KR101281307B1 - 머신 상태 모니터링 방법, 모니터링 시스템 및 주파수 정류시스템 - Google Patents

머신 상태 모니터링 방법, 모니터링 시스템 및 주파수 정류시스템 Download PDF

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존 웨슬리 그랜트
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찰스 터랜스 하츠
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Abstract

본 발명은 머신(32)의 상태를 모니터링하는 방법을 제공한다. 이 방법은 머신으로부터 다수의 신호 성분을 포함하는 입력 복소 신호(complex signal)(48)를 수신하는 단계를 포함한다. 다수의 신호 성분은 사전 결정된 관심 주파수를 포함하는 적어도 하나의 신호 성분 및 잡음을 포함하는 적어도 하나의 신호 성분을 포함한다. 또한, 본 방법은 입력 복소 신호를 처리하여 다수의 신호 성분을 포함하는 출력 복소 신호(50)를 생성하는 단계를 더 포함한다. 다수의 신호 성분은 사전 결정된 관심 주파수를 포함하는 적어도 하나의 신호 성분 및 잡음을 포함하는 적어도 하나의 신호 성분을 포함한다. 입력 복소 신호를 처리하는 단계는 고정 스텝 적분(fixed-step integration)을 실행하는 단계와, 출력 복소 신호를 처리하여 고장(fault)의 존재 여부를 평가하는 단계를 포함한다.

Description

머신 상태 모니터링 방법, 모니터링 시스템 및 주파수 정류 시스템{METHODS AND APPARATUS FOR FREQUENCY RECTIFICATION}
도 1은 관심 신호를 복소 신호로부터 구별하는데 사용되는 시스템의 예시적인 실시예의 블록도,
도 2는 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 예시적인 간단한 고조파 발진기의 예시적인 변위 대 시간 행동을 나타내는 그래프,
도 3은 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 예시적인 간단한 고조파 발진기의 예시적인 위상을 나타내는 그래프,
도 4는 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 예시적인 발진기의 예시적인 변위 대 시간 행동을 나타내는 그래프,
도 5는 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 예시적인 발진기의 예시적인 위상을 나타내는 그래프,
도 6은 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 예시적인 발진기의 출력을 나타내는 그래프,
도 7은 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 발진기로의 입력 신호의 예시적인 잡음 성분을 나타내는 그래프,
도 8은 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 발진기의 예시적인 출력을 나타내 는 그래프,
도 9는 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 컴퓨터의 예시적인 실시예의 블록도,
도 10은 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 예시적인 발진기의 발진 주파수를 변조하는 예시적인 방법의 흐름도,
도 11은 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 복소 신호로부터 관심 신호를 구별하기 위해서 사용될 수 있는 시스템의 다른 예시적인 실시예의 블록도,
도 12는 도 11의 시스템에서 사용될 수 있는 예시적인 관심 입력 클록 신호를 나타내는 그래프,
도 13은 도 11의 시스템에서 사용될 수 있는 예시적인 잡음 신호를 나타내는 그래프,
도 14는 도 11의 시스템에서 사용될 수 있는 예시적인 발진기 자연 주파수 출력 신호를 나타내는 그래프,
도 15는 도 11의 시스템에서 사용될 수 있는 예시적인 관심 출력 신호의 발진 주파수를 나타내는 그래프,
도 16은 도 11의 시스템에서 사용될 수 있는 예시적인 발진기 주파수 정류된 출력 신호를 나타내는 그래프,
도 17은 도 11에 도시된 시스템에서 사용될 수 있는 일반적인 발진기의 예시적인 실시예의 블록도,
도 18은 도 11의 시스템에서 사용될 수 있는 Van der Pol 발진기의 예시적인 실시예의 블록도,
도 19는 전기 모터로부터 수신된 복소 신호로부터 관심 신호를 구별하는 시스템의 예시적인 실시예의 블록도,
도 20은 도 19에 도시된 시스템에서 사용될 수 있는 결정 지원 서브시스템을 포함하는 CIMMS의 예시적인 실시예의 블록도,
도 21은 도 20에 도시된 결정 지원 서브시스템 내에 상주하는 규칙 기반형 상태 모니터링 및 진단 서브시스템의 예시적인 실시예의 블록도,
도 22는 도 21의 규칙 기반형 상태 모니터링 및 진단 서브시스템에 상주하는 모터 동작 속도 주파수 정류기 및 추출 디바이스의 예시적인 실시예의 블록도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
30 : 시스템 32 : 머신
34 : 트랜스듀서 36 : A/D 변환기
38 : 발진기 40 : 변환 디바이스
42 : 출력 디바이스
본 발명은 일반적으로 관심 주파수를 갖는 신호를 잡음으로부터 구별하는 시 스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 복소 신호로부터 관심 신호를 복구하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
모터와 같은 전기 머신은 전기 스위치를 개방 또는 폐쇄하는 동작 및/또는 전기 장치에 전력을 공급하는 동작을 포함하는 광범위한 애플리케이션에서 사용되지만, 이들로 한정되지는 않는다. 상태 모니터링 시스템은 그 머신과 연관된 사전 결정된 관심 주파수를 모니터링함으로써 전기 머신의 상태를 평가하는데 사용된다. 이러한 전기 머신이 동작하는 관심 주파수를 모니터링함으로써 그 머신의 오동작 여부를 정확하게 결정하는 것이 용이해진다.
적어도 몇몇 알려진 상태 모니터링 시스템은 해당 동작 상태를 결정하여 이를 운용자에게 알려주기 위해서 모니터링되는 다수의 신호를 머신으로부터 샘플링한다. 수집된 신호들은 특정 관심 주파수를 포함하는 신호 성분과 잡음을 포함하는 신호 성분을 포함하는 다수의 신호 성분으로 구성되는 복소 신호일 수 있다. 그러나, 머신 출력 신호 내에 존재하는 잡음의 크기로 인해서, 관심 주파수를 포함하는 신호 성분을 분리하는 것이 어려워진다. 또한, 몇몇 경우에, 관심 주파수를 포함하는 신호 성분은 이 성분이 잡음 성분으로부터 구별가능하지 않을 때에는 잡음 성분으로부터 용이하게 분리되지 않는다.
관심 주파수를 포함하는 복소 신호 성분을 분리시키는 것을 용이하게 하기 위해서, 적어도 몇몇 모니터는 주파수의 범위를 샘플링된 신호로부터 관심 주파수를 포함하는 주파수의 대역까지 좁히는 필터를 사용한다. 동작 주파수 범위가 좁아지면, 관심 주파수는 그 주파수 대역 내에서 검출될 수 있다. 그러나, 관심 주 파수를 포함하는 복소 신호 성분이 잡음 성분으로부터 구별가능하지 않을 때에는 모든 스펙트럼 피크가 관심 주파수보다는 잡음 주파수를 나타낸다. 스펙트럼 피크 중 하나를 임의적으로 선택하면 랜덤한 결과가 산출되어서 관심 주파수를 분리시킬 수 있는 가능성이 작아진다. 이로써, 주파수 대역 내로부터 관심 주파수를 구별하는 것이 어려워진다.
머신의 관심 주파수를 포함하는 신호 성분을 격리하는 것을 보다 용이하게 하기 위해서, 적어도 몇몇 모니터는 적어도 하나의 발진기를 사용한다. 이 발진기는 입력 복소 신호의 사전 결정된 관심 주파수를 기반으로 하여 발진기의 발진 주파수를 조절함으로써 입력 복소 신호의 신호 대 잡음 비를 개선하는 것을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 이러한 프로세스는 때때로 주파수 정류 프로세스로 지칭된다.
적어도 몇몇 알려진 발진기는 사전 규정된 파라미터의 세트 내에서 발진하는 물리적 아날로그 디바이스를 포함한다. 가령, 발진기는 사전 결정된 주파수 또는 주파수 범위에서 사전 규정된 진폭 또는 진폭의 범위를 갖는 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 발진기는 사전 결정된 기간 내에서 사전 결정된 개수의 사이클 동안 2 개의 값 간에서 전후로 진동하는 진폭을 갖는 연속 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 이와 달리, 적어도 몇 개의 알려진 발진기는 물리적 아날로그 디바이스의 전자적 컴퓨터 시뮬레이션으로서 구성되어서 그 출력 신호들이 기반으로 하는 물리적 아날로그 모델에 실질적으로 유사한 해당 출력 신호를 생성한다.
이들 발진기는 섭동(perturbation)이 도입되기까지 실질적으로 안정된 주파수를 갖는 안정된 상태로 발진할 수 있도록 구성된다. 이러한 발진기는 또한 섭동이 이전의 안정된 발진기로 도입될 때에 발진기가 섭동의 특성과 유사한 특성을 갖는 교번하는 실질적으로 안정된 상태로 이동하도록 구성된다. 가령, 이러한 발진기는 관심 주파수의 차수 내에 존재하는 안정된 발진 주파수로 발진하도록 구성된다. 상술한 바와 같은 관심 주파수 성분 및 잡음 성분을 갖는 복소수 입력 신호가 소정의 조건 하에서 발진기로 입력될 때, 이 발진기는 그의 발진 주파수를 시프트하여 관심 주파수와 실질적으로 유사하게 한다. 이렇게 생성된 발진기로부터의 출력 신호는 잡음 성분 진폭의 감소로 인해서 관심 주파수에 실질적으로 근사한 상당한 피크를 갖는 주파수 스펙트럼에 의해서 표현될 수 있다. 따라서, 관심 주파수에서 신호의 상대 진폭은 잡음에 비해 증가한다.
주파수 정류의 완료에 따라, 주파수 추출을 사용하여 관심 주파수 신호를 생성하고 이 신호는 후속하는 머신 상태 모니터링에서 사용될 것이다.
상술한 발진기의 전자 컴퓨터화된 모델이 주파수 정류를 실행하는 경우, 관련 구성은 머신 오동작의 존재 여부를 결정하는데 있어서 상당량의 컴퓨팅 자원을 소비하고 원하지 않는 지연을 양산하게 되는 알고리즘 세트를 사용하게 된다.
일 측면에서, 머신의 상태를 모니터링하는 방법이 제공된다. 이 방법은 머신으로부터 다수의 신호 성분을 포함하는 입력 복소 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 다수의 신호 성분은 사전 결정된 관심 주파수를 포함하는 적어도 하나의 신호 성분 및 잡음을 포함하는 적어도 하나의 신호 성분을 포함한다. 이 방법은 입력 복소 신호를 처리하여 다수의 신호 성분을 포함하는 출력 복소 신호를 생성하는 단계를 더 포함한다. 다수의 신호 성분은 사전 결정된 관심 주파수를 포함하는 적어도 하나의 신호 성분 및 잡음을 포함하는 적어도 하나의 신호 성분을 포함한다. 입력 복소 신호를 처리하는 단계는 고정 스텝 적분(fixed-step integration)을 실행하는 단계 및 출력 복소 신호를 처리하여 고장(fault)의 존재 여부를 평가하는 단계를 포함한다.
다른 측면에서, 모니터링 시스템이 제공된다. 이 모니터링 시스템은 머신으로부터 수신된 아날로그 사인파 신호(analog, sinusoidal signal)를 다수의 신호 성분을 포함하는 디지털 입력 복소 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함한다. 다수의 신호 성분은 사전 결정된 관심 주파수를 포함하는 적어도 하나의 신호 성분 및 잡음을 포함하는 적어도 하나의 신호 성분을 포함한다. 이 시스템은 다수의 가속형 적분 알고리즘을 사용하여 입력 복소 신호를 처리하여 출력 복소 신호를 생성하는 주파수 정류기를 더 포함한다. 출력 복소 신호는 다수의 신호 성분을 포함한다. 다수의 신호 성분은 사전 결정된 관심 주파수를 포함하는 적어도 하나의 신호 성분 및 잡음을 포함하는 적어도 하나의 신호 성분을 포함한다. 시스템은 적어도 하나의 시간 영역 대 주파수 영역 변환기를 포함하는 적어도 하나의 주파수 추출 디바이스 및 주파수 정류기로부터의 출력 복소 신호를 처리하여 고장의 존재의 여부를 평가하는 모니터링 및 진단 서브시스템을 더 포함한다.
또 다른 측면에서, 주파수 정류 시스템이 제공된다. 이 주파수 정류 시스템은 머신으로부터 수신된 아날로그 사인파 신호를 다수의 신호 성분을 포함하는 디지털 입력 복소 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함한다. 다수의 신호 성분은 사전 결정된 관심 주파수를 포함하는 적어도 하나의 신호 성분 및 잡음을 포함하는 적어도 하나의 신호 성분을 포함한다. 시스템은 다수의 가속형 적분 알고리즘을 구비함으로써 입력 복소 신호를 처리하여 출력 복소 신호를 생성하는 주파수 정류기를 더 포함한다. 출력 복소 신호는 다수의 신호 성분을 포함한다. 다수의 신호 성분은 사전 결정된 관심 주파수를 포함하는 적어도 하나의 신호 성분 및 잡음을 포함하는 적어도 하나의 신호 성분을 포함한다.
도 1은 복소 신호로부터 관심 신호를 구별하는데 사용될 수 있는 시스템(30)의 예시적인 실시예이다. 이 시스템(30)은 트랜스듀서(34), 아날로그-디지털(A/D) 변환기(36), 발진기(38), 변환 디바이스(40), 및 출력 디바이스(42)를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 발진기(38)는 변환 디바이스(40)와 출력 디바이스(42)를 포함한다. 트랜스듀서(34)는 전기 모터의 회전자 축(shaft) 및/또는 터빈의 케이싱(casing)과 같은 모니터링될 머신(32)에 결합될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 본 실시예에서, 트랜스듀서(34)는 전자기 신호에서의 변화를 감지하는 전자기 센서이다. 이러한 신호 변화는 회전과 같은 머신의 진동에 의해 생성된다. 물론, 트랜스듀서(32)는 진동 탐침(probe)과 같은 또 다른 형식의 센서가 될 수 있 다.
예시적인 실시예에서, 발진기(38)는 Van der Pol 발진기이다. 이와 달리, 발진기(38)는 일반적인 발진기가 될 수 있다. 변환 디바이스(40)는 시간 영역으로부터 주파수 영역으로 신호를 변환하는 푸리에 변환 디바이스이다. 가령, 일 실시예에서, 푸리에 변환 디바이스는 고속 푸리에 변환 디바이스이다. 출력 디바이스(42)는 음극선관과 같은 디스플레이 장치를 포함한다.
본 실시예에서의 동작에 있어서, 트랜스듀서(34)는 머신(32) 주위에 전자기장과 같은 장(field)을 생성한다. 머신(32)은 전자기장 내에서 발진하고 이러한 발진은 머신 출력 신호(44)를 생성시킨다. 트랜스듀서(34)는 머신 출력 신호(44)를 감지하고 그 신호(44)를 기반으로 하여, A/D 변환기(36)에 의한 수신에 적합한 형태를 갖는 아날로그 신호(36)를 생성한다. A/D 변환기(36)는 아날로그 신호(46)를 수신하여 그 신호(46)를 아날로그 형태로부터 디지털 형태로 변환한다.
일반적으로, 발진기(38)와 같이, 시스템(30)에서 사용하기 적합한 발진기는 다음과 같은 2차 미분 방정식에 의해 제어되는 동작 특성을 가질 수 있다.
Figure 112006073081953-pat00001
(1)
여기서, '*'는 곱셈을 나타내고, x는, 가령, 변위와 같은 임의의 변수를 나타내며, t는 시간을 나타내고, d/dt는 시간에 대한 미분함수를 나타내며, (t)는 시간 함수로서의 변수를 나타내고, (dx(t)/dt)는 시간에 대한 변위의 미분 함수, 즉, 속도를 나타내며, d2x(t)/dt2는 시간에 대한 속도의 미분 함수, 즉,가속도를 나타내 고, z는 댐핑 상수를 나타내며, -z*(1-x(t)2)*(dx(t)/dt)는 댐핑 조건을 나타내고, w는 안정된 주파수를 나타내며, g*cos(w D*t)는 주기적인 구동(또는, 강제) 함수를 나타내고, g는 상수를 나타내며, w D는 구동 주파수를 나타내고, cos(w D*t)는 삼각 함수를 나타낸다. 이와 달리, sin(w D*t)가 사용될 수 있다. x와 그 미분 함수에 대한 방정식(1)의 해답은 시간 동안 변화하고 비선형 동적 발진 출력을 생성한다.
구동 함수가 존재하지 않는 경우, 방정식(1)은 다음과 같은 형태를 취한다.
Figure 112006073081953-pat00002
(2)
댐핑 상수 z가 0으로 설정되는 경우, 방정식(2)은 다음과 같은 형태를 취한다.
Figure 112006073081953-pat00003
(3)
이것은 간단한 고조파 움직임에 대한 일반적인 방정식의 형태이고, 발진기(38)의 간단한 알고리즘을 나타낸다.
상술한 바와 같이, A/D 변환기(36)는 발진기 입력 복소 신호(48)를 출력하는데, 발진기 입력 복소 신호(48)는 사전 결정된 샘플링 비율로 사전 결정된 주기에서 생성된 다수의 디지털화된 신호(46) 샘플을 포함하는데, 이 주기는 샘플링 시간 스텝으로 지칭된다. 신호(48)는 또한 관심 주파수와 잡음 성분을 포함하는 성분을 포함한다. 입력 복소 신호(48)의 관심 주파수 성분은 입력 복소 신호(48)의 잡음 성분으로부터 구별할 수 없다. 관심 주파수의 예는 머신(32)의 발진의 자연 주파수이다. 자연 주파수는 머신(32) 상의 라벨(label) 상에 디스플레이될 수 있다. 머신(32)의 자연 주파수와 발진기(38)의 자연 주파수는 동일하거나 동일하지 않을 수 있다.
발진기(38)에 신호(48)를 도입하기 전에, 상술한 바와 같이 발진기(38)는 사전 결정된 자연 주파수로 발진할 수 있다. 관심 주파수 성분과 잡음 성분을 포함하는 신호(48)가 발진기(38)로 도입되는 경우, 발진기(38) 발진 주파수는 관심 주파수로 시프트할 수 있는데, 즉, 발진기(38) 주파수는 신호(48)의 관심 주파수 성분과 동기화할 수 있고 신호(48)의 잡음 성분은 상술한 바와 같이 처리될 수 있다. 발진기 출력 복소 신호(50)는 최소화된 신호(50)의 연관된 잡음 성분에 대하여 외관상 증가한 진폭에 도달하는 관심 주파수를 포함하는 신호 성분을 포함한다. 따라서, 신호(50)는 신호(48)에 대한 신호 대 잡음 비율보다 더 높은 비율을 가질 수 있고, 이로써 출력(50)의 관심 주파수 성분은 잡음 성분과 구별할 수 있게 된다.
변환 디바이스(40)는 출력 복소 신호(50)를 수신하고, 그 신호(50)를 시간 영역으로부터 주파수 영역으로 변환하여 신호(50)로부터 관심 주파수의 후속하는 추출을 용이하게 한다. 일 실시예에서, 변환 디바이스(40)는 푸리에 변환을 적용하거나, 또는 고속 푸리에 변환을 적용한다. 변환 디바이스(40)는 주파수 영역 신호(52)를 디스플레이하는 출력 디바이스(42)로 주파수 영역 신호(52)를 출력한다.
운용자는 출력 디바이스(42)를 보고, 측정된 주파수가 사전 결정된 주파수 영역 내에 있는지 또는 사전 결정된 변동범위 내에 있는지 여부를 평가함으로써 머신(32)이 적절하게 동작하고 있는지 여부를 결정한다. 머신(32)이 적절하게 동작 하고 있지 않은 경우, 운용자는 머신(32)의 동작을 향상시키기 위해서 수리 센터를 부르는 등의 조치를 취한다. 가령, 머신(32)이 사전 결정된 주파수 범위 외 또는 변동범위 외의 주파수로 발진하는 경우, 머신(32)은 적절하게 동작하지 않도록 결정될 수 있다.
도 2는 시스템(30)(도 1에 도시)에서 사용될 수 있는 예시적인 간단한 고조파 발진기의 예시적인 변위 대 시간 행동을 나타내는 그래프이다. 간단한 고조파 발진기 시간 영역 그래프(45)는 방정식(3)에 나타낸 바와 같이 발진기(38)의 간단한 고조파 실시예의 일반적인 행동을 나타내는 그래프이다. 그래프(45)는 가로축(x축)에 나타낸 변위 x(t)와, 세로축(y축)에 나타낸 시간 t와, x(t)의 진폭과 w의 주파수를 갖는 반복적인 사인 곡선을 포함한다.
도 3은 시스템(30)(도 1에 도시)에서 사용될 수 있는 예시적인 간단한 고조파 발진기의 예시적인 위상을 나타내는 그래프이다. 간단한 고조파 발진기 위상(때때로 위상도 또는 위상평면으로 지칭) 그래프(47)는 가로축에 나타낸 변위 x(t)와 세로축에 나타낸 속도 dx(t)/dt를 포함한다. 방정식(3)에 대한 일반적인 해답의 행동은 시간 t에 대한 발진 방향을 도시하는 화살표를 갖는 반복적인 원형 패턴에 의해 나타난다. 이 방정식 (1),(2), 및 (3)에 유사한 방정식에 대한 해답은 후술하는 바와 같이 일반적으로 수치 적분 기술을 사용한 컴퓨터에 의해 이행된다.
이 방정식(2)을 참조하면, 댐핑 조건 -z*(1-x(t)2)*(dx(t)/dt)는 발진기(38)의 동작 특성을 결정할 수 있다. 가령, x(t)의 값은 (1-x(t)2)이 0 이하가 되도록 하면, 댐핑 조건 -z*(1-x(t)2)*(dx(t)/dt)는 양수가 되고 x(t)를 위한 방정식(2)의 해답은 0으로 향하여 구해진다. 이 방식으로, 진폭에 있어서 큰 발진이 댐핑된다. 또한 x(t)의 값은 (1-x(t)2)이 0 이상이 되도록 하면, 댐핑 조건 -z*(1-x(t)2)*(dx(t)/dt)는 음수이며, x(t)에 대한 방정식(2)의 해답은 0으로부터 떨어진 값으로 구해진다. 이러한 방식으로, 진폭에서의 작은 진동이 확대된다.
도 4는 시스템(30)(도 1에 도시)에서 사용될 수 있는 예시적인 발진기의 예시적인 변위 대 시간 행동을 나타내는 그래프이다. 댐핑된 고조파 발진기 시간 영역 그래프(49)는 방정식(2)에서 나타낸 바와 같이 발진기(38)의 댐핑된 고조파 실시예의 일반적인 행동을 나타내는 그래프이다. 발진기(38) 발진이 시간 t=0으로 초기화되는 경우, x(t)는 연속적으로 증가하는 일련의 진폭을 통하여 변화할 수 있고 주기상에서 발진기(38)는 실질적으로 안정한 사인 행동에 접근할 수 있다.
도 5는 시스템(30)(도 1에 도시)에서 사용될 수 있는 예시적인 발진기의 예시적인 위상을 나타내는 그래프이다. 댐핑된 고조파 발진기 위상 그래프(51)는 가로축에 나타낸 변위 x(t)와 세로축에 나타낸 속도 dx(t)/dt를 포함하는 위상을 도시한다. 방정식(2)에 대한 일반적인 해답의 초기 행동은 화살표로 도시된 시간 t에 대한 발진의 방향으로 초기 궤적에 의해 나타난다. 이어서, 발진기(38)의 행동은 제한된 사이클로 지칭될 수 있는 폐궤적에 점근적으로 접근하는데, 즉, 발진기(38)는 실질적으로 안정한 주파수 w로 발진할 수 있다. 이 상태는 일반적으로 안정된 발진기 상태로서 정의될 수 있다.
안정된 상태에서, 발진기(38)는 입력 신호(48)의 값에 관계없이 발진하기 위한 바이어스를 가질 수 있다. 가령, 신호(48)가 없는 경우, 발진기(38)는 평형을 유지하고 운용자에 의해 사전 결정된 파라미터의 선택에 의해 바이어스된 발진 주파수와 진폭을 가지며 실질적으로 안정한 내부 발진 신호를 유도할 수 있다. 실질적으로 안정한 내부 발진 주파수는 종종 발진기의 자연 주파수로 지칭된다. 이 상태에서, 발진기(38)로부터의 출력(50)은 발진기(38)의 발진에 의해 생성되는 것에 실질적으로 유사한 진폭과 주파수를 포함할 수 있다. 발진기(38)의 자연 주파수는, 즉, 실험에 의한 동작 평가 또는 지식 베이스(knowledge base)로부터 결정될 수 있는 특정 관심 주파수의 차수 내에서와 실질적으로 동일하게 바이어스될 수 있다. 발진기(38) 파라미터의 운용자 조절을 통한 발진기(38)의 바이어스는 후술하는 바와 같은 컴퓨터를 통하여 수행된다.
도 6은 예시적인 발진기(38)의 출력(50)을 나타내는 그래프이다. 그래프(53)는 바이어스된 안정된 상태에서 발진기(38)에 대한 출력(50)을 도시한다. 그래프(53)는 가로축에 나타낸 변위 x(t)와, 세로축에 나타낸 시간 t와, x(t)의 진폭과 w의 주파수를 갖는 반복적인 사인 곡선을 포함한다. 바이어스된 안정된 발진기 주파수 영역 그래프(54)는 바이어스된 안정된 발진기(38)에 대한 출력(52)의 주파수 스펙트럼을 도시한다. 그래프(54)는 가로축에 나타낸 변위 x(t)와, 세로축에 나타낸 주파수와, x(t)의 진폭과 주파수 w에서의 진폭 x(t)를 갖는 스펙트럼 피크(peak)를 포함한다.
이 방정식(1)을 참조하면, 구동 함수 g*cos(w D*t)가 도입되는 경우, x(t)에 대한 해답과 발진기(38)의 행동이 바뀔 수 있다. 이 예에서 w와 w D는 동일하지 않다. 그러나, 이것들은 서로의 차수 내에 있도록 고려될 수 있다. 구동 함수의 도입은 주기상에서의 w로부터 w D로 발진기(38)의 주파수를 시프트한 발진기(38)에 섭동을 도입한다. 발진기(38)는 결국 바뀌고 실질적으로 안정한 발진 주파수 w D에 도달한다. 이 상태는 주파수 고정(frequency locking) 또는 주파수 동기화로 지칭될 수 있고, 발진기(38)는 바뀐 평형 상태에 도달한다. 구동 함수의 진폭이 충분히 크고, 안정된 발진기 상태와 구동 함수의 진폭이 실질적으로 상수이고, w와 w D간의 차이가 작고, w와 w D가 실질적으로 상수인 경우, 주파수 동기화가 용이하게 된다.
상술한 구동 함수와 유사한 발진기 입력 복소 신호(48)의 발진기(38)로의 초기 전송은 발진기(38)의 평형을 방해한다. 그러나, 한 주기 후에, 발진기(38)는 평형이 달라지면서 변경된 바이어싱 상태에 도달할 수 있다. 변경된 상태에 있는 동안, 발진기 출력 복소 신호(50)도 또한 변경되어 발진기(38)의 자연 주파수와 약간 다를 수 있는 입력(48)의 관심 주파수 성분과 실질적으로 유사한 주파수 값에 도달할 수 있다. 이 상태에 도달하는 경우, 발진기(38) 발진은 입력(48)과 동기화된다. 이 상태가 존재하는 때의 출력(50)을 나타내는 그래프는 상술한 도 6에서의 그래프(53)와 실질적으로 유사할 수 있다.
추가적인 랜덤 잡음 성분, 가령, 백색 잡음(white noise)이 구동 함수와 함 께 도입된다면, 방정식의 해답은 바뀔 것이다. 후속하는 방정식은 이 상태를 나타낸다.
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(4)
여기서, Noise(t)는 시간에 따라 변할 수 있는 랜덤 잡음 성분을 나타낸다. 랜덤 잡음 성분은 주파수 스펙트럼 내에서 주파수와 진폭을 변화시키는 다수의 랜덤 잡음 신호를 포함한다.
도 7은 발진기(38)로의 입력 신호(48)의 예시적인 잡음 성분을 나타내는 그래프이다. 잡음 성분 시간 영역 그래프(55) 상에서, 랜덤 잡음 성분은 일반적으로 진폭(세로축) 대 시간(가로축)을 빠르게 시프트함으로써 나타날 수 있다. 잡음 성분 주파수 영역 그래프(56) 상에서, 잡음 성분은 스펙트럼에 걸쳐서 다수의 주파수에 대하여 계속하여 빠르게 시프트한 진폭(세로축)을 갖는 주파수 스펙트럼(가로축)에 의해 나타날 수 있다. w와 w D를 포함하는 주파수 범위에서의 주파수의 진폭은 방정식(1)의 구동 함수 성분에서보다 잡음 성분에서 더 클 수 있고, 이에 의하여 관심 주파수가 잡음 속에 "묻혀버린다". 랜덤 잡음 신호의 중요한 소부분을 적분하는 것을 막기에 충분히 큰 적분 시간 스텝이 사전 결정될 수 있다. 주파수 스펙트럼에 걸쳐서 진폭을 빠르고 랜덤하게 시프트한 것을 포함하는 잡음 성분의 시간에 대한 다수의 적분은 해답에 미치는 잡음 성분의 효과를 최소화한다. 댐핑 조건은 상술한 행동을 통한 해답에 미치는 잡음의 효과를 더 최소화한다. 따라서, 잡음 성분을 포함하는 방정식(4)에 대한 해답은 잡음 성분을 포함하지 않는 방정식(1)에 대한 해답과 실질적으로 유사하다. 이어서, 발진기(38)는 w D의 주파수로 발진할 수 있다.
도 8은 발진기(48)의 예시적인 출력을 나타내는 그래프이다. 발진기 출력 시간 영역 그래프(57)에서 구별할 수 있는 관심 주파수는 신호(48)에서의 잡음 성분의 도입에 후속하는 시간 영역에서의 발진기(38)의 출력을 나타낸다. 그래프(57)는 가로축에 나타낸 변위 x(t)와, 세로축에 나타낸 시간 t와, x(t)의 진폭과 w D의 주파수를 갖는 반복적인 사인 곡선을 포함한다. 발진기 출력 주파수 영역 그래프(58)에서 구별 가능한 관심 주파수는 신호(48)에서의 잡음 성분의 도입에 후속하는 주파수 영역에서의 신호(52)를 나타낸다. 그래프(58)는 가로축에 나타낸 변위 x(t), 세로축에 나타낸 주파수, 및 주파수 w D에서의 x(t)의 진폭을 갖는 스펙트럼 피크를 포함한다.
변환 디바이스(40)(도 1에 도시)는 출력 복소 신호(50)(도 1에 도시)를 수신하고 신호(50)를 시간 영역으로부터 주파수 영역으로 변환하여 신호(50)로부터 후속하는 관심 주파수의 추출을 용이하게 한다. 일 실시예에서, 변환 디바이스(40)는 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환을 적용한다. 변환 디바이스(40)는 주파수 영역 신호(52)를 디스플레이하는 출력 디바이스(42)(도 1에 도시)로 주파수 영역 신호(52)(도 1에 도시)를 출력한다. 입력 신호(48)(도 1에 도시)에 동기화된 발진기(38)(도 1에 도시)를 나타내는 그래프는 주파수 w D에서 주파수 피크가 발생하는 것을 제외하고는 그래프(54)(도 6에 도시)와 실질적으로 유사하다.
도 9는 발진기(38)와 변환 디바이스(40)의 예인 시스템(30)(도 1에 도시)에서 사용될 수 있는 컴퓨터(60)의 예시적인 실시예의 블록도이다. 컴퓨터(60)는 프로세서(62), 메모리(64), 입력 디바이스(66), 및 출력 디바이스(42)를 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 컴퓨터는 본 기술 분야에서 컴퓨터로서 지칭되는 집적 회로로만 한정되는 것이 아니라, 프로세서, 마이크로콘트롤러, 마이크로컴퓨터, 프로그램가능한 로직 콘트롤러, 애플리케이션 특정 집적 회로, 및 다른 프로그램가능한 회로를 널리 지칭하며, 본 명세서에서 이들 용어는 상호교환하여 사용된다. 예시적인 실시예에서, 메모리(64)는 랜덤 액세스 메모리와 같은 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 달리, 플로피 디스크, CD-ROM, MOD(magneto-optical disk), 및/또는 DVD도 사용될 수 있다. 또한, 예시적인 실시예에서, 입력 디바이스(66)는 마우스 및 키보드와 같은 컴퓨터 주변 장치를 나타내지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 또는, 다른 컴퓨터 주변 장치, 가령 스캐너도 사용될 수 있다.
프로세서(62)는 발진기(38)(도 1에 도시)와 변환 디바이스(40)(도 1에 도시)를 시뮬레이팅하는 적어도 하나의 발진기와 적어도 하나의 변환 디바이스 중 컴퓨터화된 모델을 포함한다. 프로세서(62)는 A/D 변환기(36)로부터 입력 복소 신호(48)를 수신하고, 신호(48)를 처리한다. 프로세서(62)는 발진 주파수가 신호(48)의 관심 주파수 성분의 주파수와 동기화할 수 있도록 다수의 동작 파라미터를 조절하고 다수의 알고리즘을 실행함으로써 신호(48)를 처리한다. 프로세서(62)는 메모리 신호(68)를 통한 메모리(64)로부터 동작 파라미터를 검색한다. 운용자 는 입력 디바이스(66)를 작동하여 입력 신호(70)를 통한 프로세서(62)에 동작 파라미터를 제공한다. 또는, 운용자는 프로세서 동작 파라미터를 조절하여 입력 복소 신호(48)의 관심 주파수 성분의 주파수에서의 주파수와 실질적으로 유사하게 되는 자연 발진 주파수를 바이어스할 수 있다. 프로세서(62)는 출력 복소 신호(50)를 생성한다. 또한, 프로세서(62)는 출력 복소 신호(50)를 시간 영역으로부터 주파수 영역으로 변환한 후, 다수의 알고리즘을 실행함으로써 주파수 영역 신호(52)를 출력한다.
도 10은 시스템(30)(도 1에 도시)에서 사용될 수 있는 발진기(38)(도 1에 도시)의 발진 주파수를 변조하는 예시적인 방법(80)의 흐름도이다. 방법(80)은 수신한 입력 복소 신호 단계(82)를 포함한다. 방법(80)은 입력 주파수 신호 단계(84)를 처리하는 단계를 더 포함한다. 다수의 동작 파라미터를 조절하고 프로세서(60)(도 9에 도시) 내에서 다수의 알고리즘을 실행함으로써 처리 단계가 이행되어, 이어서 입력 복소 신호(48)(도 1에 도시)의 관심 주파수와 거의 동일하도록 발진기(38)의 컴퓨터화된 모델의 발진 주파수를 조절한다. 방법(80)은 출력 복소 신호 단계(86)를 생성하는 단계를 더 포함한다. 결정 단계(88)는 발진 주파수가 입력 복소 신호(48)의 입력 관심 주파수와 거의 동일한지 여부에 대한 결정을 생성하는 단계를 포함한다. 결정 단계(88)가 발진 주파수가 관심 주파수와 거의 동일하지 않다고 나타내면, 프로세서(60)의 다수의 동작 파라미터가 조절되고 다수의 알고리즘이 실행되어 발진기(38)의 컴퓨터 모델의 발진 주파수를 입력 복소 신호(48)의 관심 주파수로 시프트한다. 또 다른 입력 복소 신호(48)가 수신되는 경우, 방 법(80)이 반복된다.
도 11은 시스템(30)(도 1에 도시)에서 사용될 수 있는 복소 신호로부터 관심 신호를 구별하는데 사용될 수 있는 시스템(90)의 다른 예시적인 실시예의 블록도이다. 시스템(90)은 발진기(38)(도 1에 도시)의 예시적인 실시예인 발진기(92)를 포함한다. 시스템(90)은 제 1 곱셈기(94), 가산기(96), 제 2 곱셈기(98), 삼각 함수 디바이스(100), 클록 신호 생성기(102), 다수의 스위치(104, 106), 및 다수의 단자(terminal)(108, 110, 112, 114)를 더 포함한다. 클록 신호 생성기(102)는 수정 진동자를 포함한다. 삼각 함수 디바이스(100)는 사인 함수나 코사인 함수와 같은 삼각 함수를 실행한다. 곱셈기(94, 98) 각각은 증폭기를 포함할 수 있다.
클록 신호 생성기(102)는 발진하여 사전 결정된 주파수, 가령 초당 1라디안(rad/sec)을 포함하는 클록 신호(116)를 생성한다. 곱셈기(98)는 클록 주파수 신호(116)를 수신하고, 주파수 신호(116)를, 가령 0.95와 같은 무차원 상수와 곱하여, 가령, 0.95rad/sec처럼 곱해진 클록 주파수 신호(118)를 출력한다. 삼각 함수 디바이스(100)는 곱해진 클록 주파수 신호(118)를 수신하고 신호(118)상에서 삼각 알고리즘을 실행하여 관심 입력 클록 신호(120)를 생성한다. 신호(120)의 예는 sin((0.95rad/sec)*t)인데, 여기서 '*'는 곱셈 함수를 나타내고, t는 초 단위 시간이다. 이와 달리, 신호(120)는 cos((0.95rad/sec)*t)가 될 수 있다. 신호(120)는 상술한 바와 같이 발진기(92)를 관심 주파수로 동기화하는데 사용될 수 있다.
도 12는 시스템(90)(도 11에 도시)에서 사용될 수 있는 예시적인 관심 입력 클록 신호(120)를 나타내는 그래프이다. 그래프(122)는 시간 영역에서의 예시적인 관심 입력 클록 신호의 예를 도시한다. 그 진폭은 세로축에 도시되고, 초 단위 시간은 가로축에 도시된다. 그래프(122)는 대략 1의 진폭과 대략 0.95rad/sec의 주파수를 갖는 실질적으로 안정하고 반복적인 사인 곡선으로서의 신호(120)를 도시한다. 그래프(124)는 주파수 영역에서의 예시적인 관심 입력 클록 신호(120)의 예를 도시한다. 그 진폭은 세로축에 도시되고 rad/sec 단위의 주파수는 가로축에 도시된다. 그래프(124)는 대략 0.95rad/sec에서 주파수 피크를 갖고 대략 1의 진폭을 가질 때의 신호(120)를 도시한다.
곱셈기(94)는 잡음 신호(170)를 수신한다. 잡음 신호(170)는 관심 입력 클록 신호(120)와 구별될 수 없는 잡음을 나타낸다. 곱셈기(94)는 잡음 신호(170)를 인수(factor)와 곱하여 그 곱해진 잡음 신호(200)를 생성한다. 인수의 예는 1, 2, 또는 3과 같은 상수를 포함한다. 잡음 신호(170)를 증폭하는 목적은 상당한 잡음 성분을 관심 주파수를 포함하는 신호와 의도적으로 결합시켜 잡음으로부터 관심 주파수를 구별함에 있어서 발진기(92)의 유효성을 평가하는 것이다.
도 13은 시스템(90)(도 11에 도시)에서 사용될 수 있는 예시적인 잡음 신호(170)를 나타내는 그래프이다. 그래프(172)는 시간 영역에서의 예시적인 잡음 신호(170)를 도시한다. 진폭은 세로축에 도시되고, 초 단위 시간은 가로축에 도시된다. 그래프(172)는 진폭과 주파수를 변화시키는 불안정하고 랜덤한 곡선으로서의 신호(170)를 도시한다. 그래프(174)는 주파수 영역에서의 예시적인 잡음 신호(170)의 예를 도시한다. 진폭은 세로축에 도시되고 rad/sec 단위의 주파수는 가로축에 도시된다. 그래프(174)는 진폭과 주파수를 변화시키는 주파수의 스펙트럼 으로서의 신호(170)를 도시한다. 그래프(174)에서 도시된 잡음 신호(170)의 진폭은 특정 지점의 시간에서의 정적 투시도를 나타낼 수 있고, 다수의 잡음 성분 진폭은 시스템(90)에서 동적일 수 있음에 유의한다. 대략 0.95rad/sec에서의 주파수 스펙트럼의 진폭이 신호(120)의 진폭인 1보다 크다는 점도 또한 유의한다. 상술한 바와 같이, 곱셈기(94)와 결합된 이 상태는 곱해진 잡음 신호(200) 속에 후속하는 관심 주파수를 "묻히기(bury)"에 용이할 수 있다.
가산기(96)는 곱해진 잡음 신호(200)를 관심 입력 클록 신호(120)와 더하여 증폭된 잡음 성분과 관심 성분의 주파수를 포함하는 입력 복소 신호(202)를 생성한다.
스위치(106)가 단자(114)에 접속되는 경우, 발진기(92)는 사전 결정된 입력 신호(204)가 0, 즉 신호가 존재하지 않는 입력 신호(204)를 수신한다. 또한, 발진기(92)는 입력 복소 신호(202)를 수신하지 않는다. 발진기(92)는 상술한 바와 같이 다수의 사전 결정된 파라미터를 선택한 운용자에 의해 결정된 자연 주파수로 발진한다. 출력 신호(206)는 이 자연 주파수를 포함한다. 스위치(104)의 위치는 이 경우에 관련되어 있지 않다.
도 14는 시스템(90)(도 11에 도시)에서 사용될 수 있는 예시적인 발진기 자연 주파수 출력 신호(206)를 나타내는 그래프이다. 그래프(201)는 시간 영역에서의 발진기 자연 주파수 출력 신호(206)의 예를 도시한다. 진폭은 세로축에 도시되고, 초 단위 시간은 가로축에 도시된다. 그래프(201)는 대략 1의 진폭과 대략 1rad/sec의 주파수를 갖는 실질적으로 안정하고 반복적인 사인 곡선으로서의 신 호(206)를 도시한다. 그래프(203)는 주파수 영역에서의 발진기 자연 주파수 출력 신호(206)의 예를 도시한다. 진폭은 세로축에 도시되고, rad/sec 단위 주파수는 가로축에 도시된다. 그래프(203)는 대략 1rad/sec에서 주파수 피크를 갖고 대략 1의 진폭을 가질 때의 신호(206)를 도시한다.
스위치(104)가 단자(110)에 접속되는 경우, 곱셈기(94)는 0인 입력 신호(204)를 수신하고 또한 0인 곱해진 잡음 신호(200)를 출력한다. 곱해진 잡음 신호(200)가 수신되는 경우, 가산기(96)는 신호(200)와 관심 입력 클록 신호(120)를 더하여 입력 복소 신호(202)를 생성한다. 이 경우, 곱해진 잡음 신호(200)가 0인 경우, 입력 복소 신호(202)는 관심 입력 클록 신호(120)와 동일하다. 스위치(106)가 단자(112)에 접속되는 때에 발진기(92)는 입력 복소 신호(202)를 수신한다. 입력 복소 신호(202)가 수신되는 경우, 발진기(92)는 그 발진 주파수를 상술한 바와 같이 신호(202)의 주파수와 동기화하는데, 이 경우, 입력 복소 신호(202)는 관심 입력 클록 신호(120)와 실질적으로 동일하고, 관심 주파수와 실질적으로 유사한 주파수를 갖는 출력 복소 신호(206)를 생성한다.
도 15는 입력 신호(202)가 입력 클록 신호(120) 성분만을 포함하는 시스템(90)(도 11에 도시)에서 사용될 수 있는 예시적인 발진기 출력 복소 신호(206)를 나타내는 그래프이다. 그래프(205)는 시간 영역에서의 발진기 출력 복소 신호(206)의 예를 도시한다. 진폭은 세로축에 도시되고, 초 단위 시간은 가로축에 도시된다. 그래프(205)는 대략 1의 진폭과 대략 0.95rad/sec의 주파수를 갖는 실질적으로 안정하고 반복적인 사인 곡선으로 신호(206)를 도시한다. 그래프(207)는 주파수 영역에서의 발진기 출력 복소 신호(206)의 예를 도시한다. 진폭은 세로축에 도시되고, rad/sec 단위의 주파수는 가로축에 도시된다. 그래프(207)는 대략 0.95rad/sec에서 주파수 피크를 갖고 대략 1의 진폭을 가질 때의 신호(206)를 도시한다.
스위치(104)가 단자(108)에 접속될 때, 관심 주파수와 그 부근에서의 잡음 신호(200)의 진폭이 신호(202)의 임의의 다른 성분에서보다 신호(202)의 잡음 성분에서 더 크도록, 즉, 관심 주파수가 "묻히도록" 곱셈기(94)는 발진 잡음 신호(170)를 수신하고 신호(170)를 상술한 인자와 곱하여 그 곱해진 발진 잡음 신호(200)를 생성한다. 가산기(96)는 곱해진 발진 잡음 신호(200)를 관심 입력 클록 신호(120)에 더하여 입력 복소수 발진 신호(202)를 출력한다. 스위치(106)가 단자(112)에 접속하는 경우 발진기(92)는 입력 복소수 발진 신호(202)를 수신한다. 입력 복소수 발진 신호(202)가 수신되는 경우, 발진기(92)는 그 발진 주파수를 신호(202)의 주파수와 동기화하는데, 이 경우, 신호(202)는 관심 입력 클록 신호(120)와 실질적으로 동일하고, 관심 주파수와 실질적으로 유사한 주파수를 갖는 출력 복소수 발진 신호(206)를 생성한다. 신호(206)는 잡음 성분과 구별될 수 있는 관심 주파수 성분을 더 포함한다. 또한, 신호(206)는 주파수 정류를 실행한 신호(202)를 나타낸다.
도 16은 주파수 정류에 후속하는 출력 복소 신호(206)를 나타내는 시스템(90)(도 11에 도시)에서 사용될 수 있는 예시적인 발진기 출력 신호(206)를 나타내는 그래프이다. 그래프(208)는 시간 영역에서의 예시적인 발진기 주파수 정류 출력 복소 신호(206)의 예를 도시한다. 진폭은 세로축에 도시되고, 초 단위 시간은 가로축에 도시된다. 그래프(208)는 1에 실질적으로 근사한 진폭과 0.95rad/sec에 실질적으로 근사한 주파수를 갖는 실질적으로 안정적이고 반복적인 사인 곡선으로 신호(206)를 도시한다. 그래프(209)는 주파수 영역에서의 예시적인 주파수 정류 발진기 출력 복소 신호(206)의 예를 도시한다. 진폭은 세로축에 도시되고, rad/sec 단위의 주파수는 가로축에 도시된다. 그래프(209)는 0.95rad/sec의 양측으로 더 작은 피크를 갖는 0.95rad/sec에 실질적으로 근사한 주파수 피크를 갖고, 1보다 약간 작은 진폭, 즉, 대략 0.8을 가질 때의 신호(206)를 도시한다.
도 17은 시스템(90)(도 11에 도시)에서 사용될 수 있는 발진기(92)의 예시적인 실시예의 블록도이다. 발진기(92)는 다수의 적분기(260, 262), 삼각 함수 디바이스(100), 정적 모멘트 곱셈기(264), 곱셈기(266), 다수의 가산기(268, 270), 네거티브 댐핑 곱셈기(272), 및 관성의 역수 곱셈기(274)를 포함한다. 정적 모멘트 곱셈기(264), 네거티브 댐핑 곱셈기(272), 및 관성의 역수 곱셈기(274)는 증폭기를 포함할 수 있다.
입력 복소 신호(202)가 수신되는 경우, 곱셈기(266)는 신호(202)와 정적 모멘트 곱셈기 출력 신호(282)를 곱하여 곱셈기 출력 신호(284)를 출력한다. 가산기(268)는 곱셈기 출력 신호(284)와 네거티브 댐핑 곱셈기 출력 신호(286)를 수신하고, 신호(284)와 신호(286)를 더하여 가산기 출력 신호(288)를 생성한다. 가산기 출력 신호(288)가 수신되는 경우, 관성의 역수 곱셈기(274)는 신호(288)를 발진기(92)의 관성 I의 역수 1/I와 곱하여 관성의 역수 곱셈기 출력 신호(290)를 생성 한다. 적분기(260)는 관성의 역수 곱셈기 출력 신호(290)를 수신하고, 시간 동안 신호(290)를 적분하여 적분기 출력 신호(292)를 생성한다. 적분기 출력 신호(292)가 수신되는 경우, 가산기(270)가 신호(292)를 발진기(92)의 발진 주파수의 음의 값(294)에 더하여, 가산기 출력 신호(296)를 출력한다. 네거티브 댐핑 곱셈기(272)는 가산기 출력 신호(296)를 수신하고, 신호(296)를 발진기(92)의 댐핑 D의 음의 값과 곱하여, 네거티브 댐핑 곱셈기 출력 신호(286)를 생성한다. 적분기 출력 신호(292)가 수신되는 경우, 적분기(262)는 시간 t동안 신호(292)를 적분하여 적분기 출력 신호(298)를 생성한다. 삼각 함수 디바이스(100)가 적분기 출력 신호(298)를 수신하고 신호(298) 상의 삼각 함수를 실행하여 출력 복소 신호(206)를 생성한다. 출력 복소 신호(206)가 수신되는 경우, 정적 모멘트 곱셈기(264)가 신호(206)를 발진기(92)의 정적 모멘트 w와 곱하여 정적 모멘트 곱셈기 출력 신호(282)를 출력한다.
단자(314)가 하나의 시간 t에 적분기 출력 신호(292)를 적분기(262)에 접속하고 또 다른 시간 t에 적분기 출력 신호(292)를 가산기(270)에 접속하는 스위치를 포함한다는 것에 유의한다.
예시적인 실시예에서, 발진기(92)는 다음과 같이 나타난다.
Figure 112006073081953-pat00005
(5)
여기서, '*'는 곱셈을 나타내고, sin(u)은 출력 복소수 발진 신호(206)이고, d/dt는 시간 t에 대한 미분 함수를 나타내고, u는 발진기(92)의 발진과 같은 각 변동의 출력이다. 발진기(92)의 조절가능한 파라미터는 상술한 바와 같이 I, D, f, 및 w 를 포함한다. 이들 파라미터를 조절하는 목적은 발진기(92)를 바이어스하여 실질적으로 특정의 관심 주파수로 발진하는 것이다. 이들 파라미터는 컴퓨터(60)(도 9에 도시)를 통하여 조절될 수 있다.
발진기(92)를 특정의 관심 주파수로 바이어스하기 위한 파라미터의 세트의 예는 I = 1, D = 1, f = 1, 및 w = 0.5이다. 관심 입력 주파수가 0.95rad/sec가 되길 원하는 경우, 관심 입력 클록 신호(120)는 대략 0.95rad/sec로 조절될 수 있고, f는 대략 1rad/sec가 되도록 선택될 수 있다. 상술한 바와 같이 1rad/sec는 대략 0.95rad/sec와 동일하고 1 차수 범위 내임을 유의한다. 또 다른 예를 들면, 관심 주파수가 0.95rad/sec로 되길 다시 원하는 경우, 관심 입력 클록 신호(120)는 대략 0.95rad/sec로 조절될 수 있고, f는 0.90rad/sec와 1rad/sec 사이의 증분으로 선택될 수 있다. 0.9 및 1rad/sec가 대략 0.95rad/sec와 동일하고 1 차수 이내인 것에 다시 유의해야 한다.
따라서, 발진기(92)가 입력 복소 신호(202)를 수신하여 그 신호(202)의 주파수가 관심 주파수와 거의 동일한 경우, 상술한 바와 같이 발진기(92)는 입력(202)에 동기화한다.
발진기(92)에의 입력이 상술한 바와 같이 0의 값을 갖는 입력 신호(204)인 경우, 방정식(5)은 다음과 같이 된다.
Figure 112006073081953-pat00006
(6)
여기서, 발진기(92)는 상술한 바와 같이 자연 주파수로 발진할 수 있다.
도 18은 시스템(90)(도 11에 도시)에서 사용될 수 있는 Van der Pol 발진 기(320)의 예시적인 실시예의 블록도이다. Van der Pol 발진기(320)는 적분기(260, 262), 출력 신호와 진폭 디바이스(322), 스티프니스 곱셈기(34), 곱셈기(326), 댐핑 곱셈기(328), 가산기(268), 가산기(330), 및 질량의 역수의 음의 값 곱셈기(332)를 포함한다. 스티프니스 곱셈기(324), 질량의 역수의 음의 값 곱셈기(332), 및 댐핑 곱셈기(328)는 증폭기를 나타낼 수 있다.
입력 Van der Pol 복소 신호(340)와 가산기 출력 신호(342)가 수신되는 경우, 가산기(330)는 신호(340)와 신호(342)를 더하여 가산기 출력 신호(344)를 생성한다. 역수의 음의 값 곱셈기(332)는 가산기 출력 신호(344)를 수신하여 그 신호(344)를 Van der Pol 발진기(340)의 질량 M의 역수(1/M)의 음의 값과 곱하여 질량의 역수의 음의 값 곱셈기 신호(346)를 출력한다. 질량의 역수의 음의 값 곱셈기 신호(346)가 수신되는 경우, 적분기(260)는 시간 t동안 신호(346)를 적분하여 적분기 출력 신호(348)를 출력한다. 적분기(262)는 적분기 출력 신호(348)를 수신하고 시간 t동안 그 신호(348)를 적분하여 출력 Van der Pol 복소 신호(350)를 출력한다. 출력 Van der Pol 복소 신호(350)가 수신되는 경우, 출력 신호와 진폭 디바이스(322)는 신호(350)와 전력 x로 상승된 신호(350)를 곱하여 제 1 최종값을 생성하고, 파라미터 A를 갖는 신호(350)의 파라미터 A를 전력 x로 상승된 파라미터 A와 곱하여 제 2 최종값을 생성하고, 제 1 최종값에서 제 2 최종값을 감산하여 출력 신호(352)를 출력한다. x는 정수임에 유의한다.
곱셈기(326)는 출력 신호(352)와 적분기 출력 신호(348)를 수신하고 신호(352)와 신호(348)를 곱하여 곱셈기 출력 신호(354)를 출력한다. 곱셈기 출력 신호(354)가 수신되는 경우, 댐핑 곱셈기(328)는 신호(354)를 Van der Pol의 댐핑 DV와 곱하여 댐핑 곱셈기 출력 신호(356)를 생성한다. 스티프니스 곱셈기(324)는 출력 Van der Pol 복소 신호(350)를 수신하고 그 신호(350)를 Van der Pol 발진기(320)의 스티프니스 K와 곱하여 스티프니스 곱셈기 출력 신호(360)를 생성한다. 댐핑 곱셈기 출력 신호(356)와 스티프니스 곱셈기 출력 신호(360)가 수신되는 경우, 가산기(268)는 신호(356)와 신호(360)를 더하여 가산기 출력 신호(342)를 생성한다.
예시적인 실시예에서, Van der Pol 발진기(320)는 다음과 같이 나타난다.
Figure 112006073081953-pat00007
(7)
여기서, v는 출력 Van der Pol 복소 신호(350)이고, '*'는 곱셈을 나타내고, d/dt는 시간 t에 대한 미분 함수를 나타낸다. 발진기(320)의 조절가능한 파라미터는 위에서 정의한 바와 같이 M, DV, A, 및 K를 포함한다. 입력 Van der Pol 발진기 복소 신호(340)가 0인 경우, 방정식(3)은 다음과 같이 된다.
Figure 112006073081953-pat00008
(8)
단자(420)는 하나의 시간 t에 적분기 출력 신호(348)를 곱셈기(326)에 접속하고 또 다른 시간 t에 적분기 출력 신호(348) 적분기(262)에 접속하는 스위치를 포함하는 것에 유의한다. 단자(422)는 하나의 시간 t에 출력 Van der Pol 복소 신호(350)를 스티프니스 곱셈기(324)에 접속하고 또 다른 시간 t에 신호(350)를 출력 신호 및 진폭 디바이스(322)에 접속하는 스위치를 포함하는 것에 더 유의한다.
적분기(260, 262)는 다양한 적분 단계를 갖는 4 차 Runge-Kutta 방법을 사용하는 단계를 포함할 수 있는 수치 적분 기술을 사용하여 연관된 미분 방정식의 적분 계산을 이행한다. 이 방법은 컴퓨팅 디바이스, 가령 컴퓨터(60)(도 9에 도시)를 사용하여 운용자에 의해 선택된 다수의 다양한 시간 스텝, 수많은 각 시간 스텝 중에 4 간격 동안의 값을 수치적으로 적분하고, 그 최종값들을 합산함으로써 연관된 미분 방정식을 적분하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 알려지지 않은 2개의 값이 임의적으로 선택되는 13개의 알려지지 않은 값을 갖는 11개의 방정식 세트를 푸는 단계를 포함하는 보간(interpolation)을 통하여 각각의 시간 스텝의 시간 간격 각각을 위한 값을 결정하는 단계를 포함한다. 연관된 수치 적분 알고리즘을 실행하는 단계는 상당한 양의 컴퓨팅 자원, 가령, 메모리(64)(도 9에 도시) 및 연장된 주기, 즉 대략 136초/샘플의 용량을 처리하는 프로세서(62)(도 9에 도시)를 사용할 수 있다.
도 19는 전기 모터(502)로부터 수신된 복소 신호로부터 관심 신호를 구별하는 시스템(500)의 예시적인 실시예이다. 시스템(500)은 전기 전류 트랜스듀서(506), 아날로그-디지털(A/D) 변환기(510), 연속 적분 머신 모니터링 시스템(continuous integrated machinery monitoring system(CIMMS))(514) 및 CIMMS 출력 디바이스(700)를 포함한다. 트랜스듀서(506)는 모터(502)에 결합될 수 있다. 모터(502)는 3상 전기 모터의 전기 전류 도체 중 하나가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 전기 전류 트랜스듀서(506)는 전류 흐름에의 변화를 포함하는 모터(502)로의 전류 흐름을 감지하는 전류 변환기를 나타낼 수 있지만, 이에 한정 되는 것은 아니다. 이와 달리, 클램프-온(clamp-on) 전류 센서는 전류 흐름을 측정하는데 사용될 수 있다. 이러한 신호 변화는 전기 모터(502)의 부하에 있어서의 변화와 같은 상태를 동작하는 전기 모터(502)에서의 변화에 의해 생성된다.
연속 적분 머신 모니터링 시스템(CIMMS)(514)은 다수의 하드웨어 성분과 소프트웨어 프로그램과 공동으로 합체될 수 있다. CIMMS(514)는 다수의 데이터를 수신하고 분석하여 다수의 머신 및/또는 머신을 채용하는 다수의 처리의 현재 동작 상태를 결정한다. CIMMS(514)는 각각의 머신 상에서 가용한 각종 센서로부터의 직접적인 측정 결과 및 센서의 전부 또는 일부로부터 유도된 정량을 사용한다. 소정의 분석 규칙을 사용하여, CIMMS(514)는 머신의 고장이나 임박한 고장을 결정한다. CIMMS(514)는 머신 결합에 대한 경향을 분석하는 단계와 다양한 포맷으로 데이터 및/또는 이 경향을 디스플레이하는 단계를 더 제공하여, CIMMS(514)의 사용자가 CIMMS(514)에 의해 제공된 무결성 평가와 경향 정보를 신속하게 해석하는 능력을 갖게 해준다.
예시적인 실시예에서, 모터(502)는 전기 전류 트랜스듀서(506)에 의해 더 작은 전류 신호로 단계적으로 감소하는 전기 전류(504)를 끌어당긴다. 전기 전류 트랜스듀서(506)는 전기 전류(504)를 감지하고 전기 전류(504)를 A/D 변환기(510)에 의한 수신에 적합한 형태를 갖는 아날로그 출력 신호(508)로 변환한다. A/D 변환기(510)는 아날로그 출력 신호(508)를 수신하고 그 신호(508)를 아날로그 형태로부터 디지털 형태로 변환한다. A/D 변환기(510)는 사전 결정된 주기에서 사전 결정된 비율로 생성된 다수의 디지털화된 신호(508) 샘플을 포함하는 디지털 입력 복소 신호(512)를 출력하는데, 여기서 주기는 샘플링 시간 스텝으로 지칭될 수 있다. 신호(512)는 또한 관심 주파수와 잡음 성분을 포함하는 성분을 포함한다. 관심 주파수는 잡음 성분과 구별할 수 없게 될 수 있다. 관심 주파수의 예는 전기 모터(502)로 흐르는 교류 전기 전류의 자연 주파수이다. 자연 주파수는 전기 모터(502) 상의 라벨 상에 디스플레이될 수 있다.
CIMMS(514)는 A/D 변환기(510)로부터 입력 복소 신호(512)를 수신하고, 입력 복소 신호(512)를 처리하여, CIMMS 출력 신호(698)를 데이터 및/또는 경향 및/또는 사전 결정된 운용자 통지를 디스플레이하는 CIMMS 출력 디바이스(700)로 출력한다.
도 20은 시스템(500)(도 19에 도시)에서 사용될 수 있는 결정 지원 서브시스템(600)을 포함할 수 있는 CIMMS(514)의 예시적인 실시예의 블록도이다. 결정 지원 시스템(600)은 규칙 기반형 상태 모니터링 및 진단 서브시스템(610)을 포함하고, CIMMS 출력 디바이스(700)로 출력한다.
규칙 기반형 상태 모니터링 및 진단 서브시스템(610)이 입력 복소 신호(512)를 수신하고 그 신호를 처리하여 복소 신호(512)에서의 잡음 성분으로부터 관심 주파수 성분을 구별하고, 관심 주파수 상의 진단 평가 세트를 이행하고, CIMMS 출력 신호(698)를 데이터 및/또는 경향 및/또는 사전 결정된 운용자 통지를 디스플레이하는 CIMMS 출력 디바이스(700)로 출력한다.
도 21은 결정 지원 서브시스템(514)(도 20에 도시) 내에 상주하는 규칙 기반형 상태 모니터링 및 진단 서브시스템(610)의 예시적인 실시예이다. 규칙 기반형 상태 모니터링 및 진단 서브시스템(610)은 다수의 주파수 정류기(620)를 포함한다. 다수의 주파수 정류기(620)는 모터 회전 속도 주파수 정류기와 추출 디바이스(630)를 포함한다. 규칙 기반형 상태 모니터링 및 진단 서브시스템(610)은 단락된 권선 비교기 규칙(682) 및 파쇄된 회전자 바 비교기 규칙(688)을 더 포함하는 전기 모터 상태 모니터링 및 진단 규칙 세트(680)를 더 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 비교기 규칙으로부터의 출력은 CIMMS 출력 디바이스(700)로 출력된다.
입력 복소 신호(512)가 모터 회전 속도 주파수 정류기 및 추출 디바이스(630)에 의해 수신되고 그 신호를 처리하여 복소 신호(512)에서의 잡음 성분으로부터 관심 주파수 성분을 구별한다. 모터 회전 속도 주파수 정류기 및 추출 디바이스(630)는 모터 회전 속도 신호(678)를 전기 모터 상태 모니터링 및 진단 규칙 세트(680)로 출력한다. 모터 회전 속도 신호(678)가 단락된 권선 비교기 규칙(682) 및 파쇄된 회전자 바 비교기 규칙(688)에 입력된다. 비교기 규칙(682, 688)은 모터 회전 속도 신호(678) 상에서 진단 평가 세트를 이행하고 단락된 권선 비교기 규칙 출력 신호(684) 및 파쇄된 회전자 바 비교기 규칙 출력 신호(686)를 CIMMS 출력 디바이스(700)로 출력한다.
도 22는 규칙 기반형 상태 모니터링 및 진단 서브시스템(610)(도 21에 도시)에 상주하는 모터 동작 속도 주파수 정류기 및 추출 디바이스(630)의 예시적인 실시예의 블록도이다. 모터 회전 속도 주파수 정류기 및 추출 디바이스(630)는 모터 회전 속도 주파수 추출을 실행하는 모터 회전 속도 주파수 정류 및 고속 푸리에 변환(FFT) 함수 디바이스(672)를 실행하는 Van der Pol 발진기(632)를 포함한다.
Van der Pol 발진기(632)로 알려진 예시적인 발진기의 예시적인 실시예는 도 22에 포함된다. Van der Pol 발진기(632)는 적분기(646, 650), 출력 신호와 진폭 디바이스(656), 선형 스티프니스 곱셈기(654), 곱셈기(660), 비선형 댐핑 곱셈기(664), 제 1 가산기(634), 제 2 가산기(638), 및 질량의 역수의 음의 값 곱셈기(642)를 포함한다. 선형 스티프니스 곱셈기(654), 질량의 역수의 음의 값 곱셈기(642), 및 비선형 댐핑 곱셈기(664)의 각각은 증폭기를 나타낼 수 있다. 곱셈기(660)는 변조기를 포함한다.
제 1 가산기(634)는 입력 복소 신호(512)를 선형 스티프니스 곱셈기 출력 신호(668)에 더하여 제 2 가산기(638)로 후속적으로 입력되는 제 1 가산기 출력 신호(636)를 출력한다. 제 2 가산기(636)는 제 1 가산기 출력 신호(636)를 비선형 댐핑 곱셈기 출력 신호(666)에 더하여 제 2 가산기 출력 신호(640)로서의 합산을 질량의 역수의 음의 값 곱셈기(642)로 출력한다.
질량의 역수의 음의 값 곱셈기(642)는 제 2 가산기 출력 신호(640)를 수신하고 신호(640)를 Van der Pol 발진기(632)의 질량 파라미터 M의 역수(1/M)의 음의 값과 곱하여 질량의 역수의 음의 값 곱셈기 출력 신호(644)를 출력한다. 질량의 역수의 음의 값 곱셈기 출력 신호(644)가 수신되는 경우, 제 1 적분기(646)는 시간 t동안 신호(644)를 적분하여 제 1 적분기 출력 신호(648)를 출력한다. 제 2 적분기(650)는 제 1 적분기 출력 신호(648)를 수신하고 시간 t동안 신호(648)를 적분하여 Van der Pol 발진기 복소수 출력 신호(652)를 출력한다. Van der Pol 발진기 복소수 출력 신호(652)가 수신되는 경우, 출력 신호와 진폭 디바이스(656)는 신호(652)와 전력 x로 상승된 신호(652)를 곱하여 제 1 최종값을 생성하고, 신 호(652)의 파라미터 A를 전력 x로 상승된 파라미터 A와 곱하고, 그 산출 결과와 0.25를 곱하여 제 2 최종값을 생성하고, 제 1 최종값에서 제 2 최종값을 감산하여 출력 신호와 진폭 디바이스 출력 신호(658)를 출력한다. x는 정수임에 유의한다.
곱셈기(660)는 출력 신호(658)와 제 2 적분기 출력 신호(648)를 수신하고, 신호(658)를 신호(648)와 곱하여 곱셈기 출력 신호(662)를 출력한다. 곱셈기 출력 신호(662)가 수신되는 경우, 비선형 댐핑 곱셈기(664)는 신호(662)를 Van der Pol 발진기(632)의 댐핑 파라미터 DV와 곱하여 비선형 댐핑 곱셈기 출력 신호(666)를 생성한다.
선형 스티프니스 곱셈기(654)는 Van der Pol 발진기 복소수 출력 신호(652)를 수신하고 신호(652)를 Van der Pol 발진기(632)의 스티프니스 파라미터 K와 곱하여 선형 스티프니스 곱셈기 출력 신호(668)를 생성한다.
또 다른 실시예는 하나의 시간 t에 제 1 적분기 출력 신호(648)를 곱셈기(660)에 접속하고 또 다른 시간 t에 제 1 적분기 출력 신호(648)를 제 2 적분기(650)에 접속하는 스위치를 포함할 수 있음에 주목한다. 그 또 다른 실시예는 일 시간 t에 Van der Pol 발진기 복소수 출력 신호(652)를 선형 스티프니스 곱셈기(654)에 접속하고 또 다른 시간 t에 신호(652)를 출력 신호와 진폭 디바이스(656)에 접속하는 스위치를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, Van der Pol 발진기(632)는 다음과 같이 나타난다.
Figure 112006073081953-pat00009
(7)
여기서, v는 Van der Pol 복소수 출력 신호(652)이고, '*'는 곱셈을 나타내고, d/dt는 시간 t에 대한 미분 함수를 나타낸다. 발진기(632)의 조절가능한 파라미터는 위에서 정의한 바와 같이 M, DV, A, 및 K를 포함한다. 입력 Van der Pol 발진기 복소 신호(512)가 0인 경우, 방정식(3)은 다음과 같이 된다.
Figure 112006073081953-pat00010
(8)
여기서 Van der Pol 발진기(320)는 상술한 바와 같이 자연 주파수로 발진할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제 1 적분기(646)와 제 2 적분기(650)는 고정 적분 스텝을 갖는 4 차 Rounge-Kutta 방법을 통한 수치 적분을 사용하여 연관된 미분 방정식의 가속화된 적분 계산을 이행한다. 이 방법은 상술한 컴퓨팅 디바이스를 사용하여 단일의 고정 시간 스텝 동안의 4 간격 동안의 값을 수치적으로 적분함으로써 그 연관된 미분 방정식을 적분하는 단계를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 단일의 고정 시간 스텝은 상술한 바와 같이 A/D 변환기(510) 샘플링 시간 스텝과 실질적으로 유사할 수 있다. 상술한 바와 같은 다양한 적분 단계를 사용하는 것에 비하여, 단일의 고정 시간 스텝을 갖는 연관된 수치 적분 알고리즘을 실행하면, 실행되는 보간의 수가 감소한다. 보간의 수를 감소시키면 연관된 알고리즘, 가령 메모리(54)(도 6에 도시)와 용량을 처리하는 프로세서(50)(도 6에 도시)를 실행하는데 전용되는 컴퓨팅 자원의 양을 감소시킬 수 있다. 이어서, 처리 시간은 대략 136초/샘플에서 대략 0.5초/샘플까지 감소될 수 있다.
FFT 함수 디바이스(672)는 Van der Pol 발진기 복소수 출력 신호(652)를 수신하고 푸리에 변환 함수를 신호(652)에 적용하고 신호(652)를 시간 영역으로부터 주파수 영역으로 변환하여 관심 주파수를 추출한다. FFT 함수 디바이스(672)는 주파수 영역에서의 모터 회전 속도 신호(678)를 전기 모터 상태 모니터링 및 진단 규칙 세트(680)로 출력한다.
본 발명에서 개시된 주파수 정류 방법 및 시스템은 관심 주파수의 구별을 용이하게 하게 한다. 보다 구체적으로, 발진기 내의 가속형 적분기는 머신 모니터링 데이터의 처리를 가속화할 수 있다. 이로써, 컴퓨팅 자원에 대한 부담이 감소하고 보다 시기적절한 판정을 하기 위해서 운용자에게 정보가 전달되는 시간의 지연이 감소한다.
본 명세서에서 기술된 방법 및 시스템이 회전형 머신, 특히 전기 모터에 대해서 서술되었지만, 본 명세서에서 기술된 방법 및 시스템의 실행은 전기 모터 및 회전형 머신으로만 한정되는 것은 아니다. 오히려, 본 명세서에서 기술된 방법 및 시스템은 임의의 머신 상의 임의의 구성 요소의 임의의 파라미터를 모니터링하는데 사용될 수 있다.
상태 모니터링 방법의 예시적인 실시예들이 상세하게 기술되었다. 이 방법은 본 명세서에서 개시된 특정 실시예들 및 모니터링되고 있는 특정 구성 요소로만 한정되는 것이 아니라, 본 모니터링 방법은 본 명세서에서 기술된 다른 방법과 별도로 독립적으로 사용될 수 있으며 본 명세서에서 개시되지 않은 다른 구성 요소를 모니터링하는데 사용될 수 있다. 가령, 본 명세서에서 개시된 방법을 사용하여 다 른 모터 구성 요소가 모니터링될 수 있다.
본 발명이 다양한 특정 실시예에 대해서 기술되었지만, 본 기술 분야의 당업자는 본 발명이 청구 범위의 사상 및 범주 내에 있는 수정 실시예로 실행될 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명에서 개시된 주파수 정류 방법 및 시스템은 관심 주파수의 구별을 용이하게 하게 한다. 보다 구체적으로, 발진기 내의 가속형 적분기는 머신 모니터링 데이터의 처리를 가속화할 수 있다. 이로써, 컴퓨팅 자원에 대한 부담이 감소하고 더 적절한 판정을 하기 위해서 운용자에게 정보가 전달되는 시간의 지연이 감소한다.

Claims (11)

  1. 머신(32)의 상태를 모니터링하는 방법으로서,
    상기 머신으로부터 다수의 신호 성분을 포함하는 입력 복소 신호(input complex signal)(48)를 수신하는 단계 - 상기 다수의 신호 성분은 사전 결정된 관심 주파수를 포함하는 적어도 하나의 신호 성분과, 잡음을 포함하는 적어도 하나의 신호 성분을 포함함 - 와,
    상기 입력 복소 신호를 처리하여 다수의 신호 성분을 포함하는 출력 복소 신호(50)를 생성하는 단계 - 상기 다수의 신호 성분은 사전 결정된 관심 주파수를 포함하는 적어도 하나의 신호 성분과, 잡음을 포함하는 적어도 하나의 신호 성분을 포함하며, 상기 입력 복소 신호를 처리하는 단계는, 상기 입력 복소 신호의 샘플링 시간 스텝과 동일하도록 정의된 단일의 고정 적분 시간 스텝을 갖는 4차 룬게 쿠타(Runge-Kutta) 적분 모델을 사용하는 고정 스텝 적분 알고리즘(fixed-step integration algorithm)을 실행하는 것을 포함함- 와,
    상기 출력 복소 신호를 처리하여 고장(fault)의 존재 여부를 평가하는 단계- 상기 출력 복소 신호로부터 상기 사전 결정된 관심 주파수가 추출되며, 상기 사전 결정된 관심 주파수가 디스플레이상에 디스플레이됨-를 포함하는
    머신 상태 모니터링 방법.
  2. 주파수 정류 시스템(30)으로서,
    머신(32)으로부터 수신된 아날로그 사인파 신호(analog, sinusoidal signal)를 다수의 신호 성분을 포함하는 디지털 입력 복소 신호(48)로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(36) - 상기 다수의 신호 성분은 사전 결정된 관심 주파수를 포함하는 적어도 하나의 신호 성분과, 잡음을 포함하는 적어도 하나의 신호 성분을 포함함 - 와,
    상기 입력 복소 신호를 처리하여 다수의 신호 성분을 포함하는 출력 복소 신호(652)를 생성하기 위한 다수의 가속형 적분 알고리즘(accelerated integretion algorithms)을 갖는 주파수 정류기(620) - 상기 다수의 가속형 적분 알고리즘은 적분을 위한 고정 시간 스텝 알고리즘(fixed time step algorithm)을 포함하며, 상기 고정 시간 스텝 알고리즘은, 상기 입력 복소 신호의 샘플링 시간 스텝과 동일하도록 정의된 단일의 고정 적분 시간 스텝을 갖는 4차 룬게 쿠타(Runge-Kutta) 적분 모델을 포함하며, 상기 출력 복소 신호는 다수의 신호 컴포넌트를 포함하며, 상기 다수의 신호 컴포넌트는, 상기 관심 주파수를 포함하는 적어도 하나의 신호 컴포넌트와, 잡음을 포함하는 적어도 하나의 신호 컴포넌트를 포함하며, 상기 출력 복소 신호는, 상기 사전 결정된 관심 주파수를 추출하여 상기 사전결정된 관심 주파수를 디스플레이에 전송하도록 동작하는 주파수 추출 디바이스로 전송됨-을 포함하는
    모니터링 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 주파수 정류기(620)는 발진기(620)를 포함하며, 상기 발진기는 상기 다수의 가속 적분 알고리즘을 포함하는
    모니터링 시스템.
  4. 제 2 항의 주파수 정류 시스템을 포함하는 모니터링 시스템(500)으로서,
    상기 모니터링 시스템(500)은 또한,
    적어도 하나의 시간 영역-주파수 영역 변환기(time domain-to-frequency domain converter)를 포함하는 적어도 하나의 주파수 추출 디바이스-상기 적어도 하나의 주파수 추출 디바이스는 상기 출력 복소 신호로부터 상기 사전 결정된 주파수를 추출하도록 동작함-와,
    상기 주파수 정류기로부터의 상기 출력 복소 신호를 처리하여 고장의 존재 여부를 평가하기 위한 모니터링(600) 및 진단(610) 서브시스템-상기 모니터링 및 진단 서브시스템은 상기 사전 결정된 관심 주파수를 표시하기 위한 디스플레이를 구비함-을 포함하는
    모니터링 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 주파수 정류기(620)는 적어도 하나의 발진기(632)를 포함하는
    모니터링 시스템.
  6. 제 4 항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 발진기(632)는 상기 다수의 가속 적분 알고리즘을 포함하는
    모니터링 시스템.
  7. 제 4 항 또는 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 주파수 추출 디바이스는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 더 포함하는
    모니터링 시스템.
  8. 제 4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 모니터링(600) 및 진단(610) 서브시스템은 규칙 기반형 결정 지원 서브시스템(rules-based decision support sub-system)을 포함하고,
    상기 규칙 기반형 결정 지원 서브시스템은 적어도 하나의 비교기(682)를 포함하며,
    상기 비교기는 적어도 하나의 사전 결정된 값을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 사전 결정된 값은 상기 출력 복소 신호(652) 내에 포함된 상기 관심 주파수의 진폭과의 비교를 위해 설정되는
    모니터링 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 주파수 추출 디바이스는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 더 포함하는
    모니터링 시스템.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 모니터링(600) 및 진단(610) 서브시스템은 규칙 기반형 결정 지원 서브시스템(rules-based decision support sub-system)을 포함하고,
    상기 규칙 기반형 결정 지원 서브시스템은 적어도 하나의 비교기(682)를 포함하며,
    상기 비교기는 적어도 하나의 사전 결정된 값을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 사전 결정된 값은 상기 출력 복소 신호(652) 내에 포함된 상기 관심 주파수의 진폭과의 비교를 위해 설정되는
    모니터링 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 모니터링(600) 및 진단(610) 서브시스템은 규칙 기반형 결정 지원 서브시스템(rules-based decision support sub-system)을 포함하고,
    상기 규칙 기반형 결정 지원 서브시스템은 적어도 하나의 비교기(682)를 포함하며,
    상기 비교기는 적어도 하나의 사전 결정된 값을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 사전 결정된 값은 상기 출력 복소 신호(652) 내에 포함된 상기 관심 주파수의 진폭과의 비교를 위해 설정되는
    모니터링 시스템.
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