专利名称：采用校正信号抑制压力波的系统和方法
技术领域：
本发明的系统和方法涉及声学压力波(acoustic pressure wave)的抑制，更具体的，涉及在燃汽涡轮机燃烧室中的声学压力波的抑制。
背景技术：
应当理解，在各种工作的系统中可以产生不利的声学压力波。例如，在燃气涡轮中可以产生这种不利的声学压力波。当例如试图增加在这种燃气涡轮机的燃烧室中的燃烧效率时，该问题自然出现。即，当试图减小燃气涡轮机产生的不希望的辐射时，该问题自然出现。通过减小辐射和消耗辐射配额的速率，可以使燃气涡轮机的收益小时数最大。
即，当火焰“贫燃(leaned out)”时，辐射降低。但是，在燃气涡轮机中火焰的燃烧可能变得不稳定。这种不稳定的火焰产生声频的压力波，因此称作“声学压力波”。声学压力波可以在燃气涡轮机的各部分产生应力，导致疲劳并缩短涡轮机的寿命。特别地，会引起燃气涡轮机轴上的扭转振动，导致涡轮叶片的弯曲和应力。此外，声学压力波可能破坏在燃烧室中的隔板。声学压力波也可能对机器的效率产生不利的影响。
已知关于燃烧室声学的主动抑制技术。但是，已知的技术不能给出如何以适当的幅度、频率和相位建立校正调制信号的有效过程。某些已知的技术采用自适应滤波来产生调制信号。该技术的难点在于当声学信号的频谱内容迅速变化时所用的滤波系数及其时间要求。此外，在没有任何自动增益控制的情况下，当重新适应新的频谱内容时，已知技术可能会加剧不希望的声音。因此，已知的技术遇到了上述的以及其它的障碍。
根据另一方面，本发明提供了一种在工作系统中用于提供校正调制信号以抑制声学压力波的校正调制系统，该系统包括采样在工作系统中产生的声学压力波以提供声学压力波采样的压力采样器件；相位输出部分，相位输出部分提供以前产生的校正调制的相位的采样；处理声学压力波的采样和以前产生的校正调制的相位的采样的信号处理部分，信号处理部分包括对声学压力波的采样进行快速傅里叶变换处理的快速傅里叶变换处理部分，信号处理部分根据快速傅里叶变换处理产生具有最大功率信息的频率和最大功率信息；进行单频离散傅里叶变换处理的至少两个离散傅里叶变换处理部分，该信号处理部分根据单频离散傅里叶变换处理产生压力相位信息，以及根据以前产生的校正调制的相位的采样产生调制相位信息的调制相位处理部分。该系统还包括根据具有最大功率信息的频率和最大功率的信息、压力相位信息以及调制相位信息产生正弦校正调制信号以抑制声学压力波的校正调制发生器，其中校正调制信号与声学压力波具有基本相同的频率和通常180度的相位差。
根据再一方面，本发明提供了一种在工作系统中用于提供校正调制信号以抑制声学压力波的系统，该系统包括用于采样在工作系统中产生的声学压力波的装置；用于采样以前产生的校正调制信号的装置，以前产生的校正调制信号具有参数；对采样的声学压力波进行快速傅里叶变换处理的装置；对采样的声学压力波进行单频离散傅里叶变换对处理的装置；根据快速傅里叶变换处理和离散傅里叶变换处理确定在声学压力波中的主要压力波的频率、相位和幅度的装置；以及根据主要压力波的频率、相位和幅度以及以前产生的校正调制信号的参数产生正弦校正调制信号以抑制声学压力波的装置，校正调制信号与声学压力波具有基本相同的频率和通常180度的相位差。
根据又一方面，本发明提供了一种在燃气涡轮机系统中用于提供校正调制信号以抑制声学压力波的方法，该方法包括以下步骤采样在燃气涡轮机系统中产生的声学压力波；采样以前产生的校正调制信号，以前产生的校正调制信号具有参数；对采样的声学压力波进行快速傅里叶变换处理；对采样的声学压力波进行单频离散傅里叶变换对处理；根据快速傅里叶变换处理和离散傅里叶变换处理确定在声学压力波中的主要压力波的频率、相位和幅度；根据主要压力波的频率、相位和幅度以及以前产生的校正调制信号的参数产生正弦校正调制信号以抑制声学压力波，校正调制信号与声学压力波具有基本相同的频率和通常180度的相位差；产生频率误差；产生相位误差；以及根据频率误差、相位误差和主要压力波的幅度提供增益控制，增益控制产生增益信号以调节校正调制信号。
根据另一方面，本发明提供了一种在工作系统中用于提供校正调制信号以抑制声学压力波的校正调制系统，该系统包括采样在工作系统中产生的声学压力波以提供声学压力波采样的压力采样器件；相位输出部分，相位输出部分提供以前产生的校正调制的采样；处理声学压力波的采样和以前产生的校正调制的采样的信号处理部分，信号处理部分包括对声学压力波的采样进行快速傅里叶变换处理的快速傅里叶变换处理部分，信号处理部分根据快速傅里叶变换处理产生具有最大功率信息的频率和最大功率信息；进行单频离散傅里叶变换处理的至少一个离散傅里叶变换处理部分，单频离散傅里叶变换处理包括对采样的第一部分进行第一单频离散傅里叶变换，由信号处理部分进行处理以产生压力相位K信息，和对采样的第二部分进行第二单频离散傅里叶变换，由信号处理部分进行处理以产生压力相位K-1信息，以及调制相位处理部分，调制相位处理部分根据以前产生的校正调制的采样产生调制相位K信息和调制相位K-1信息；根据具有最大功率信息的频率和最大功率的信息产生正弦校正调制信号以抑制声学压力波的校正调制发生器；压力相位K信息和压力相位K-1信息；调制相位K信息和调制相位K-1信息；以及校正调制信号与声学压力波具有基本相同的频率和通常180度的相位差。
根据再一方面，本发明提供了一种在燃气涡轮机中用于提供校正调制信号以抑制声学压力波的系统，该系统包括用于采样在燃气涡轮机中产生的声学压力波的装置；用于采样以前产生的校正调制信号的装置，以前产生的校正调制信号具有参数；对采样的声学压力波进行快速傅里叶变换处理的装置；对采样的声学压力波进行单频离散傅里叶变换对处理的装置；根据快速傅里叶变换处理和离散傅里叶变换处理确定在声学压力波中的主要压力波的频率、相位和幅度的装置；根据主要压力波的频率、相位和幅度以及以前产生的校正调制信号的参数产生正弦校正调制信号以抑制声学压力波的装置，校正调制信号与声学压力波具有基本相同的频率和通常180度的相位差。产生频率误差的装置；产生相位误差的装置；以及根据频率误差、相位误差和主要压力波的幅度提供增益控制的装置，增益控制产生增益信号以调节校正调制信号。
图6更详细的示出了根据本发明的方法和系统的一个实施例的
图1的比例积分控制处理部分的示意图；以及图7示出了含有谐波畸变的声学压力波和根据本发明的方法和系统的一个实施例所施加的校正调制以抑制声学压力波的波形图。
该方法还包括根据FFT和DFT处理确定声学压力波的主要频谱分量的频率、幅度和相位。此外，该方法还包括以与主要压力波相同的频率、幅度产生正弦校正调制信号以抑制声学压力波。校正调制信号的相位以与声学压力波的主要频谱分量建立180度的相位关系的方式进行采样和控制，即，适当考虑传输延时校正。
以下将更详细的说明本发明的各个方面。本发明的系统和方法提供了在工作系统中用于抑制声学压力波的校正调制信号，并更具体地用在燃气涡轮机的燃烧室中。但是，应当理解，本发明并不限于这种应用。即，本发明的方法可以用在各种需要控制声学压力波的工作环境中。
根据本发明的方法和系统的实施例，借助新的技术在正确的频率和相位下产生调制。该技术将快速傅里叶变换(FFT)的频谱分析和在现场可编程门阵列中实现的压控振荡器的固有的相位信息结合起来。应当理解，本发明的方法取消了对硬件的要求，并降低了相应的成本。处理单元的计算负载也减轻了，释放出来的资源可用于其它方面。此外，压力波的频谱分析使例如用于保护作用、时间标签、趋势或其它分析的汽轮机控制系统成为可能。
燃气涡轮机燃烧系统可能经历音频范围内(即声学范围)的动态压力振荡。这些振荡如果具有足够的幅度并持续足够长的时间，可能会破坏燃烧系统、减少系统的预期寿命和/或影响汽轮机的工作。应当理解，这些声学的主动控制造成了某些信号处理问题。首先，必须依据频率和幅度识别出主要压力波。这必须从潜在的、非常嘈杂的频谱背景中辨别出来。
其次，必须产生加到例如第二燃料阀或放气阀上或一些其它用于主动影响汽轮机参数以便减少或消除噪声的其它器件的校正调制信号。该校正调制信号与要抑制的声学压力波的相位关系通常锁定在180度的相位关系。换句话说，定位校正调制信号使得与声学压力波一般呈180度相位关系，即，使相位关系抵偿不希望的声学压力波。此外，希望能够调节调制的幅度，使与声学压力波的幅度成正比并与对声学压力波的调制的相位关系成反比。与声学压力波的幅度成正比调节调制的幅度允许抑制的结果是减小声音的幅度，但不会更大，从而避免引入其它不希望的影响。与对声学压力波的调制的相位关系成反比调节调制的幅度保证了直到180度的相位关系基本建立起来时，调制的幅度非常小或为零。这避免出现当锁定时调制和声音同相从而使问题恶化的不希望的情况。
本发明的系统和方法提供了两个主要目的是满足高效率和实时方式。参考图1，第一个目的是提供从监视燃气涡轮机燃烧室中的压力的差分压力传感器10传来的输入信号的频谱分析，例如，根据本发明的方法和系统的一个实施例。但是，应当理解，其它器件也可以用来实现这种信号输入。根据本发明的方法和系统的另一方面，本发明的分析确定具有最大功率的声学压力波的频谱分量以及关于声学压力波的频率。频谱分析的整个结果或部分结果也可用于涡轮机控制系统的其它部分，例如用于保护或趋势。
其次，本发明的系统和方法提供产生与具有最大功率的声学压力波的频谱分量相同的频率并且与声学压力波的相位关系锁定在180度的正弦调制信号。本发明的系统和方法以最小化硬件以及相关的成本并最小化计算时间的方式满足这些目标。
图1是根据本发明的系统和方法的一个实施例的处理部分的方框图。根据本发明的系统和方法的一个实施例，例如可能是差分压力传感器的压力传感器10放置在燃气涡轮机的燃烧室中。应当理解，传感器可以用非差分方式的。如果压力传感器不是差分方式的，通过去掉D.C.部分仍可利用本发明的工艺，即，以下面说明的方式在频谱分析中忽略信号中不随时间变化的部分。压力传感器的输出通过信号调节电路然后到达A/D转换器12，如图1所示。
应当理解，传感器的频率响应范围可能超过希望控制的声学压力波的感兴趣的频率范围。如果传感器的频率响应范围超过感兴趣的声学压力波的频率范围，可以将抗混叠滤波器与信号调节电路组合在一起，即，在A/D转换器12之前。类似的，如果在压力传感器的信号中出现明显的宽带噪声，也需要抗混叠滤波器。
A/D转换器12的信号与沿着路径57传送的、来自相位寄存器56的信号同时采样，如图1所示。根据本发明的系统和方法的一个实施例，相位寄存器56的读数给出了当前校正调制即，当前施加和产生的校正调制的瞬时相位。该寄存器是产生校正调制的正弦压控振荡器(VCO)的一部分。VCO在现场可编程门阵列(FPGA)50中实现，其细节进一步在图2中示出，并在下面说明。即，图2示出了根据本发明的方法的一个实施例的产生调制的现场可编程门阵列50的细节的示意图。因此，现场可编程门阵列(FPGA)50的特征在于作为校正调制发生器50。
同时对A/D转换器12和瞬时相位寄存器56的采样通过微处理器的直接存储器寻址单元(DMA)14来完成。根据本发明的系统和方法的一个实施例，得到A/D转换器12和相位寄存器56的总共2048对同时采样，通过输入16和输入17进入信号处理部分20。但是，应当理解，系统和方法并不限于这种采样，即，可以采用各种2048点的采样方案。DMA 14允许采样在没有例如主或中央处理单元的任何参与的情况下进行。因此，采样可以与处理器计算上一组采样的值并行进行。
根据本发明的系统和方法的一个实施例，运行在微处理器上的固件处理2048对采样。该处理的第一步在信号处理部分20中示出，如图1所示。此外，该处理在图3中更详细的示出，并在下面说明。信号处理部分20包括处理部分22、处理部分23、处理部分24、处理部分25和处理部分26，如图1所示。
根据本发明的系统和方法的一个实施例，对A/D转换器12输出的2048个采样采用数学窗口算法。该窗口是必需的，用来防止在采样的起始和结束处信号的不连续被分析为高频分量。这种分量与可能的混叠一起作为假的频谱分量出现在分析频谱的任何位置。窗口作为采样的整形，强迫第一个和最后一个采样为零。结果，去掉了在采样结束处的不连续。根据本发明的系统和方法的实施例，窗口处理可采用各种已知方法中的一种来进行，例如，包括矩形方法、加重平均(Hamming)方法、Hanning方法、三角方法、Blackman方法、Blackman-Harris方法或平顶方法。
根据本发明的系统和方法的一个实施例，然后对窗口处理的输出进行快速傅里叶变换(EFT)，在图1中的处理部分22中示出。然后，对于FFT中的每个复数分量，在处理部分23中计算功率，如图1所示，根据下面的公式功率＝[(FFT的实部)2+(FFT的虚部)2]/(FFT长度)2(公式1)根据本发明的系统和方法的一个实施例，确定所有FFT分量的最大功率，并在处理部分23中表示为最大功率(MAX POWER)。与该功率相关的频率在图1中的处理部分23中表示为最大功率的频率(FREQ WITH MAX POWER)，该频率也是已知的，因为在FFT中的每个分量E具有与其相关的频率，根据以下公式(公式2)其中
E＝FFT的分量数，也可以表示为二进制数，其范围从0到(FFT的长度-1)，根据本发明的一个实施例的E为0到2047；并且FFT的长度＝进行FFT的采样数，根据本发明的一个实施例的FFT的长度为2048。
应当理解，因为输入是实数而不是复数，所以只有E＝0到E＝(FFT的长度/2)的分量是独立的，因此FFT二进制频率应在上述范围内计算。因此，根据本发明的系统和方法的一个实施例，FFT二进制频率在0到采样频率/2之间，相关的二进制数从0到1024。
如上所述，应当理解，除了差分压力传感器10，压力传感器也可以用非差分的。如果压力传感器是非差分的，第一个FFT二进制数可以从最大功率的确定中取消。根据本发明的系统和方法的一个实施例，该二进制数包含稳定的或D.C.分量，并且在声学波抑制中不需要关注。
应当理解，幅度在频率二进制数的边界或边缘附近处的衰减是受窗口选择的影响。但是，这种“衰减(roll off)”通常表现为某种程度，并在图4中示出。图4示出了根据本发明的一个实施例的单频二进制数的方面的状态图。此外，图5示出了任何傅里叶变换相对于二进制频率必须校正的相移。数学上相对于二进制频率发生的相移可以如下计算相移的度数＝180*(K-M)*(1-(1/N))(公式3)其中M＝从0开始的二进制数；K＝在所关心的n个采样中的周期数；以及N＝采样数。
应当理解，这些现象造成精确计算在频率二进制数的边缘或其附近的频率分量的困难。为了缓解这种状况，如图1的处理部分24中所示，进行两个单频DFT。每个单频DFT在已确定的最大功率的频率处计算。根据本发明的系统和方法的一个实施例，每个单频DFT也只对执行FFT的正好一半的采样进行，即，1024个采样。这导致单频DFT的频率二进制数的宽度是FFT的频率二进制数的两倍。在图4中示出了在频谱中的分辨率。这示出了将全长FFT映射到单频DFT的更粗的频率分辨率的简单例子。根据本发明的系统和方法的一个实施例，在图4中示出的二进制分辨率不一定是优选频谱二进制分辨率，而仅仅是说明性的。如图4所示，全长FFT的偶频率二进制数以如下关系直接映射到对应的单频DFT二进制数单频DFT二进制数＝全长FFT二进制数/2 (公式4)但是，奇全长FFT频率二进制数到单频DFT频率二进制数的映射存在多义性，如图4中所示的在单频DFT二进制数的边界的两侧的粗水平线。如所看到的双箭头将全长FFT二进制数映射到单频DFT二进制数的边界的两侧，当映射奇数的全长FFT二进制数时，必须进行选择单频DFT二进制数＝截去顶端(全长FFT二进制数/2) (公式5)或单频DFT二进制数＝(全长FFT二进制数/2)+1 (公式6)根据本发明的系统和方法的一个实施例，默认首先尝试用公式5进行奇全长FFT频率二进制数到单频DFT频率二进制数的映射。如果在扫描的预定次数内没能实现频率锁定，用交替映射，即公式6实现锁定。
在下文中，根据本发明的系统和方法的一个实施例，将说明2048个采样的另一方面，并且更具体的涉及单频DFTs的处理。如图1的处理部分24中所示，2048个采样可以看作两组。最老的1024个采样，即，前1024个采样，作为组K-1。最新的1024个采样，即，后1024个采样，作为组K。采样的每一组以与上述的对整个2048个采样相同的方式开窗口。然后对采样的每个开窗口的组在已计算出的最大功率的频率处进行单频离散傅里叶变换，如上所述。在图1中的处理部分24中以及图3中示出了该处理，并标记为“单频DFT(SINGLEFREQ DFT)”。
此外，在处理部分25中组K的最大功率的频率处的相角可如下计算 (公式7)应当理解该相角的意义。即，该相角是在FFTK的第一个采样开始的瞬间最大功率处的频谱分量的相位。
在本发明的一个实施例的系统和方法的进一步说明中，可以计算在DFTK-1的第一个采样开始的瞬间最大功率处的频率的相角。该计算由处理单元25采用组K-1进行。根据本发明的系统和方法的一个实施例，对于该处理的公式为 (公式8)应当理解，如果从调制开始施加到声学结果的有效改变之间存在明显的传输延迟，则可以进行补偿。在图3中示出了这种补偿，即，处理部分322，并从调制相位中减去一定的角度。补偿的角度计算如下传输延迟补偿(度)＝VCO的频率(Hz)*360°/周期*传输延迟(秒)(公式9)现在，请记住A/D转换器采样和瞬时相位寄存器的采样同时进行，所以很容易计算对应于刚刚计算出来的相位K和相位K-1的校正调制的相位。即，只需从瞬时相位寄存器中选择采样号1和采样号1025，然后按比例将计数值转换为度。如果需要补偿传输延迟，这些变换后的值作为调制相角，在图1，即，处理部分26中，和图3中称作调制相位K和调制相位K-1。
进一步参考图1，两个相位误差，相位误差K28和相位误差K-127，如图1所示，可以通过仅仅从对应的调制相位中减去A/D相位来计算。由于在VCO的频率和相关的FFT二进制数的中心频率之间的差引起的任何必要的相位校正在图1中的处理部分30中计算。然后在计算部分31中校正相位误差K，用于在由单频DFT计算的VCO正弦基相位和余弦基相位之间移相90度。
此外，在计算部分31中校正相位误差K，用于由于在频率二进制数中的频率分量的位置产生的相位。最后，相位误差K在计算部分32中移相180度，馈入增益为GPI(相位路径，积分增益)和GPP(相位路径，比例增益)的比例和积分控制33中。结果，本发明的方法产生校正的相位误差34，如图1所示。图6的示意图详细地说明了本发明用在相位和频率路径中的比例和积分控制(33、39)。
根据本发明的系统和方法的实施例，在计算部分36中比较两个相位误差的差、即相位误差K和相位误差K-1的差，并用于计算差频，或在图1中表现为频率误差35。应当理解，因为相位误差随着时间发生变化，需要积累DFT的采样数量，所以差值首先乘以该时间分之1，如图1的计算部分37中所示，即，1/TDFI。
接下来，根据本发明的系统和方法的一个实施例，为了将单位从度/时间变为周期/时间，在图1的计算部分38中乘以1/360。结果以及增益GFI(频率路径，积分增益)和GFP(频率路径，比例增益)馈入比例和积分控制39。
比例和积分控制39的输出在计算部分40与计数器42中的计数值相加，即，计数器42计数相位积分器到达正或负钳位的次数。根据本发明的系统和方法的一个实施例，如图1所示，处理部分41在每次相位积分器到达正钳位时使计数器42的计数值加(+1)，并复位积分器，在每次相位积分器到达负钳位时使计数器42的计数值加(-1)，并复位积分器。计数器42的总数以及频率比例和积分控制39的输出组成了校正的频率误差35，如图1所示。
应当理解，现在确定VCO将要运行的瞬时频率是可能的。即，从最大功率的频率输出中减去校正的频率误差35和校正的相位误差34的和，然后按比例变换到适当的计数值使VCO运行在其频率上，即，如图1所示的V.C.O频率55。根据本发明的系统和方法的一个实施例，如图2所示，在1MHz时钟206和寄存器204以及如图2所示的累加器宽度的情况下，VCO频率的公式如下 (公式10)解该方程中关于放在频率选择寄存器中的值得到以下关系频率选择寄存器中的值＝16.777216*2(执行时钟分频寄存器中的值)*FVCO(公式11)还应当理解，对1MHz时钟206的分频能力可通过采用适当的输入202实现，如图2所示。此外，可简单地给执行时钟分频寄存器204馈送常数。
此外，已使VCO运行在准确的频率上以锁定调制，调制的幅度需要被编址。当声学压力波的幅度增加时，希望调制的幅度也增加。如果调制相对于声学压力波没有接近180度的相移，还希望调制的幅度很小或没有。本领域的普通技术人员对此都应当理解，因为不然的话调制只会使噪声恶化。根据本发明的系统和方法的一个实施例，如图1所示，实现这两个希望的作用的方法是增加自动增益控制(AGC)46。
通过向AGC 46提供声学压力波的最大功率70、频率误差72和相位误差74，AGC 46可以如所希望的调节调制的幅度。具体地说，AGC 46通过路径53输出增益信号到FPGA 50。增益信号53与声学压力波的最大功率成正比，与相位误差的绝对值和频率误差的绝对值成反比。优先权给予相位误差，从而在相位关系接近180度之前没有调制输出，而不管声学压力波的幅度。
下文中，参考图2说明本发明的系统和方法的其它特征，以及在FPGA 50中VCO的实现。应当理解，VCO的核心元件是24位宽的累加器寄存器216，如图2所示。根据本发明的系统和方法的一个实施例，累加执行的发生率等于1MHz时钟206除以2(执行时钟分频寄存器中的值)。这时，累加器216的内容加到频率选择寄存器210的内容上，然后将和输出到累加器216中。累加器216的位14-23映射到瞬时相位寄存器56的位0-9。累加器的位14-22用作正弦幅度表212的索引，如图2所示。根据本发明的系统和方法的一个实施例，表212包括从0到179.64844375度的正弦波的幅度。
根据本发明的一个实施例，表212的内容为从0到255对应于0到1.0的计数。索引表入口的值，即，位0-8映射到移位寄存器218的位2-10。移位寄存器218的位0和1设为0。在表212中包含的半个正弦波通过使用映射到移位寄存器218的位11的累加器216的位23而扩展到整个正弦波。采用该技术减少了在FPGA 50中的正弦表212所需要的实际资源，即，存储器。最后，移位寄存器218的内容通过幅度选择寄存器54中的计数值右移并通过路径62到D/A 60。
下文中，参考图3说明本发明的系统和方法的另一方面。图3更详细的示出了在图1的信号处理部分20中进行的处理。如图3所示，输入302包括两个通过DMA 14同时进行的采样，分别来自A/D 12和F.P.G.A.的瞬时相位寄存器56。来自A/D 12和相位寄存器56的两个采样分别输入到存储器部分306和存储器部分316。每个存储器部分306和316分别提供2048个采样。
然后，在存储器部分306中的采样通过相应窗口。具体地说，窗口308用作在处理部分312中的(K-1)单频DFT的计算。窗口310用作在处理部分314中的(K)单频DFT的计算。此外，窗口328用作在处理部分330中的FFT的计算。
窗口308、310和328利用数学窗口技术，例如Blackman或平顶技术，如上所述。应当理解，窗口308、310和328可采用相同的窗口技术或不同的窗口技术。
根据本发明的一个实施例，说明FFT处理的另一方面。如上所述，在存储器306中的2048个采样的完全组，即，在2048个地址中的声学压力波的2048个采样，是可用的。所希望的窗口328和在处理部分330中的FFT的输出是功率与频率的矩阵和相位与频率的矩阵或关系。具体地说，压力信号采用窗口328、处理部分330和处理部分332频谱或频率分量，各部分已在上面说明了。
然后，处理部分334检查每一个频谱分量，以确定每一个频谱分量的幅度。接着，处理部分334确定最大功率(由此最大幅度)的频率分量。幅度和功率的关系由下面的公式给定幅度＝平方根(功率)结果，处理部分334产生提供最大功率的输出338和提供具有最大功率的特定频率的输出340。
结果，声学压力波的功率和幅度成为已知，并且声学压力波的大致频率已知。但是，应当理解，FFT处理产生的频率只具有一定的分辨率。因此，声学压力波的频率仅仅是大致已知，而功率和幅度为已知。所以，应当注意，频率不是精确已知，相位信息也还没有确定。由图3中的其它处理提供进一步的确定。
下文中，进一步说明处理部分312和处理部分314的操作。根据本发明的该实施例，2048个采样分为两组，各1024个采样。用窗口308和310对每组进行窗口处理。另外，在处理部分312和处理部分314中分别对每组进行单频DFT。单频DFT对由FFT确定的出现最大功率的频率进行计算，即，最大功率的频率340，如图3所示。该处理得到相位。进一步的说明，窗口308和处理部分312在2048个采样的第一采样(即采样1)的时间得到单频的瞬时相位。此外，窗口310和处理部分314在采样1025的时间得到单频的瞬时相位。因此，测量声学压力波的相位，并由此及时得到由采样1和采样1025代表的两个点的相位。
处理部分312的输出输入到处理部分324。上述具有最大功率信息的频率340也输入到处理部分324。根据该输入，处理部分324基于第一组采样确定具有最大功率的频率的相位，并作为输出335输出该信息。基于第一采样的输出335作为声学压力相位(K-1)的特征。
另外，处理部分314的输出输入到处理部分326。上述具有最大功率信息的频率340也输入到处理部分326。根据该输入，处理部分326基于第二组采样确定具有最大功率的频率的相位，并作为输出336输出该信息。基于第二采样的输出336作为声学压力相位(K)的特征。
接下来说明来自相位寄存器56的在存储器316中的采样，这些采样提供调制的瞬时相角，即，对于采样1和采样1025，包括瞬时相角。这些采样与压力波同时取得。因此，本发明的方法允许进行相角比较。即，在时间上的两点，已知声学压力波的相位和调制的相位各是多少。
因此，本发明的处理根据采样1025产生输出318，提供调制相位K信息。另外，产生基于采样1的输出320，提供调制相位(K-1)信息。这些输出用比例系数317调节，即，“以度/计数换算”。这样做是因为在图3的存储器316中的所有采样都以计数为单位。这些计数用特定的换算转换为度的单位。在本发明的一个示例性的实现中，一个FPGA的计数值对应于0.3515625度。此外，根据采样1和采样1025的调制相位输出由传输延迟补偿系数调节。如上所述，该传输延迟补偿系数由处理部分322计算。
图6更详细的示出了图1中根据本发明的一个实施例的比例和积分控制部分33。如图6所示，输入信号602如上所述输入到比例和积分控制部分33。然后，该输入信号分为两个信号，即，信号604和信号606。增益GP608加到信号604，从而产生调节后的信号616。此外，增益GI610加到信号606。可以用任何合适的方式分别确定这些增益GP和GI。“GP”为“比例增益”的符号名，“GI”为“积分增益”的符号名。
如图6所示，一旦增益610施加到信号606上，则在处理部分612中施加了适当的传递函数。传递函数限定了系统的输入及其输出之间的关系。传递函数通常以频率或‘s’域而不是时间域的形式写出。例如，可以用拉普拉斯变换将时域表示映射到频域表示。该特定的传递函数1/S表示积分。一旦施加传递函数，然后钳位614施加到信号上，从而产生调节后的信号618。然后调节后的信号618与调节后的信号616相加，从而产生输出信号620。随后输出信号620用在根据本发明的一些实施例的进一步处理中，如上所述。
如上所述，图6更详细的示出了比例和积分控制部分33。应当理解，图1中所示的比例和积分控制部分39可以采用与比例和积分控制部分33类似的方案。因此，比例和积分控制部分39的细节不再更详细的进行说明。
在对本发明的系统和方法的进一步说明中，图7示出了含有谐波畸变的声学压力波402以及由本发明的处理产生的校正调制波404的波形图。具体地说，声学压力波402由差分压力传感器10传来的实际信号产生，如图1所示。应当理解，根据本发明的系统和方法，校正调制波404以基本上消除声学压力波402的方式调节。即，两个波互相抵消。应当注意，如图7所示，在各波的波峰和波谷的畸变是使用的数字范围的人为结果，以抵消各波中的实际频率分量。
还应当理解，并不想100％的抵消声学压力波，而是将波的幅度减小到其能量不足以导致破坏或对机器性能产生不利影响的幅度。即，根据本发明的系统和方法的一个实施例，允许保留残余的声学压力波。这允许校正调制404保持“锁定”声学压力波402。相反的，如果声学压力波402被完全抵消，则将失去锁定。因此，希望控制校正调制的幅度。如上所述，该控制采用自动增益控制46来进行。
此外，根据本发明的各种实施例的系统和方法已在上面用2048个采样进行了说明。但是，如上所述，应当理解，本发明的实际应用并不限于上述采样数量。而是可以采用其它适当的采样数量。
虽然上述的说明包含了很多细节和具体说明，应当理解，所述的这些仅仅是为了说明的目的，而不是为了限定本发明的。可以对上述的实施例进行许多修改而不脱离本发明的精神和范围，由权利要求书及其等效范围限定。
权利要求
1.一种在工作系统中提供校正调制信号以抑制声学压力波的方法，该方法包括以下步骤采样所述工作系统(10)中产生的所述声学压力波；采样以前产生的校正调制信号，所述以前产生的校正调制信号具有参数(56)；对所述采样的声学压力波(330)进行快速傅里叶变换处理；对所述采样的声学压力波进行单频离散傅里叶变换对处理(312，314)；根据所述快速傅里叶变换处理和离散傅里叶变换处理(20)确定在所述声学压力波中的主要压力波的频率、相位和幅度；以及根据所述主要压力波的频率、相位和幅度以及所述以前产生的校正调制信号的参数，产生正弦校正调制信号(50)以抑制所述声学压力波，所述校正调制信号与所述声学压力波具有基本相同的频率和通常180度的相位差。
2.根据权利要求1的方法，其中所述工作系统是燃气涡轮机。
3.根据权利要求1的方法，其中在与所述声学压力波的关系为180度处产生所述校正调制信号。
4.根据权利要求1的方法，其中使用压力传感器(10)进行采样。
5.根据权利要求1的方法，还包括提供增益控制(46)的步骤，所述增益控制产生增益信号以调节所述校正调制信号。
6.根据权利要求1的方法，其中结合使用数学窗口算法(328)进行对所述采样的声学压力波进行快速傅里叶变换处理的步骤；以及结合使用数学窗口处理(308，310)进行对所述采样的声学压力波进行单频离散傅里叶变换对处理的步骤。
7.根据权利要求1的方法，还包括以下步骤产生校正的相位误差(34)，结合产生校正调制信号的步骤处理校正的相位误差；以及产生频率误差(35)，用所述校正的相位误差处理所述频率误差。
8.一种在工作系统中用于提供校正调制信号以抑制声学压力波的校正调制系统，该系统包括采样在所述工作系统中产生的所述声学压力波以提供所述声学压力波采样的压力采样器件(10)；相位输出部分(56)，所述相位输出部分提供以前产生的校正调制的相位的采样；信号处理部分(20)，它处理所述声学压力波的采样和所述以前产生的校正调制的相位的采样，所述信号处理部分(20)包括对所述声学压力波的采样进行快速傅里叶变换处理的快速傅里叶变换处理部分(330)，所述信号处理部分根据所述快速傅里叶变换处理产生具有最大功率信息(334)的频率和最大功率信息(334)；进行单频离散傅里叶变换处理的至少两个离散傅里叶变换处理部分(312，314)，所述信号处理部分根据所述单频离散傅里叶变换处理产生压力相位信息(25)，以及调制相位处理部分(26)，它根据所述以前产生的校正调制的相位采样产生调制相位信息；以及校正调制发生器(50)，它根据所述具有最大功率信息的频率和最大功率信息、所述压力相位信息以及所述调制相位信息，产生正弦校正调制信号以抑制所述声学压力波，其中所述校正调制信号与所述声学压力波具有基本相同的频率和通常180度的相位差。
9.根据权利要求8的校正调制系统，其中所述工作系统是燃气涡轮机。
10.根据权利要求8的校正调制系统，其中所述相位输出部分是相位寄存器(56)。
11.根据权利要求10的校正调制系统，还包括直接存储器寻址单元(17)，所述直接存储器寻址单元处理在所述工作系统中产生的所述声学压力波，即由所述压力采样器件输入的声学压力波，并处理所述以前产生的校正调制的相位采样，即由所述相位寄存器输入的相位采样。
12.根据权利要求11的校正调制系统，其中所述直接存储器寻址单元(17)输入来自所述压力采样器件(10)和来自所述相位寄存器(56)的成对的同时采样。
13.根据权利要求12的校正调制系统，其中所述直接存储器寻址单元(14)输入来自所述压力采样器件(10)和来所述自相位寄存器(56)的2048对同时采样。
14.根据权利要求8的校正调制系统，其中所述信号处理部分(20)结合通过所述快速傅里叶变换处理部分(330)进行的快速傅里叶变换处理和通过所述至少两个离散傅里叶变换处理部分(312，314)进行的单频离散傅里叶变换处理使用相应的数学窗口处理(308，310，328)。
15.根据权利要求8的校正调制系统，其中所述校正调制发生器是现场可编程门阵列(50)。
16.根据权利要求8的校正调制系统，其中所述压力采样器件是差分压力传感器(10)。
17.根据权利要求16的校正调制系统，其中所述工作系统为具有燃烧室的燃气涡轮机，所述压力采样器件放置在所述燃烧室内。
18.根据权利要求8的校正调制系统，所述系统还包括自动增益控制(46)，所述自动增益控制将增益信号(53)输出到所述校正调制发生器(50)，由此所述校正调制发生器调节所述校正调制信号。
19.根据权利要求18的校正调制系统，其中所述增益信号(53)正比于所述声学压力波的最大功率，所述增益信号导致残留所述声学压力波。
20.根据权利要求8的校正调制系统，其中由所述至少两个离散傅里叶变换处理部分(312，314)进行的单频离散傅里叶变换处理包括对所述声学压力波采样的第一部分进行第一单频离散傅里叶变换，由所述信号处理部分(20)进行处理以产生压力相位k信息(25)，并对所述声学压力波采样的第二部分进行第二单频离散傅里叶变换，由所述信号处理部分进行处理以产生压力相位k-1信息(25)，以及由所述调制相位处理部分(26)产生的调制相位信息包括调制相位k信息和调制相位k-1信息；以及所述校正调制发生器(50)根据以下信息产生正弦校正调制信号以抑制声学压力波具有最大功率信息的频率和最大功率的信息(334)；所述压力相位k信息和压力相位k-1信息(25)；以及调制相位k信息和调制相位k-1信息(26)。
21.根据权利要求20的校正调制系统，其中所述至少两个离散傅里叶变换处理部分包括第一快速傅里叶变换处理部分(312)，它对所述声学压力波采样的第一部分进行快速傅里叶变换处理；第二快速傅里叶变换处理部分(314)，它对所述声学压力波采样的第二部分进行快速傅里叶变换处理。
22.根据权利要求20的校正调制系统，其中通过所述信号处理部分(20)将所述压力相位k信息与所述调制相位k信息比较以产生校正的相位误差(34)和频率误差(35)；以及通过所述信号处理部分将所述压力相位k-1信息所述与调制相位k-1信息比较以产生所述频率误差(35)。
23.一种在工作系统中用于提供校正调制信号以抑制声学压力波的系统，该系统包括用于采样在所述工作系统(10)中产生的声学压力波的装置；用于采样以前产生的校正调制信号的装置，所述以前产生的校正调制信号具有参数(56)；对所述采样的声学压力波(330)进行快速傅里叶变换处理的装置；对所述采样的声学压力波(312，314)进行单频离散傅里叶变换对处理的装置；根据所述快速傅里叶变换处理和离散傅里叶变换处理(20)确定在所述声学压力波中的主要压力波的频率、相位和幅度的装置；以及根据所述主要压力波的频率、相位和幅度以及所述以前产生的校正调制信号的参数产生正弦校正调制信号(50)以抑制所述声学压力波的装置，所述校正调制信号与所述声学压力波具有基本相同的频率和通常180度的相位差。
24.一种在燃气涡轮机系统中用于提供校正调制信号以抑制声学压力波的方法，该方法包括以下步骤采样在所述燃气涡轮机系统(10)中产生的声学压力波；采样以前产生的校正调制信号，所述以前产生的校正调制信号具有参数(56)；对所述采样的声学压力波(330)进行快速傅里叶变换处理；对所述根据采样的声学压力波进行单频离散傅里叶变换对处理；根据所述快速傅里叶变换处理(312，314)和离散傅里叶变换处理确定在所述声学压力波中的主要压力波的频率、相位和幅度；根据所述主要压力波的频率、相位和幅度以及所述以前产生的校正调制信号的参数产生正弦校正调制信号(50)以抑制声学压力波，所述校正调制信号与所述声学压力波具有基本相同的频率和通常180度的相位差；产生频率误差(35)；产生相位误差(34)；以及根据所述主要压力波的频率误差、相位误差和幅度提供增益控制(46)，所述增益控制产生增益信号以调节所述校正调制信号。
25.根据权利要求24的方法，其中使用压力传感器(10)进行采样。
26.根据权利要求24的方法，其中结合使用数学窗口算法(328)进行对所述采样的声学压力波进行快速傅里叶变换处理的步骤；以及结合使用数学窗口处理(308，310)进行对所述采样的声学压力波进行单频离散傅里叶变换对处理的步骤。
27.根据权利要求24的方法，还包括以下步骤产生校正的相位误差(34)，结合产生校正调制信号的步骤处理所述校正的相位误差；以及产生频率误差(35)，用所述校正的相位误差处理所述频率误差。
28.一种在工作系统中用于提供校正调制信号以抑制声学压力波的校正调制系统，该系统包括采样在所述工作系统中产生的声学压力波以提供所述声学压力波采样的压力采样器件(10)；相位输出部分(56)，所述相位输出部分提供以前产生的校正调制的采样；信号处理部分(20)，它处理所述声学压力波的采样和所述以前产生的校正调制的采样，所述信号处理部分包括对所述声学压力波的采样进行快速傅里叶变换处理的快速傅里叶变换处理部分(330)，所述信号处理部分根据所述快速傅里叶变换产生具有最大功率信息的频率和最大功率信息；进行单频离散傅里叶变换处理的至少一个离散傅里叶变换处理部分(312，314)，所述单频离散傅里叶变换处理包括对所述采样的第一部分进行第一单频离散傅里叶变换，由所述信号处理部分进行处理以产生压力相位K信息；和对所述采样的第二部分进行第二单频离散傅里叶变换，由所述信号处理部分进行处理以产生压力相位K-1信息，以及调制相位处理部分(26)，所述调制相位处理部分根据所述以前产生的校正调制的采样产生调制相位K信息和调制相位K-1信息；根据以下信息产生(50)正弦校正调制信号以抑制所述声学压力波的校正调制发生器；具有最大功率信息的频率和最大功率信息(23)；所述压力相位K信息和压力相位K-1信息(25)；调制相位K信息和调制相位K-1信息(26)；以及所述校正调制信号与所述声学压力波具有基本相同的频率和通常180度的相位差。
29.一种在燃气涡轮机中用于提供校正调制信号以抑制声学压力波的系统，该系统包括用于采样(10)在所述燃气涡轮机中产生的声学压力波的装置；用于采样以前产生的校正调制信号(56)的装置，所述以前产生的校正调制信号具有参数；对所述采样的声学压力波进行快速傅里叶变换处理(330)的装置；对所述采样的声学压力波进行单频离散傅里叶变换对处理(312，314)的装置；根据所述快速傅里叶变换处理和离散傅里叶变换处理(20)确定在所述声学压力波中的主要压力波的频率、相位和幅度的装置；根据所述主要压力波的频率、相位和幅度以及所述以前产生的校正调制信号的参数产生正弦校正调制信号(50)以抑制所述声学压力波的装置，所述校正调制信号与所述声学压力波具有基本相同的频率和通常180度的相位差；产生频率误差(35)的装置；产生相位误差(34)的装置；以及根据所述主要压力波的频率误差、相位误差和幅度提供增益控制(46)的装置，所述增益控制产生增益信号以调节所述校正调制信号。
全文摘要
本发明的系统和方法提供了一种在工作系统中提供校正调制信号以抑制声学压力波的方法。该方法包括采样(10)工作系统产生的声学压力波并采样以前产生的校正调制信号(56)，以前产生的校正调制信号具有参数。所述方法还包括对采样的声学压力波进行快速傅里叶变换处理(330)。对采样的声学压力波进行单频离散傅里叶变换对处理(312，314)。此外，所述方法包括根据快速傅里叶变换处理和离散傅里叶变换处理确定在声学压力波中的主要压力波的频率、相位和幅度(20)。此外，所述方法包括根据主要压力波的频率、相位和幅度以及以前产生的校正调制信号的参数产生正弦校正调制信号(50)以抑制声学压力波，校正调制信号与声学压力波具有基本相同的频率和通常180度的相位差。
文档编号G10K11/178GK1420261SQ0214951
公开日2003年5月28日 申请日期2002年9月19日 优先权日2001年9月19日
发明者J·A·霍格勒, M·G·怀斯, S·M·谢弗, M·E·奥斯丁 申请人:通用电气公司