプリング信号ｕ_ｋが過渡状態の場合にはＦ=１となり、
    

    

    請求項９に記載の連続物理量のデータ集録装置。
11. 前記平均化手段（７）の計算式は、
    

    

    である
    請求項１０に記載の連続物理量のデータ集録装置。
12. 前記判断手段（８）は判断規準として、物理量の入力量ｕ_ｋについて下記式より分散を求め、
    

    

    請求項１０に記載の連続物理量のデータ集録装置。
13. 前記デジタルローパスフィルター（６）は可変構造のαβγフィルターであり、アナログサンプリングチャネル（１）からのサンプリング信号ｕ_ｋをαβγフィルタリングして、ｕ_ｋの位置成分Ｓ_ｋ、速度成分υ_ｋ及び加速度成分ａ_ｋを取得し、
    

    

    請求項９に記載の連続物理量のデータ集録装置。

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