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渦街信號處理中基于FFT幅值區間約束的自適應濾波算法

2016-05-23

通過對渦街信號特點的研究,分析FFT在渦街信號處理中的可行性,提出FFT幅值區間約束的概念,對中低頻渦街信號頻率進行估計,并用該估計頻率設計自適應濾波器進行信號處理。

1 信號處理系統方案設計

1.2 算法設計

高頻部分可直接用施密特觸發器統計頻率。對于低于200Hz的流量,首先用FFT算法對各頻段的幅值進行解析,根據幅值約束條件選出渦街信號的估計頻率;然后將此估計頻率作為自適應濾波器的期望輸入,動態的調整自適應濾波器;最后將濾波后的信號進行頻率統計,顯示在終端上。

2 FFT頻率估計

2.1 FFT譜分析法

本文僅從頻率估計的角度應用FFT算法。算法分析中所用頻率量程為45Hz~3000Hz(25mm口徑,氣體)。

2.2 采樣頻率fs的選擇

FFT分析只適合處理中低流速時的渦街信號。本文選取fs=5fmax=1000Hz。

2.3 采樣總時間T的選擇

本文以±2Hz誤差為依據初步選取采樣總時間為0.5s。

2.4 利用頻譜泄漏選取采樣點數

一般情況下取采樣點數N=512。利用頻譜泄漏,可以提高最大頻率點兩側幅值,防止最大頻率點幅值被平分。

2.5 渦街信號幅值的有效區間約束

選取理論幅值±100%為有效幅值區間。

3 自適應濾波算法

本文采用基于LMS算法的開環自適應濾波器,如圖6所示。輸入信號值采樣得到的渦街信號,期望信號指FFT輸出的估計信號。自適應算法根據輸入信號與期望信號來設計系統濾波器,系統的傳遞函數可以表示為

   (7)

其中N為樣本點數,n為FIR濾波器階數,x為輸入信號,d為期望信號。

4 實驗仿真

本文選取采樣頻率1000Hz,300個采樣點補零至512點進行FFT分析。自適應算法步長為0.008,濾波器的階數將在下述仿真實驗中確定。所用信號為強烈震動時,在線采集的渦街信號。流量發生裝置的顯示流量為49.10Hz。

4.1 FFT頻率估計

如圖7所示渦街信號FFT分析。由式(4)各頻率點理論幅值為0.4f2mV,即渦街信號幅值上下限分別為0.2f2mV和0.8f2mV。FFT變換后,48.83Hz所在點滿足幅值要求。故經FFT后渦街信號的估計頻率為48.83Hz。

4.2自適應算法濾波

以d(t)=0.4·48.83·48.83·sin(2·pi·48.83·t)mV為期望信號進行自適應濾波,不同濾波器階數的結果如圖8~圖10所示。

  

可以看出,n=16時,由于系統階數較低,無法完整濾除噪聲。N=32與n=64均可達到濾波要求。放棄前0.05s系統未初始化導致的不穩定時間,將得到的波形用施密特閾值翻轉法統計頻率可得表1。

考慮到計算復雜度選取自適應濾波的階數n=32.此時誤差為-0.16%。

5 結束語

本算法嚴格控制了計算量,計算精度誤差不大于0.3%,抗噪聲能力強,適合工業現場儀表的使用。

 

 

文章摘自樊辰陽,陳潔,劉曉佳,黃紹峰.渦街信號處理中基于FFT幅值區間約束的自適應濾波算法[J].工業控制計算機,2015,28(4),54-56.

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