该方法用数字的方法建立了虚拟的电子电路,起到了和实体电子电路一样的效果。
传感器信号采集最难处理的问题就是干扰、噪声等。严重影响测量精度,和数值的稳定性。现有技术经常采用均值滤波方式,即取连续数次采样值的均值,但这样做效果并不明显。本发明专利利用干扰、噪声作用时间非常短暂的特点,利用冲量原理的方法消除干扰、噪声信号,效果非常好,提高了信噪比,提高了测量精度和数据稳定性。
定义式,动量:P=mv ,冲量:I=Ft即冲量等于力和时间共同作用的结果。如果将两个公式合并在一起,即冲量等于动量改变量:I=P2-P1=mv2-mv1。经过变换:v(△t)=I/m。如果把冲量I看做输入干扰信号,把速度v(△t)看做输出信号,这样干扰对输出信号的影响就取决于m和△t,△t:是干扰的作用时间,时间越短对输出的影响越小,m:是设定的质量系数,m越大惯性越大,对输出的干扰越小。由于干扰、噪声的作用时间都非常短,这一原理能够很好的过滤掉干扰、噪声。
函数关系式:y =∫tk﹙x﹚,这是作者在根据以上原理总结出来的一个非常有用的一个函数。它类似于上述:v(△t)=I/m的原理,它算法简单,使用方便,实用于计算机程序化数据处理,能够很好地过滤掉干扰和噪声,还具有电容,电感的作用。其中:x是传感器信号经过模数转换以后系统采集的数字量,y是经过函数处理以后的结果数据,t是函数重复运算的周期时间,k:是代表质量的系数,t﹒k是能量转换系数,相当于电路中电容C﹒R或电感L/R时间常数。下面叙述此函数的功能和作用。
一、函数的滤波功能
此函数具有和实体RC阻容滤波器一样的功能。其等效电路图见附件1:图1所示。电路中RC时间常数和公式中的tk具有固定比例关系。t:是函数重复运算的周期时间,k:是代表质量的系数。附件1:图2所示为带干扰的波形图,附件1:图3为经过函数处理后的波形。
该成果是消除存在于信号源的干扰信号,杂波、噪声的有效解决办法。从信噪比的检测结果,该成果能提高信噪比100倍以上,所以该成果能提高检测精度100倍以上,能大幅度提高检测分辨率。该成果在自动调节控制系统中,能保护系统稳定的工作,提高系统的控制精度,降低故障率。在公司“综合试验台改造”项目中所有信号测量和自动调节控制中全都加入这种信号调理器,起到了非常好的效果。
附件2是 “负荷试验台改造”项目的“科技项目(验收)鉴定书”。在此项目中,所有的信号全部经过该函数处理,起到了非常好的效果。
二、通过该函数控制交流电机或直流电机的加减速时间和升降曲线
该方法也是利用了电容的充放电原理,等效电路图也和附件1图1一样。升降速曲线就是电容的充放电曲线。在交、直流电机驱动器里都有加减速时间和升降速曲线的参数选择,利用该方法只要将原来的升降速时间选择最小,原来的升降速曲线不用选择,就可以了。然后就可以利用该方法从外部控制加减速时间和升降速曲线了。附件1的图4是控制器的输入电压曲线,那么通过此函数运算以后对应的升降曲线和加减速时间如附件1图5一样。通过函数的k值,可以很方便调整加减速时间。作者通过多年的实践认为这是目前最好的一种控制方法。它主要优点有:升降速稳定,控制精度高,具有消除干扰、噪声等优点。在附件2的“负荷试验台改造”项目中也利用此方法控制540KW直流电机,西门子驱动器上已成功应用,效果非常好,运行稳定,控制精度很高。
三、利用该函数可实现无静差自动调节控制原理
现代的自动调节原理基本都是采用PID自动调节原理,但它也有缺点,就是动态响应差和稳定性差。而且是有静差调节,控制精度低。本调节原理基本上改善了这些缺点。控制原理如附件1图6。此控制原理利用了两个此函数关系式,这两个函数关系式的参数是同一参数,所以具有相同的升降曲线。其中一个函数关系是作为比较用的标准控制曲线,另一个函数关系是和误差值相加以后做控制用的。此种闭环控制是按函数输出值逐点比较的,所以控制输出曲线是和附件1图5的升降曲线完全一样。而PID控制法的比较是始终和输入给定一点比较,容易形成电流过冲和震荡现象。速度升降快慢可通过调节K参数实现。基本上和PID控制性能一样,但比PID调整方便简单,精度高,动态特性好,不容易产生震荡。在负荷试验台改造项目中利用此种闭环调节原理成功进行了电涡流扭矩加载控制,效果很好,精度也很高。
四、利用该函数可做成低通滤波器
在数据采集系统形成的数字交流模拟信号中经常会有畸变信号、高于奈奎斯特频率的信号和噪声等。为了避免这种情况的发生,利用此低通滤波器就可以在数字信号中滤去这些高于信号频率的波形,和实际电路滤波具有相等的效果。其等效电路图和附件1图1一样,只不过RC时间常数要符合信号的截止频率。
另外还可以做成LC谐振式低通滤波器,其等效电路如图7所示,波形如图8所示。其效果在截止频率以下具有放大作用,截止频率以上的频率可以快速衰减。
五、分析与结论
该方法用数字的方法建立了虚拟的电子电路,起到了和实体电子电路一样的效果。但是在虚拟电路中不受元件数量,元件参数的限制。要多少有多少,要多大有多大,在实体电路中就很难做到这些了。在数字技术和计算机技术发展的今天,这一技术将会得到大量的应用。
另外在当今的国内外电子技术中还从未有过虚拟的电子电路技术,为电子技术填补一项空白。
通过在“负荷试验台改造”项目中的应用,效果非常理想,达到了系统稳定,精度高,可靠性高的目的。项目鉴定见附件2 “科技项目(验收)鉴定书”。
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