JP5183014B2 - 信号処理方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、信号処理の方法及び装置に関する。本発明の実施形態は、信号の測定において発生し得るエラーを補償する信号処理のための方法及び装置に関する。本発明の実施形態は、具体的には、低い信号対雑音比を有する歪み信号の改良された処理に関する。

本発明の実施形態は、具体的には、時間と共に変化する信号又は測定のシーケンスの処理に好適である。
本発明は、時間と共に変化するパラメータをモニタする任意のシステムに接続して使用することができる。この実施形態は、実際には位置、速度、力、加速などといったこのような任意のパラメータの改善された処理に好適である。

本発明の１つの実施形態は、位置モニタリングシステム（例えばロボットアーム制御用）と組み合わせることができる。別の実施形態（以下に詳細に説明される）は、回転シャフトの速度をモニタリングするためのシステムと組み合わせたものとすることができる。

図１で、線ａ−ｂは、時間と共に変化する測定パラメータｙの真（未知）値を表す。ポイントは、等しい時間間隔でのこの信号の測定値を示している。これらの測定値は、線に可能な限り近接して存在する結果が得られるように処理されなければならない。

ミッシング信号又はスプリアス信号から生じるようなエラー又は歪みを低減するためのこのタイプの信号処理の公知技術は、フィルタリング及び線形予測を含む。

フィルタリング
デジタルフィルタリングは、このタイプの応用に通常良く使用される極めて強力な技術である。しかしながら、フィルタは、過去の情報を処理するので出力信号に遅延を生じさせる。例えば、直線的に変化する信号を２９の測定値について平均化する場合、フィルタからの出力は１５番目の測定値の値に一致することになる。これは、速度の変化が増大するにつれて真値から徐々に大きなエラーを生じることになる。また、フィルタは歪みが生じた測定の大きな値を上手く処理することなく、これにより大きなエラーを生じることになる。

線形予測
線形予測はよく知られた技術であり、直線的に変化する信号は、一定の遅延を受けることはない。しかしながら、他のフィルタのようにこの技術もまた、歪みの大きな信号を処理する際に大きなエラーが発生する。このエラーは、予測計算のために多数の測定値を使用することによって低減できるが、これは応答時間に影響を及ぼし、信号の変化速度が変わる場合に大きなエラーを生じてしまう。

本発明の発明者らは、時間を予測するために実際の測定時間を使用しながら、速度を求めるための調整又はフィルタ処理された履歴時間に基づいて予測時間を使用するといった直感に反したステップを行なうことによって、エラー及び歪みを補償できることが最初に分かった。実際の生の測定値を使用しない見かけ上は直感に反したステップにより、信号エラー及び歪みを容易に且つ効率的に補償することが可能となる。

本発明の特に好ましい実施形態は、ガスタービンの速度を表す出力又は信号のシーケンスを生成するのに用いることができる。本発明は、回転するブレード付きシャフトの速度をモニタする速度プローブからの信号処理に適用される場合、ジッタ、ミッシング及びスプリアスパルス、又はブレードを容易に且つ効率的に補償する。

ガスタービンなどのブレード付き要素のシャフト速度は、ブレードが測定ポイントを通過するときのブレード間の時間間隔を測定することによって決定又は計算することができる。ＧＢ２，２６５，２２１号、ＧＢ２，２２３，１０３号、ＵＳ３，９８４，７１３号、ＧＢ１，３８６，０３８号は、ブレード付きシャフトの回転速度を測定するのに使用することができる渦電流又は誘導センサを記載している。

これらの文献で説明されるセンサは、ブレードの先端がマグネットの直近を通過するように位置付けられた強力マグネットを各々が備える速度又はトルクプローブである。ブレードがプローブマグネットに近接して移動すると、ブレードの先端に渦電流が生じる。これらの渦電流は、プローブに配置されたコイルによって検出されるこれら固有の磁界を発生する。従って、ガスタービンにおけるようなブレードを有する回転シャフトは、ブレードがプローブを通過するときに、連続するブレード間の時間期間を表すパルス間期間で一連のパルスを生じることになる。一連のパルスは、従って、回転シャフトの速度を求めるために使用することができ、該速度はパルス間の時間測定値から算出される。

ガスタービン１などのブレード付きタービンは、シャフト４に接続されたディスク３上に取り付けられたコンプレッサのブレード２（サンプルのみ示されている）を備えることができる（図２を参照）。このようなガスタービンでは、各ブレードは一般的に、１つのピン（図示せず）を用いてディスクに固定される。従って、ブレードは約±２０度の範囲でその固有のピンの回りを回転することができる。しかしながら、タービン１が回転していると、タービンブレード２は、半径方向に作用し且つ放射状位置にブレードを付勢する遠心力と、接線方向で且つ回転方向に対して作用する空気圧力を受ける。ピンとブレードブッシュ間の摩擦力は、接線方向に働く力に対向する。

これらの種々の力の相互作用の結果、ブレードは、放射状位置から±５度の範囲でその位置が変動する可能性がある。

２４０ｍｍ長さの一般的なコンプレッサブレードでは、ブレード２の先端は±２０ｍｍの範囲で動くことができる。既知のタイプの渦電流速度プローブ５によって検出されたパルスは、従って、図２に示されるｔ１、ｔ２、ｔ３、及びｔ４の間隔を変えることによって離間して配置されることになる。従って、コンプレッサシャフト速度が一定の場合でも、ブレード間の測定された時間期間の大きな変動を観察することができる。この変化はジッタとして知られている。

ジッタは、ブレードがその等間隔に配置された公称位置に存在しないことによって引き起こされる。この公称からのオフセットにより、ブレード毎に測定される時間が次のものとは異なるものとなり、回転速度が絶えず変化しているように見える。速度変化は、滑らかではなく連続してもいないが、雑音として現れる。

公称からの変位は特定の起動に対してかなり安定しているものと仮定されるが、遠心力が比較的低い速度で作用し始めると、摩擦がブレードを所定位置に「ロック」するので、起動毎に変動する可能性がある。高速は、中心のホィールにブレードを保持しているピンに対して強い摩擦力を引き起こし、その結果ブレードがそれ以上は動かないようになることが予測された。しかしながら、ブレードは高速ではロックされず、タービン回転中にゆっくりと動くことが観察された。これは、タービンブレードに作用する空気圧力の変化によって引き起こされる。

理想的には、全てのブレードは、公称の放射状の位置にその先端が位置付けられなければならない。固定速度では、公称位置からのどのような変位も、ブレード毎に測定される期間に変化をもたらすことになる。その結果、期間の変化は、回転速度に明らかな変化をもたらす。この変化する期間はエラーとなる可能性がある。図３は、ブレード間の公称距離の±７．５％のブレード先端部の変位を示しており、これは±１５％の時間変化をもたらす。ブレードの位置は実線で示されており、可能性のあるブレードの位置は破線で示されている。

説明を簡単にするために、正規化された時間を使用することとし、すなわち、ここでは１は、実際の時間に関係なく完全に位置付けられたブレード間の時間を表す。

従って、各ブレードの±７．５％ジッタは、ブレード間の時間に、
隣接するブレード間の最小時間＝１−２（０．０７５）＝１−０．１５＝０．８５と、
隣接するブレード間の最大時間＝１＋２（０．０７５）＝１＋０．１５＝１．１５
の間で変化させることになる。
同様に±１５％ブレードジッタの場合は、
最小時間＝１−２（０．１５）＝１−０．３＝０．７
最大時間＝１＋２（０．１５）＝１＋０．３＝１．３
である。

渦電流プローブなどのプローブが速度又はトルクを測定するのに使用される場合には、渦電流プローブからのパルスは、これらの間の時間間隔を抽出するよう処理される。通常、各パルスのゼロ交差が識別され、２つの連続するパルスのゼロ交差間の時間がタイマーカウンタを使用して測定される。タイマーカウンタは、既知の周波数の高安定性信号発生器によって発生した基準パルスの数をカウントし、この数に基準期間の持続時間を乗算する。

図４は、シャフトが１０００ｒｐｍの速度から約２０００ｒｐｍ／秒の変化率で加速される場合の連続するブレード間の時間間隔の標準的な変化を示す。時間の変化は、約±１５％のブレードジッタによって引き起こされる。

ブレード間の時間間隔の決定におけるエラーの考えられる別の原因は、ブレードを検出できないことである。例えば、速度プローブがブレードの存在を検出せず、パルス信号を発生しないことが起こり得る。これは、損傷を受けたブレード（例えば捩れ又は破損した先端部）によって引き起こされる可能性があり、或いは単にパルス振幅が小さ過ぎるため処理回路によって検出できない可能性がある。

ミッシングパルスは、ブレード間の識別できる時間がより長く現れ、従って低速度の読み取りを結果として生じることを意味する。±７．５％に過ぎないブレードジッタを考えてみる。一定の速度で、隣接するブレード間の正規化された最も長い時間は１．１５である。ミッシング中間パルスを有するパルス間の正規化された時間が図５に示される。

ミッシングパルスでは、次のブレードが現れる前の最小時間は、
Ｔｍｉｎ＝１＋１−２（０．０７５）＝１．８５
である。最大時間は、次式によって与えられる。
Ｔｍａｘ＝１＋１＋２（０．０７５）＝２．１５
単一のミッシングパルスは正規化された時間２を与え、５ミッシングパルスのブロックは正規化された時間６を与える。

図５及び図６は、ブレードパルスのミッシング時に時間間隔は標準時間間隔より実質的に長いことを示している。より多くのパルスミッシングでは、この間隔は比例的に長くなる。

シャフト速度の決定における考えられるエラーの別の原因は、スプリアスパルスの存在である。スプリアスパルスは、ブレードが１つのプローブを通過するときにブレードの１つから生じるパルス間のパルス（例えば速度プローブによって生じる）である。スプリアスパルスは任意の雑音源によって生じる可能性がある。ＲＦ電磁障害及び／又は低周波磁界（例えばスタータモータパルス又はイグナイタ電流パルス）を含む幾つかの雑音源が存在する可能性がある。

スプリアスパルスは、ブレードパルスから区別することができず、従ってブレード間の識別できる時間がより小さいことにより、結果として高速の読み取り（すなわち小さな時間間隔）を生じる原因となる。

スプリアスパルスの位置は、０と１．０の間の正規化時間を与える２つのブレードパルス間のいずれかとすることができる（図７を参照）。

スプリアスパルスが２つのブレードの間の途中で生じる場合は、図７に示されるような７．５％ジッタの検出されたパルスの正規化時間は、１，０．５，０．５，１．０７５になる。

図８は、５スプリアスパルスが全ての他の時間間隔に存在する状態を示している。正規化時間は、以下のようになる：１，０５，０．５，１，０．５，０．５，１，０．５，０．５，１，０．５，０．５，１，０．５，０．５，１。

ＧＢ２，２６５，２２１号 ＧＢ２，２２３，１０３号 ＵＳ３，９８４，７１３号 ＧＢ１，３８６，０３８号

上述のジッタ、ミッシング及びスプリアスパルスの問題は、ガスタービンシャフトなどの回転シャフトの速度を正確に測定することを困難にする。しかしながら、過酷な条件下（ミッシングパルス、又は幾つかのスプリアスパルスの結果生じた幾つかのひどく損傷したブレードを含む）で正確な速度読み取りを提供でき、異なるシャフト加速及び減速条件（これはフィルタの影響のある程度の補償又は低減を必要とする）の下で確実に動作しなければならないタービンシャフト速度測定システムに対して、明確且つ必然的な要求が存在する。

ブレードの感知からガスタービンなどの回転シャフトの速度を求める場合の課題は、離散的時間間隔で測定される直線的に変化する信号の精度を向上させる方法として特徴付けることができる。図１は、時間と共に増加する信号の例を示す。

本発明の第１の態様では、本明細書で言及される独立請求項１及び１９で定義されるような方法を提供する。
即ち、一連の測定信号を表す一連の出力信号を生成する方法であって、
履歴測定信号値から第１測定信号の値を予測し、前記第１測定信号の予測値から第１出力信号を生成して、前記測定信号をその予測値と比較する段階と、
前記測定信号が許容可能な値の所定の範囲内にある場合に、前記第１測定信号を使用して第２測定信号の値を予測する段階と、
前記測定信号が許容可能な値の所定の範囲外にある場合に、前記第１予測値を使用して第２測定信号を予測する段階と、
前記第２測定信号の予測値から第２出力信号を生成する段階と、
を含む方法である。

本発明の幾つかの好ましい特徴は、本明細書で言及される従属請求項において提示される。

本発明の第２の態様では、個々の信号は存在せずにスプリアス信号が生じる可能性がある、等しくない時間間隔で反復することができる信号の反復周波数の、連続する信号のシーケンスを予測することによって計算されたアセスメントを繰り返し修正する方法を提供する。この方法は、次の予測される信号までの間隔をアセスメントの既存の値から導き出す段階と、前記予測される時間付近の時間範囲内で前記次の信号の存在をチェックする段階とを含み、この範囲は前記間隔の比例であり、前記次の信号が前記範囲内に存在する場合は、アセスメントを再計算するときに実際の新しい時間間隔を使用してシーケンスの第１及び第２信号間の時間間隔を置き換えるが、前記範囲内に新しい信号がない場合は、アセスメントを再計算するときに前回導き出された時間間隔を使用してシーケンスの第１及び第２信号間の時間間隔を置き換える段階を含む。

本発明は、線形予測をリミッタと組み合わせたものとして特徴付けられる。リミッタは、予測プロセスの不可欠な部分であり、雑音及びジッタに影響を及ぼすことなく、線形予測に悪影響を及ぼす可能性のある大きな信号揺らぎを除去するために使用される。「対称的」雑音は、プレディクタが正確に動作して、変化する信号をゆっくりと追尾していることを意味する。

上述のように、本発明の発明者らは、実際の値ではなく予測値を出力として使用する直感に反したステップをリミテッドプレディクタの使用と組み合わせると、発生する可能性のある雑音並びにスプリアス及び／又はミッシング信号に関連する問題が低減されることを最初に認識した。

添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態を単に例証として説明する。各図は、本発明の好ましい実施形態を説明し例証する目的のものに過ぎず、請求項を限定するものと解釈すべきではない。当業者は、本発明の種々の態様の他の実施形態を容易に想定するであろう。上述のように、本発明は、時間と共に変化することができる信号又は測定の任意のシーケンスの処理にも適している。幾つかの既知の方法及び装置の問題に関する以下の説明及び前述の説明は、タービンなどのブレードを有する回転シャフトの速度を監視するためのシステムに集中しており、当業者は、時間と共に変化する可能性がある任意の測定値又は信号を処理するための本発明の実施可能な方法を容易に想定することができる。

本発明の好ましい実施形態では、例えば２９のブレードを有する個々のガスタービンの速度は、誘導電流の変化の間の時間間隔を測定するＧＢ２，２６５，２２１号に記載の渦電流プローブなどの速度プローブを使用して測定され、該速度プローブはその出力がデータ処理装置に接続されている。データ処理装置は、デジタルエンジン制御ユニットとすることができる。

図２を参照すると、シャフト４は、該シャフトに接続されたディスク３を有する。ディスクは、シャフトの周りに等間隔で配置されたポイント位置でディスクに固定された２９のブレード２（全ては図示されていない）を有する。各ブレード２は、ピン（図示せず）によってディスクに固定される。従って上述のように、各ブレード２は約±２０度の範囲でピンの回りを回転することができる。

速度プローブ５は、回転するブレードの経路近くに配置され、各ブレード先端がセンサ５を通過するときに各ブレードの先端の通過を感知する。プローブは、先端が該プローブを通過したときにパルスを発生する。上記で検討したように、ジッタ、ミッシング及びスプリアスパルスによって発生する有意な雑音が存在する可能性がある。連続するパルス間の時間間隔（ｔ₁、ｔ₂など）は、当業者によく知られた方法でシャフトの速度を計算するために求められ且つ使用される。

速度プローブ５に接続されたデータプロセッサ６（図２及び９を参照）は、プローブによって発生したパルスのシーケンスを入力として受け取る。データプロセッサは、連続する信号パルス間の時間間隔を求めるカウンタ７を含む。これらはメモリ８内に格納される。メモリに記憶された十分な時間間隔値が存在する場合には、時間間隔傾向時間が記憶された時間間隔値から計算される。

傾向線（トレンド線）を生成するために使用される必要履歴値の数は、正確な追尾速度を提供し急速な速度変化に対応するよう最適化されなければならない。傾向線を計算するために使用される履歴値の数は、傾向線の長さ（平均期間の数）である。短い傾向線は、データポイントの少ない数で平均するので非常に雑音の多い予測値をもたらすことになる。長い傾向線は、速度が変化する場合には反応が遅くなり、時間間隔曲線の平均勾配が直線でない場合には誤差が大きくなる。傾向線の長さは、実験データを使用してエンジンの各型式に対して設定されなければならない。

プレディクタの「長さ」は、雑音の平均値をゼロに近接したものとするのに必要な時間によって求められる。例えば、２９のブレードを有するタービンシャフトでは、平均ジッタ値は２９の期間後はゼロであり、従ってプレディクタの長さは、このようなタービンの速度を測定するシステムにおいては２９期間とすべきである。

２９のブレードを有する図２のガスタービンシャフトでは、次に、前回の２９のブレード期間に基づく線形傾向線が、最小自乗法で計算される。言い換えると、直線が、メモリ内に記憶された直近の２９の時間間隔に適合され、次式の形式で求められる。
ｙ＝ｍｘ＋ｂ （１）
ここで、ｘはブレードの期間数である。

既知の傾向線生成方法のいずれも用いることができる。また傾向線は直線である必要はない。明らかに幾つかの状況においては、傾向線は曲線とすることができる（すなわち二次又はより高次の傾向線）。

例えば、図１０の値を使用して７〜３５の期間の時間間隔を使用すると、３６番目の時間間隔又はブレード期間に対する予測値が求められる。
ｘ＝３６のとき、
ｙ＝０．００４４＊３６＋２．０１６
ｙ＝１．８５７６ （３）

次に、リミッタが用いられる。４０％に設定されたリミッタでは、アルゴリズムが以下のようになる。
新しい値が予測値の１．４倍より大きい場合、又は、予測値の０．６倍より小さい場合には、新しい値は拒否され、予測値が新しい値として受諾される。他の場合には、新しい値が受諾される。
例えば（図１０を参照）

次に、受諾値が、期間８から３６に対して次の傾向線を計算するために使用される。
受諾値＝１．４０７のとき
新しい傾向線は、ｙ＝−０．００７３ｘ＋２．０６３
予測値 ｘ＝３７，ｙ＝１．７９２９
上記のプロセスが繰り返される。

傾向線の長さ（平均された期間の数）
リミッタの選択される値は、最大ジッタの値によって求められる。通常動作中に、リミッタはジッタを制限する必要はないが、ミッシングパルス及びスプリアスパルスを検出しなければならない。

図１１に示される限界は、±２０％に設定された。限界のこのようなレベルでは、幾つかの期間からの信号は制限されることになり、すなわち期間９、１７、２５、２６、３５が平均速度に従わない傾向線を生じる。図１１に示された適切な時間信号追尾では、リミッタは±３０％に設定されなくてはならない。

上述の計算を行なった結果、図１１に示された測定時間信号が、出力で変換され、「傾向線＋１」として図１２に示される。多くのミッシングブレードがあるにもかかわらず、エラーは６％より小さい。

速度計算の精度は、ジッタの量、加速／減速速度、傾向線の長さ、及び限界のレベルに依存する。

時間と共に変化する測定された値を有するパラメータを示すグラフである。 タービンのブレードがプローブを通過するときのタービンのブレードの連続するページ間の時間間隔を求めるために設定された速度プローブの概略図である。 図２のようなタービンのブレードに対するブレードジッタの影響を示す図である。 図２のシャフトが速度約１０００ｒｐｍから約２０００ｒｐｍ／秒の変化率で加速する場合の連続するブレード間の時間間隔の標準的な変化を示す図である。 図２のタービンのミッシングパルスの影響を示す図である。 ブレードパルスがミッシングする場合に１０００ｒｐｍで回転し２０００ｒｐｍ／秒で加速する図２のシャフトの連続するブレード間の間隔の標準的な変化を示す図である。 図２のタービンのスプリアスパルスの影響を示す図である。 幾つかのスプリアスパルスが各回転に存在する場合に約２０００ｒｐｍで回転し２０００ｒｐｍ／秒で加速する図２のシャフトの連続するブレード間の時間間隔の標準的な変化を示す図である。 本発明の実施形態の方法を示すフロー図である。 図９の好ましい実施形態の原理を示す図である。 ±２０％の限られた範囲を使用する図１０の原理を示す図である。 図２及び図９から図１２の実施形態を使用する処理後の出力信号を示す図である。

符号の説明

１ ガスタービン
２ コンプレッサのブレード
３ ディスク
４ シャフト
５ 渦電流速度プローブ

Claims (12)

1. 一連の測定信号を表す一連の出力信号を生成する方法であって、
   a) 幾つかの履歴時間間隔信号値から傾向線を作成する段階と、
   b) 前記傾向線から、第１出力時間間隔信号値を予測する段階と、
   c) 新しい第１出力時間間隔信号値を測定する段階と、
   d) 測定した前記新しい第１出力時間間隔信号値と、予測された前記第１出力時間間隔値とを比較する段階と、
   e) 前記測定した新しい第１出力時間間隔値が、予測された前記第１出力時間間隔値に対して、許容可能な値の所定の範囲内にある場合に、前記測定した新しい第１出力時間間隔信号値を含む複数の履歴時間間隔信号値を使用して、前記傾向線を更新する段階と、
   前記測定した新しい第１出力時間間隔信号値が、予測された前記第１出力時間間隔値に対して、許容可能な値の所定の範囲外にある場合に、前記予測された第１出力時間間隔値と複数の履歴時間間隔信号値を使用して、前記傾向線を更新する段階と、
   f) 段階a)〜e)を繰り返して、少なくとも別の出力時間間隔信号値を予測する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 時間間隔信号値は、少なくとも２つの履歴時間間隔信号値のシーケンスからの外挿によって予測されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記傾向線は線形傾向線であり、前記線形傾向線は、前記少なくとも２つの履歴測定信号から外挿されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記線形傾向線は、最小自乗法を使用して生成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記傾向線は二次傾向線であり、前記二次傾向線は、少なくとも３つの履歴測定信号から外挿されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
6. 許容可能な値の前記所定の範囲は、前記予測された測定信号の近傍で定義された範囲であることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の方法。
7. 許容可能な値の前記範囲は、前記予測値の±４０％であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記範囲は、前記予測値の±３０％であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記範囲は、前記予測値の±２０％であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 各々の特徴部がセンサを通過するときに感知される特徴部を所定の離隔距離で有する本体の回転速度を監視するために、連続する特徴部の通過の間の時間が時間間隔信号によって表される時間間隔を定義し、前記速度は、特徴部間の所定の離隔距離と、該特徴部間の時間間隔に相当する前記出力時間間隔信号値とから求められることを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. ブレードを有する回転シャフトの速度を監視するために、前記ブレードの各々は、前記特徴部の１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 全数が整数のＸ個のブレードを有する回転シャフトにおいて、前記第１出力時間間隔信号値が、前回のＸ回の前記履歴時間間隔信号値から作成された傾向線に基づいて予測されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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