用于物位指示器的基于模型的噪聲抑制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及物位測(cè)量。具體地，本發(fā)明涉及物位指示器、用于確定散裝物料的物位 的方法、程序元件以及機(jī)器可讀介質(zhì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了抑制來自依時(shí)間順序的測(cè)量的測(cè)量值中的噪聲，通常使用求平均技術(shù)。這意 味著得到了多個(gè)依時(shí)間順序的測(cè)量值的平均值。應(yīng)得到其平均值的測(cè)量值的數(shù)量可以被選 擇成合適的數(shù)量，并且必須由用戶或服務(wù)人員根據(jù)應(yīng)用手動(dòng)設(shè)置。對(duì)于緩慢變化的測(cè)量，即 散裝物料表面僅緩慢地移動(dòng)，求平均被允許包括大量的測(cè)量值，反之對(duì)于快速測(cè)量則僅有 少量的測(cè)量值。這是因?yàn)?，否則求平均會(huì)導(dǎo)致在輸出的物位與散裝物料表面的位置之間出 現(xiàn)偏移或大的不匹配。
[0003] 特別是當(dāng)在填充料箱與清空料箱之間進(jìn)行切換時(shí)，當(dāng)根據(jù)當(dāng)前的現(xiàn)有技術(shù)使用常 規(guī)的求平均技術(shù)時(shí)，可以觀察到傳感器的該時(shí)滯或慣性。作為求平均的結(jié)果，傳感器可以在 其輸出端具有對(duì)物位變化的延遲響應(yīng)。在最壞的情況下，這種狀況可能導(dǎo)致容器的過度填 充或泵的干運(yùn)行（dry-running)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提高物位指示器的準(zhǔn)確度。
[0005] 這個(gè)目的是通過獨(dú)立權(quán)利要求的特征而實(shí)現(xiàn)的。從屬權(quán)利要求和下面的描述包括 了本發(fā)明的發(fā)展。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，限定了一種用于確定散裝物料的物位的物位指示器，其 包括傳感裝置和控制單元。傳感器裝置用來捕獲與散裝物料在第一時(shí)間點(diǎn)的物位對(duì)應(yīng)的測(cè) 量值。包括這種傳感器裝置的物位指示器是已知的。例如，這些物位指示器是雷達(dá)物位指 示器或超聲裝置，其從天線向散裝物料表面發(fā)射測(cè)量信號(hào)，并且對(duì)接收到的、在散裝物料的 表面（以及可能在諸如容器底板，裝配在容器中的隔板或零件的其他反射體處）反射的信 號(hào)進(jìn)行分析。然后，可以根據(jù)這個(gè)接收到的信號(hào)來確定散裝物料在測(cè)量時(shí)的物位。
[0007] 還可以使用來自測(cè)量的多個(gè)測(cè)量值來計(jì)算物位。然而，可能始終是下述情況：即使 根據(jù)測(cè)量曲線使用多個(gè)測(cè)量值來實(shí)際確定物位，但是準(zhǔn)確地說測(cè)量值中的一個(gè)測(cè)量值對(duì)應(yīng) 于物位。
[0008] 控制單元被設(shè)計(jì)成針對(duì)所捕獲的測(cè)量值執(zhí)行下述步驟：首先，使用所捕獲的測(cè)量 值對(duì)不同且相互獨(dú)立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行更新。這個(gè)"更新"可以意味著所捕獲的測(cè)量值被饋 送到數(shù)學(xué)模型中的每個(gè)數(shù)學(xué)模型中，并且然后模型中的每個(gè)模型根據(jù)這個(gè)測(cè)量值計(jì)算預(yù)測(cè) 的將來的物位。圖5包括針對(duì)結(jié)合卡爾曼（Kalman)濾波器工作的模型的這種更新的概圖。
[0009] 然后控制單元計(jì)算每個(gè)單獨(dú)的模型的質(zhì)量（quality)。具體地，由傳感器裝置在第 一時(shí)間點(diǎn)之后的第二時(shí)間點(diǎn)捕獲的測(cè)量值可以用于這個(gè)目的，該測(cè)量值與散裝物料在第二 時(shí)間點(diǎn)的物位對(duì)應(yīng)。例如，質(zhì)量計(jì)算可以考慮每個(gè)模型在何種程度上預(yù)測(cè)已通過測(cè)量在之 后的時(shí)間點(diǎn)確定的（測(cè)量）物位。
[0010] 然后，控制單元可以根據(jù)模型各自的質(zhì)量對(duì)模型進(jìn)行加權(quán)和組合或選擇模型中的 一個(gè)模型，因此控制單元可以使用所加權(quán)和組合的模型或所選擇的模型來計(jì)算散裝物料在 之后的第二時(shí)間點(diǎn)的物位。然后，控制單元可以輸出所計(jì)算的物位。
[0011] 換句話說，控制單元可以首先使用多個(gè)不同且相互獨(dú)立的數(shù)學(xué)模型，采用在第一 時(shí)間點(diǎn)捕獲的測(cè)量值來計(jì)算散裝物料在第二時(shí)間點(diǎn)的可能物位。然后指示器可以捕獲散裝 物料在第二時(shí)間點(diǎn)的物位。然后通過使用物位來計(jì)算每個(gè)單獨(dú)的模型的質(zhì)量，這個(gè)在第二 時(shí)間點(diǎn)的物位可以用于對(duì)模型進(jìn)行加權(quán)和組合或用于選擇模型中的一個(gè)模型。
[0012] 例如，可以通過將在第二時(shí)間點(diǎn)的物位與由模型計(jì)算的在該第二時(shí)間點(diǎn)的物位進(jìn) 行比較來計(jì)算每個(gè)單獨(dú)的模型的質(zhì)量。
[0013] 然后在第二時(shí)間點(diǎn)輸出散裝物料的物位，盡管這個(gè)物位不是測(cè)量物位而是由所加 權(quán)和組合的模型或僅由所選擇的模型計(jì)算的物位。
[0014] 因此，本發(fā)明的第一方面涉及一種使用不同數(shù)學(xué)模型來預(yù)測(cè)物位的將來的預(yù)計(jì)的 測(cè)量值的物位指示器。
[0015] 使用現(xiàn)有的測(cè)量值對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行更新。這應(yīng)被理解為意味著模型（每個(gè)單獨(dú)的 模型或作為組合的模型）對(duì)將來物位進(jìn)行預(yù)測(cè)（預(yù)估），將來物位是指在特定時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)的 物位，該預(yù)測(cè)涉及將現(xiàn)有的測(cè)量值引入（饋送）到每個(gè)數(shù)學(xué)模型（或組合模型）中，并且根 據(jù)該測(cè)量值計(jì)算在特定時(shí)間點(diǎn)的新的大概值。
[0016] 當(dāng)實(shí)際上到達(dá)這個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí)，通過該裝置實(shí)際測(cè)量物位，并且測(cè)量結(jié)果被用來計(jì) 算每個(gè)單獨(dú)的模型的質(zhì)量。模型的質(zhì)量是其正確地預(yù)測(cè)物位的能力的量度。由特定模型預(yù) 測(cè)的物位與實(shí)際測(cè)量物位之間的差異越大，則質(zhì)量越差。
[0017] 然后，在質(zhì)量計(jì)算的基礎(chǔ)上，單獨(dú)的模型被加權(quán)和組合成組合模型，或最佳的模型 被選擇，然后所述模型被用來計(jì)算進(jìn)一步的將來物位。
[0018] 換句話說，通過與物位的當(dāng)前測(cè)量值進(jìn)行比較來分別檢查所使用的組合模型和/ 或每個(gè)單獨(dú)的模型，因此組合模型可以被調(diào)節(jié)以進(jìn)一步改進(jìn)將來的物位的預(yù)測(cè)。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明，首先測(cè)量物位，并且由數(shù)學(xué)模型中的每個(gè)數(shù)學(xué)模型（或由包括所選 擇的加權(quán)和組合的模型的組合模型）使用測(cè)量結(jié)果來計(jì)算預(yù)測(cè)的將來物位。（數(shù)學(xué)）模型 被用來預(yù)測(cè)將來，即將來預(yù)計(jì)的物位。通過將預(yù)測(cè)結(jié)果與在之后的時(shí)間點(diǎn)捕獲的實(shí)際測(cè)量 值進(jìn)行比較，隨后通過對(duì)單獨(dú)的模型進(jìn)行適當(dāng)選擇或組合來改進(jìn)這種預(yù)測(cè)。由此，可以以高 準(zhǔn)確度來預(yù)測(cè)將來預(yù)計(jì)的物位。
[0020] 在本申請(qǐng)中使用的特定術(shù)語限定如下。
[0021] 狀況（填充/清空/固定）：
[0022] 例如，在測(cè)量位置處出現(xiàn)的狀況是在測(cè)量期間可能出現(xiàn)的例如，諸如料箱/容器 的填充、料箱的清空或其中散裝物料表面不移動(dòng)的狀況下的恒定物位的某些情況。因此，在 特定時(shí)刻存在的"狀況"涉及人會(huì)感知的可見事件。
[0023] 模型/系統(tǒng)模型：
[0024] 在適用情況下，如果需要僅在數(shù)學(xué)上描述狀況的這種純?nèi)祟惛兄詾V除噪聲，進(jìn) 而做出預(yù)測(cè)或在數(shù)學(xué)上對(duì)這些狀況簡單地建模，則適當(dāng)?shù)哪Ｐ褪潜匦璧?。這個(gè)模型并入物 位測(cè)量的物理性質(zhì)。
[0025] 特定數(shù)學(xué)模型描述不同狀況的適用性是不同的。因此，本發(fā)明同時(shí)利用多個(gè)模型。 例如，可以使用微分方程表示單獨(dú)的模型。然后，通常是物位測(cè)量中的情況的時(shí)間離散化產(chǎn) 生時(shí)間離散模型。
[0026]狀態(tài)：
[0027] 狹義的"狀態(tài)"是所尋求的量，例如，散裝物料的物位。在更廣的范圍內(nèi)，狀態(tài)包括 模型的當(dāng)前計(jì)算進(jìn)度。簡單來說，模型在時(shí)間k時(shí)整體（即指明模型的矩陣和向量）看起 來如何？
[0028]如果（時(shí)間離散）模型是已知的，那么狀態(tài)估計(jì)器（例如卡爾曼濾波器）可以被 用來確定系統(tǒng)模型/模型的狀態(tài)。術(shù)語狀態(tài)可以被理解為是指模型和估計(jì)器在固定時(shí)間k 的所有的值/變量的總和。
[0029] 另外，向量可以被稱為狀態(tài)向量。這個(gè)狀態(tài)向量可以包含所尋求的散裝物料表 面的位置^k。此外，這個(gè)狀態(tài)向量還可以包含在散裝物料表面的位置變化處的速度的估 值。因此，僅在某些情況下"物位"能等同于"狀態(tài)"。
[0030] 該物位指示器旨在通過這種手段改進(jìn)確定散裝物料表面的準(zhǔn)確度。實(shí)際測(cè)量值通 常包含噪聲，即，即使對(duì)于固定表面，不能假設(shè)兩個(gè)連續(xù)的測(cè)量返回相同的測(cè)量值，并且因 此返回相同的物位。這種不精確歸因于系統(tǒng)造成的在測(cè)量中固有的噪聲。這種噪聲產(chǎn)生的 原因可能是所使用的部件、指示器本身的設(shè)計(jì)、熱噪聲、外部干擾或固有的系統(tǒng)噪聲，其通 常存在于技術(shù)設(shè)備中。這種不希望的噪聲影響測(cè)量精度。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，控制單元被設(shè)計(jì)成使用卡爾曼濾波器指明數(shù)學(xué)模型 中的每個(gè)數(shù)學(xué)模型。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，控制單元被設(shè)計(jì)成借助于多個(gè)不同且相互獨(dú)立的數(shù) 學(xué)模型，使用所計(jì)算的在第二時(shí)間點(diǎn)的物位指明散裝物料在第三時(shí)間點(diǎn)的可能狀態(tài)，第三 時(shí)間點(diǎn)遲于第二時(shí)間點(diǎn)。
[0033] 根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，模型考慮儲(chǔ)存散裝物料的容器的幾何特征。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，控制單元被設(shè)計(jì)成考慮由物位指示器在第二時(shí)間點(diǎn) 測(cè)量的散裝物料物位與由更新模型計(jì)算的物位之間的差來計(jì)算每個(gè)單獨(dú)的模型的質(zhì)量，并 且對(duì)模型進(jìn)行加權(quán)和組合或選擇模型中的一個(gè)模型。
[0035] 特別地，可以設(shè)置由所加權(quán)和組合的模型或由所選擇的模型計(jì)算的、在第二時(shí)間 點(diǎn)的散裝物料物位被用來對(duì)獨(dú)立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行更新。
[0036] 特別地，這使得不符合當(dāng)前狀況，并且因此返回不正確的物位的預(yù)測(cè)的那些模型 能夠繼續(xù)追蹤散裝物料表面的位置。
[0037] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，限定了一種用于確定散裝物料的物位的方法，在該方法 中首先捕獲與散裝物料在第一時(shí)間點(diǎn)的物位對(duì)應(yīng)的測(cè)量值。然后，使用所捕獲的測(cè)量值對(duì) 不同且相互獨(dú)立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行更新。接著，對(duì)每個(gè)單獨(dú)的模型的質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，并且在每 種情況下根據(jù)模型各自的質(zhì)量對(duì)模型進(jìn)行加權(quán)和組合或者選擇模型中的一個(gè)模型。然后由 所加權(quán)和組合的模型或由所選擇的模型計(jì)算散裝物料在之后的第二時(shí)間點(diǎn)的物位，并且輸 出由所加權(quán)和組合的模型或由所選擇的模型計(jì)算的物