專利名稱：一種點頻濾波方法、裝置及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)自動控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種點頻濾波方法、裝置及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在控制回路中施加激勵信號獲取相應(yīng)的過程響應(yīng)是控制工程應(yīng)用最廣泛的一種實驗分析方法和手段。經(jīng)典實驗方法主要有以階躍信號為激勵的階躍時域分析法，以正弦或余弦波頻率信號激勵的頻域分析法等。時域分析是描述數(shù)學(xué)函數(shù)或物理信號對時間的關(guān)系，頻域分析則是描述信號在頻率方面的特性。例如，信號強度隨時間的變化規(guī)律屬于時域特性，信號是由哪些單一頻率的信號合成的則屬于頻域特性。對信號進行時域分析時，有時一些信號的時域參數(shù)相同，但并不能說明信號就完全相同。因為信號不僅隨時間變化，還與頻率、相位等信息有關(guān)，這就需要進一步分析信號的頻率結(jié)構(gòu)，并在頻率域中對信號進行描述?？刂苹芈坊?qū)ο蟮念l率特性是控制系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)調(diào)整的根本依據(jù)。在工業(yè)過程中，在頻率域中對信號進行分析或描述受到了各種因素的限制。首先，獲取頻率特性便是一項極其繁雜的事情，有時工藝過程卻不允許施加過大的正弦波激勵信號。其次，對于慢時變過程系統(tǒng)而言，試驗所經(jīng)歷的時間較長，可能受到的干擾能量更大。因而，控制實踐中，工程技術(shù)人員往往通過對象或系統(tǒng)的時域過渡過程來研究控制系統(tǒng)特性。然而，通過這種時域分析手段難以掌握對象的本質(zhì)特性，致使分析和研究過程具有較大的盲目性。最后，現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)中，動態(tài)信號從時間域變換到頻率域主要通過傅立葉級數(shù)和傅立葉變換實現(xiàn)，繁雜的傅里葉變換計算增加了實驗的難度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種點頻濾波方法、裝置及其系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)從階躍信號成分中抽取頻率信號，作為頻域分析的數(shù)據(jù)源。本發(fā)明提供了一種點頻濾波方法，包括 設(shè)置預(yù)設(shè)數(shù)頻率和預(yù)設(shè)數(shù)帶寬；
識別接入的測試信號中所包含的階躍信號頻譜成分；
在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從所述階躍信號頻譜成分中抽取頻率信號。相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種點頻濾波裝置，包括 參數(shù)設(shè)置單元，用于設(shè)置預(yù)設(shè)數(shù)頻率和預(yù)設(shè)數(shù)帶寬；
與所述參數(shù)設(shè)置單元相連的信號識別單元，用于識別接入的測試信號中所包含的階躍信號頻譜成分；
與所述信號識別單元相連的信號抽取單元，用于在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從所述階躍信號頻譜成分中抽取頻率信號。相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種點頻濾波系統(tǒng)，包括如前所述的點頻濾波裝置；
與所述點頻濾波裝置輸入端相連的控制對象。進一步的，本發(fā)明提供的一種點頻濾波系統(tǒng)
所述控制對象的輸入端與點頻濾波裝置的輸入端相連，所述點頻濾波裝置用于識別接入的激勵測試信號中所包含的階躍信號頻譜成分，在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從該階躍信號頻譜成分中抽取第一頻率信號；
所述控制對象的輸出端與點頻濾波裝置的輸入端相連，所述點頻濾波裝置用于識別接入的響應(yīng)測試信號中所包含的階躍響應(yīng)信號頻譜成分，在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從該階躍響應(yīng)信號頻譜成分中抽取第二頻率信號；
點頻濾波裝置的輸出端與頻率特性分析單元相連，所述頻率特性分析單元用于比較所述第一頻率信號和所述第二頻率信號的幅值和/相位，獲得激勵測試信號與響應(yīng)測試信號之間的頻率特性。實施本發(fā)明，具有如下有益效果
本發(fā)明開創(chuàng)性地提出了階躍信號不僅可用于時域分析方法，而且能充當(dāng)頻域分析中的數(shù)據(jù)源。根據(jù)工程檢測的需要而設(shè)置預(yù)設(shè)數(shù)頻率，并根據(jù)提取頻率信號的便捷性設(shè)置預(yù)設(shè)數(shù)帶寬，就可以將階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)的頻譜特性分布分離和識別出來。為此，我們可采用帶通濾波器實現(xiàn)將需要的頻率段信號從階躍響應(yīng)中提取出來，而其它頻率信號均將被濾除。理想的情況下，如果帶通濾波器相應(yīng)的帶寬無窮小得話，那么就可以獲得某個頻率點上“單色”信號。進一步的，提取出控制對象的輸入、輸出信號并進行比較，便可直接獲取該控制對象的頻率特性，從而避開了繁雜的傅里葉變換數(shù)值分析計算，能快速有效地分辨出系統(tǒng)或控制對象的頻域特性。


圖1是本發(fā)明一種點頻濾波方法的流程圖；圖2是本發(fā)明一種點頻濾波方法的實施例流程圖3是本發(fā)明一種點頻濾波系統(tǒng)的實施例效果之一示意圖；圖4是本發(fā)明一種點頻濾波系統(tǒng)的實施例效果之二示意圖；圖5是本發(fā)明一種點頻濾波系統(tǒng)的實施例效果之三示意圖；圖6是本發(fā)明一種點頻濾波裝置的示意圖；圖7是本發(fā)明一種點頻濾波裝置的實施例示意圖；圖8是本發(fā)明一種點頻濾波系統(tǒng)的實施例示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步地詳細描述。圖1是本發(fā)明一種點頻濾波方法的流程圖，包括
5101設(shè)置預(yù)設(shè)數(shù)頻率和預(yù)設(shè)數(shù)帶寬；
5102識別接入的測試信號中所包含的階躍信號頻譜成分；
5103在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從所述階躍信號頻譜成分中抽取頻率信號。階躍信號是控制工程領(lǐng)域中時常采用的激勵信號之一，通過階躍響應(yīng)可以判斷控制回路的各種品質(zhì)特征，通過階躍響應(yīng)也可以辨識出對象的近似參數(shù)模型。但現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)中，階躍響應(yīng)分析往往被人為地局限于時域分析中，僅僅用于完成控制回路表象上的分析， 放棄了其深層次的頻率特性分析，或者是因缺乏有效手段而忽略了其在頻域分析方面的應(yīng)用。本質(zhì)上而言，階躍響應(yīng)的背后蘊藏著系統(tǒng)或控制對象的頻率特性。因為階躍信號是由無數(shù)個連續(xù)頻率、初始相位為90°的正弦波信號疊加而成，且這些信號在低頻段(大多數(shù)工業(yè)過程均在低頻段)的幅值較大。由此可知，由于階躍信號包含了連續(xù)頻譜成分，本質(zhì)上已具備了頻率響應(yīng)實驗的信號特點。因而，系統(tǒng)或?qū)ο蟮碾A躍響應(yīng)實際上是由無數(shù)的連續(xù)頻譜正弦波信號共同激勵產(chǎn)生。如果將對象或系統(tǒng)看作為線性系統(tǒng)，那么階躍響應(yīng)結(jié)果也含有各種頻率下激勵的效果。特別是，對于慢時變工業(yè)過程而言，由于低頻成分具有較大的幅值，一般系統(tǒng)或?qū)ο笠矊⒌玫匠浞旨?。基于上述科學(xué)原理，本發(fā)明開創(chuàng)性地提出了階躍激勵信號實際上是一種理想頻率響應(yīng)信號源，它可以充當(dāng)頻域分析中的數(shù)據(jù)源。本發(fā)明根據(jù)工程檢測的需要設(shè)置預(yù)設(shè)數(shù)范圍的頻率，并設(shè)置足夠小的預(yù)設(shè)數(shù)帶寬，足夠小的帶寬有利于在更長的時間內(nèi)提取所需的頻率信號。優(yōu)選地，可以通過帶通濾波器識別接入的測試信號中所包含的階躍信號成分，從而排除干擾。在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從所述階躍信號成分中抽取頻率信號，理想的情況下，如果帶通濾波器相應(yīng)的帶寬無窮小得話，那么就可以獲得某個頻率點上“單色”信號。如前所述，階躍激勵信號本質(zhì)上是理想的頻率響應(yīng)信號源。階躍響應(yīng)能夠成為頻域分析的原始數(shù)據(jù)需要解決的關(guān)鍵問題是將階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)的頻譜特性分布分離和識別出來。典型的帶通濾波器由電感L、電容C、電阻R構(gòu)成的無源LCR電路所組成，可以用下面的傳遞函數(shù)表述兩者之間的關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種點頻濾波方法，其特征在于，包括 設(shè)置預(yù)設(shè)數(shù)頻率和預(yù)設(shè)數(shù)帶寬；識別接入的測試信號中所包含的階躍信號頻譜成分；在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從所述階躍信號頻譜成分中抽取頻率信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點頻濾波方法，其特征在于，所述測試信號包括階躍激勵信號和階躍響應(yīng)信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的點頻濾波方法，其特征在于，在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從所述階躍信號頻譜成分中抽取頻率信號的步驟，包括在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從階躍激勵信號頻譜成分中抽取第一頻率信號；在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從階躍響應(yīng)信號頻譜成分中抽取第二頻率信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的點頻濾波方法，其特征在于，在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從所述階躍信號頻譜成分中抽取頻率信號的步驟之后，還包括比較所述第一頻率信號和所述第二頻率信號的幅值和/相位，獲得所述階躍激勵信號和所述階躍響應(yīng)信號之間的頻率特性。
5.一種點頻濾波裝置，其特征在于，包括參數(shù)設(shè)置單元，用于設(shè)置預(yù)設(shè)數(shù)頻率和預(yù)設(shè)數(shù)帶寬；與所述參數(shù)設(shè)置單元相連的信號識別單元，用于識別接入的測試信號中所包含的階躍信號頻譜成分；與所述信號識別單元相連的信號抽取單元，用于在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從所述階躍信號頻譜成分中抽取頻率信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的點頻濾波裝置，其特征在于，所述信號識別單元包括第一接入端口和/或第二接入端口；所述第一接入端口，用于接入階躍激勵信號； 所述第二接入端口，用于接入階躍響應(yīng)信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的點頻濾波裝置，其特征在于，所述信號抽取單元包括與第一接入端口相對應(yīng)的第一輸出端口和/或與第二接入端口相對應(yīng)的第二輸出端口；所述第一輸出端口，用于輸出在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從第一接入端口的階躍激勵信號頻譜成分中抽取的第一頻率信號；所述第二輸出端口，用于輸出在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從第二接入端口的階躍響應(yīng)信號頻譜成分中抽取的第二頻率信號。
8.一種點頻濾波系統(tǒng)，其特征在于，包括 如權(quán)利要求5至7任一項所述的點頻濾波裝置； 與所述點頻濾波裝置輸入端相連的控制對象。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的點頻濾波系統(tǒng)，其特征在于所述控制對象的輸入端與點頻濾波裝置的輸入端相連，所述點頻濾波裝置用于識別接入的激勵測試信號中所包含的階躍信號頻譜成分，在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從該階躍信號頻譜成分中抽取第一頻率信號；所述控制對象的輸出端與點頻濾波裝置的輸入端相連，所述點頻濾波裝置用于識別接入的響應(yīng)測試信號中所包含的階躍響應(yīng)信號頻譜成分，在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從該階躍響應(yīng)信號頻譜成分中抽取第二頻率信號；點頻濾波裝置的輸出端與頻率特性分析單元相連，所述頻率特性分析單元用于比較所述第一頻率信號和所述第二頻率信號的幅值和/相位，獲得激勵測試信號與響應(yīng)測試信號之間的頻率特性。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的點頻濾波系統(tǒng)，其特征在于，所述頻率特性分析單元包括幅值比較單元和/或相位比較單元，所述幅值比較單元，用于比較第一頻率信號與第二頻率信號的幅值；所述相位比較單元，用于比較第一頻率信號與第二頻率信號的相位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種點頻濾波方法、裝置及其系統(tǒng)。該方法包括設(shè)置預(yù)設(shè)數(shù)頻率和預(yù)設(shè)數(shù)帶寬；識別接入的測試信號中所包含的階躍信號頻譜成分；在所述預(yù)設(shè)數(shù)頻率和所述預(yù)設(shè)數(shù)帶寬的條件下從所述階躍信號頻譜成分中抽取頻率信號。采用本發(fā)明，可以使階躍信號充當(dāng)頻域分析中的數(shù)據(jù)源，將階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)的頻譜特性分布分離和識別出來。在帶寬無窮小的前提下，就可以獲得某個頻率點上“單色”信號。進一步的，提取出控制對象的階躍激勵輸入、階躍響應(yīng)輸出信號頻譜成分中的頻率信號并進行比較，便可直接獲取該控制對象的頻率特性，從而避開了繁雜的傅里葉變換數(shù)值分析計算，能快速有效地分辨出系統(tǒng)或控制對象的頻域特性。
文檔編號H03H17/02GK102386888SQ201110294940
公開日2012年3月21日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者萬文軍, 劉志剛, 李軍 申請人:萬文軍, 劉志剛, 李軍