(57)【要約】  信号をフィルタリングするための方法及び装置が提供される。この方法及び装置は、フィルタリングされる信号のサンプルを受け取り、そのサンプルと関連するバイアスを特定する。この方法及び装置は、また、外乱の影響を低減するために、バイアスの一部分と組み合わせて、フィルタリングされる信号の以前のサンプルに対しての期待値を出力する。
2007512629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィルタリングされる信号のサンプルを受け取るステップと、
前記サンプルと関連する、クッション及びインクリメントを含むバイアスを特定するステップと、
前記クッションの大きさに少なくとも部分的に基づく、前記バイアスの一部分と組み合わせて、前記フィルタリングされる信号の以前のサンプルに対しての期待値を出力するステップと
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記バイアスにおける前記クッションは、前記信号の前記以前のサンプル及び前記以前のサンプルに対する前記期待値に、少なくとも部分的に基づいており、
前記バイアスにおける前記インクリメントは、（１）前記サンプル間の実際の変化と、（２）前記サンプル間の予期される変化との差に、少なくとも部分的に基づく、
方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記バイアスの一部分と組み合わせて、前記フィルタリングされる信号の以前のサンプルに対しての期待値を出力する前記ステップは、
前記バイアスと関連する重みを特定するステップと、
前記バイアスを前記重みで除算して、前記以前のサンプルの前記期待値と組み合わせる前記バイアスの前記一部分を特定するステップと
を含む、方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記重みを特定する前記ステップは、
前記インクリメントが前記クッションと比較して相対的に大きい場合に、より大きい重みを特定するステップと、
前記クッションが前記インクリメントと比較して相対的に大きい場合に、より小さい重みを特定するステップと
を含む、方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、
前記フィルタリングされる信号が不整合の信号方向を有するときに、前記重みは大きくなり、
前記フィルタリングされる信号が整合した信号方向を有するときに、前記重みは小さくなる、
方法。
【請求項６】
請求項３に記載の方法であって、
前記重みを特定する前記ステップは、楕円型の重みづけとダイアモンド型の重みづけとの一方を用いて前記重みを特定するステップを含み、
前記楕円型の重みづけ及び前記ダイアモンド型の重みづけは、前記インクリメントを表す軸に沿った第１の最大値と、前記クッションを表す軸に沿った第２の最大値とに関連し、前記第１の最大値は前記第２の最大値よりも大きい、
方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、
前記第１の最大値は３から１０の間にあり、
前記第２の最大値は０．７５から１の間にある、
方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、前記以前のサンプルと関連するバイアスを特定するステップを更に備え、前記以前のサンプルと関連する前記バイアスは、０のクッションと、前記以前のサンプルと関連する前記バイアス全体を表わすインクリメントとを含むものである、方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、前記以前のサンプルに対する前記期待値を特定するステップは、モデルを用いて前記期待値を特定するステップを含む、方法。
【請求項１０】
信号を受け取る入力部と、
フィルタであって、
前記信号のサンプルと関連する、クッション及びインクリメントを含むバイアスを特定することと、
前記クッションの大きさに少なくとも部分的に基づく前記バイアスの一部分と組み合わせて、前記信号の以前のサンプルに対しての期待値を出力することと
によって、前記信号をフィルタリングするフィルタと
を備える装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置であって、
前記バイアスにおける前記クッションは、少なくとも部分的に、前記信号の前記以前のサンプル及び前記以前のサンプルに対する前記期待値に基づいており、
前記バイアスにおける前記インクリメントは、少なくとも部分的に、（１）前記サンプル間の実際の変化と、（２）前記サンプル間の期待される変化との差に基づく、
装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の装置であって、前記フィルタは、前記バイアスの前記一部分と組み合わせて前記以前のサンプルの前記期待値を出力するものであるが、これは、
前記バイアスと関連する重みを特定することと、
前記バイアスを前記重みにより除算して、前記以前のサンプルの前記期待値と組み合わされる前記バイアスの前記一部分を特定することと
により行われる、
装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置であって、
フィルタリングされる前記信号が不整合の信号方向を有するときに前記重みは大きくなり、
前記フィルタリングされる信号が整合した信号方向を有するときに前記重みは小さくなる、
装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の装置であって、
前記フィルタは、楕円型の重みづけとダイアモンド型の重みづけの一方を使用して前記重みを特定し、
前記楕円型の重みづけ及び前記ダイアモンド型の重みづけは、前記インクリメントを表す軸に沿った第１の最大値と、前記クッションを表す軸に沿った第２の最大値とに関連し、
前記第１の最大値は３から１０の間であり、
前記第２の最大値は０．７５から１の間である、
装置。
【請求項１５】
請求項１０に記載の装置であって、前記フィルタは、前記以前のサンプルと関連するバイアスを特定するように動作し、前記以前のサンプルと関連する前記バイアスは、０のクッションと、前記以前のサンプルと関連する前記バイアス全体を表すインクリメントとを含む、装置。
【請求項１６】
請求項１０に記載の装置であって、前記フィルタはプロセッサを備える、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般的には信号処理システムに関し、より詳細には、信号をフィルタリングするための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
信号処理システムの使用は、多種多様な応用において益々一般的になっている。とりわけ、これらの信号処理システムは、無線信号を処理するために電気通信機器に使用されることや、フィードバック信号を分析するためにプロセス制御機器において使用されることが多い。これらの信号処理システムで処理される信号は、ノイズ又はその他の異常によって悪影響を受けることが多い。
【０００３】
従来の信号処理システムは、ローパス・フィルタを使用して信号をフィルタリングしてノイズ又はその他の異常を取り除く。ローパス・フィルタは、信号処理システムの性能を阻害することなく信号からノイズ又はその他の異常の多くを取り除くことができないことが多い。ノイズ又はその他の異常を信号内に残留させると、典型的には、信号処理システムの動作と干渉することになる。例えば、信号処理システムは、悪影響を受けている信号から必要な情報を抽出することができないことがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、信号をフィルタリングするための装置及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様において、信号のフィルタリングのための方法、システム、及びコンピュータ・プログラムが提供される。この方法、システム、及びコンピュータ・プログラムは、フィルタリングされる信号のサンプルを受け取り、そのサンプルと関連するバイアスを特定する。このバイアスは、クッションとインクリメントとを含む。この方法、システム、及びコンピュータ・プログラムはまた、バイアスの一部分と組み合わせて、フィルタリングされる信号の以前のサンプルに対しての期待値を出力する。このバイアスの上記の一部分は、クッションの大きさに少なくとも部分的に、基づく。
【０００６】
特定の一態様において、バイアスにおけるクッションは、信号の以前のサンプル及び以前のサンプルに対する期待値に少なくとも部分的に基づく。バイアスにおけるインクリメントは、（１）サンプル間の実際の変化と、（２）サンプル間の予期される変化との差に、少なくとも部分的に基づく。
【０００７】
別の特定の態様において、この方法、システム、及びコンピュータ・プログラムは、以前のサンプルと関連するバイアスを特定する。以前のサンプルと関連するバイアスは、０のクッションと、以前のサンプルと関連するバイアス全体を表わすインクリメントとを含む。
【０００８】
その他の技術的特徴は、以下の図面、説明、及び請求項から当業者には容易に明白となる。
【０００９】
本開示のより完全な理解のために、次に添付の図面と合わせて以下の説明を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本開示の一実施形態によるクッション・フィルタを使用してバルブを動作させるための例示のシステム１００を示す。図１に示すシステム１００は例示のためだけのものである。ここでの開示の範囲から逸脱することなく、システム１００のその他の実施形態を使用することもできる。
【００１１】
示した例において、システム１００は、１種又は複数種の材料を貯蔵するタンク１０２を含む。タンク１０２は、１種又は複数種の材料を保管することのできる任意の適当な構造を表す。タンク１０２内の材料はレベル（高さ）１０４まで上昇するが、このレベルは、この例においてはタンクの高さの約半分である。タンク１０２内の材料（１又は複数）のレベル１０４を特定するために、タンク１０２は１又は複数のセンサ１０６を含む。これらのセンサ１０６は、タンク１０２内の材料のレベル１０４を特定又は推定する。センサ１０６は、タンク１０２内の材料のレベル１０４を検知するための、任意の構造、デバイス又は装置を含む。センサ１０２は、タンク１０２内の材料のレベル１０４を計測するので、１又は複数のセンサ１０２は計測デバイスと呼ぶことができる。
【００１２】
図１に示すように、材料は、第１のパイプ１０８及び第２のパイプ１１０からタンク１０２へ流入し、材料は、第３のパイプ１１２を介してタンク１０２を出る。パイプ１０８〜１１２のそれぞれは、１種又は複数種の材料の移送を容易にすることのできる任意の適当な構造を表す。例えば、パイプ１０８〜１１２は、油、水、塩酸、又はその他の任意の１種又は複数種の材料の移送を容易にすることのできる、例えば、鋼やプラチックなどのパイプ又はチューブを表す。
【００１３】
この例においては、第１のパイプ１０８は、材料がバルブ１１４を介してタンク１０２へ入ることを可能にする。バルブ１１４は、１種又は複数種の材料がタンク１０２へ流入するレートを制御する。バルブ１１４は、例えば、パイプ１０８の開口を変化させることができ、バルブの開口をより大きくすると、より多くの材料をパイプ１０８を通して流すことが可能になる。バルブ１１４は、パイプ１０８を通過する１種又は複数種の材料の流れを制御できる任意の構造を含む。
【００１４】
示した例において、システム１００はフィードバック・ループを使用し、このフィードバック・ループは、計測デバイス１１６、コントローラ１１８、及びバルブ調節器１２０を含み、バルブ１１４を制御する。計測デバイス１１６は、パイプ１１２を通る材料（１又は複数）と関連する１又は複数の特徴を監視する。例えば、計測デバイス１１６は、パイプ１１２を通って流れる材料の流量を計測することができる。計測デバイス１１６は、パイプ１１２を通って流れる材料の任意のその他の又は追加の特徴を監視することもできる。計測デバイス１１６はまた、コントローラ１１８へ信号１２２を出力し、この信号１２２は、計測デバイス１１６による計測値を特定する値を含む。システム１００における流量やその他の監視される特徴は、プロセス変数と呼ぶことができ、コントローラ１１８へ供給される信号１２２は、プロセス変数（ＰＶ）信号と呼ぶことができる。計測デバイス１１６は、パイプ１１２を通って流れる材料の少なくとも１つの特徴を計測することのできる任意のハードウエア、ソフトウエア、ファームウエア又はそれらの組合せを含む。
【００１５】
コントローラ１１８は、システム１００におけるバルブ１１４の開閉を制御する。示した実施形態において、コントローラ１１８は、計測デバイス１１６が提供するプロセス変数信号１２２及びセンサ１０６が出力する信号１２４を用いて、バルブ１１４を制御する。一例として、コントローラ１１８はバルブ開度を調節して、タンク１０２内の材料のレベル１０４が所望のレベル又はその近くにとどまるようにする。１つの特定の例として、コントローラ１１８は、信号１２２を使用して、タンク１０２から出る材料の量を判断し、更にコントローラ１１８は、どのようにバルブ１１４の開度を調節するかを判断して、適当な量の材料がタンク１０２内へ代わりに入るようにする。コントローラ１１８は、信号１２４を使用して、レベル１０４が所望のレベル又はその近くにあるかどうかを判定すると共に、いつ第２のパイプ１１０からタンク１０２へ材料が入る可能性があるかを識別する。コントローラ１１８はまた、出力値を含む出力信号（ＯＰ）１２６を発生させ、これらの値は、バルブ１１４を開度の程度を示す。
【００１６】
いくつかの実施形態において、コントローラ１１８はモデル１２８を使用して、システム１００の挙動を予測する。モデル１２８は、例えば、プロセス変数信号１２２、１２４の予期される挙動、及びその予期される挙動に対応する出力信号１２６を表す。コントローラ１１８が信号１２２、１２４で実際の値を受け取ると、コントローラ１１８は、モデル１２８の助けを得て、出力信号１２６で対応する値を出力する。その他の実施形態において、コントローラ１１８は、出力信号１２６を発生させるためにモデル１２８を使用しない。コントローラ１１８は、バルブ１１４の動作を制御するための任意のハードウエア、ソフトウエア、ファームウエア、又はそれらの組合せを含む。
【００１７】
バルブ調節装置１２０は、出力信号１２６中の値を使用して、バルブ開度を調節するか、又はバルブ１１４を現在の位置に留める。例えば、いくつかの実施形態において、信号１２６中の出力値は、バルブ１１４に必要とされる相対的な変化量を示す。これらの実施形態において、正の値は、バルブ１１４を更に開けるべきであることを示し、負の値は、バルブ１１４を更に閉じるべきであることを示し、また、ゼロは、変更が必要でないことを示す。その他の実施形態においては、信号１２６中の出力値は、バルブ１１４の絶対値を示す。これらの実施形態において、ゼロなどの最小値は、バルブ１１４を完全に閉止すべきであることを示し、最大値は、バルブ１１４を完全に開放すべきであることを示し、また、それらの中間の値は、バルブ１１４を部分的に開放すべきであることを示す。バルブ調節装置１２０は、バルブ１１４を開放及び／又は閉止することのできる任意の構造を含む。
【００１８】
この例において、コントローラ１１８はバルブ１１４の動作の制御を試みて、タンク１０２内の材料を所望のレベル１０４又はその近くにとどめるようにする。しかしながら、システム１００における様々な異常が、典型的には、コントローラ１１８の動作の仕方に影響を与える。例えば、タンク１０２内の材料は、膨潤したり波打ったりすることがあり、この要因又はその他の要因により信号１２４中にノイズを発生させる可能性がある。別の例として、第１のパイプ１０８からタンク１０２へ送られる材料の量、及び第３のパイプ１１２を介してタンク１０２から出る材料の量は、コントローラ１１８によって識別できるが、第２のパイプ１１０からタンク１０２へ入る材料は、コントローラ１１８には未知であることがある。このことは、例えば、第２のパイプ１１０からの材料が、処理設備における他のシステムからの再利用される材料であり、且つ任意の所与の時間において再利用される材料の量が未知である場合に、起こり得る。第２のパイプ１１０からタンク１０２へ入る材料は、タンク１０２におけるレベル１０４に対する妨害であり、「ランプ外乱（ramp disturbance）」と呼ぶ。
【００１９】
ノイズ、ランプ外乱、又はその他の異常は、コントローラ１１８の動作の仕方に影響を与える可能性がある。例えば、コントローラ１１８は、ノイズ又は外乱に応答してバルブ１１４の調節を試みる。バルブ１１４の調節は必要である場合と必要でない場合とがあり、不要な調節は、バルブ１１４の磨耗を増大させ、バルブ１１４の動作寿命を低下させ得る。
【００２０】
バルブ１１４に対する不要な調節を低減するための役に立つように、コントローラ１１８は、１又は複数のクッション・フィルタ１３０を使用して１又は複数の信号１２２、１２４をフィルタリングする。フィルタリングされた信号（１又は複数）は、１又は複数の入力１３２ａ、１３２ｂを介してコントローラ１１８により受け取られるものであり、これらの入力のそれぞれは、信号を受け取るための任意の適切な構造を表す。従来のプロセス制御システムは、ローパス・フィルタを使用して信号をフィルタリングし、このローパス・フィルタは、多くの場合、コントローラの性能を妨害することなしに信号からノイズやその他の異常の多くを除去することはできない。一般に、クッション・フィルタ１３０は、バルブ１１４が調節を必要とすることがより明白となるまで、コントローラ１１８によるバルブ１１４の調節を妨げる。このことは、コントローラ性能をおおむね維持するのに役立つ。
【００２１】
クッション・フィルタ１３０は、入力信号（信号１２２や１２４など）を受け取り、フィルタリング処理された出力信号を生成する（次いでコントローラ１１８がその信号を使用する）。入力信号をフィルタリングするために、クッション・フィルタ１３０は、入力信号の実際のサンプルを受け取り、そして、その入力信号にノイズ、ランプ外乱、又は入力信号中のその他の異常がない場合のそのサンプルの状態を識別又は推定することを試みる。
【００２２】
入力信号の各サンプルに対して、クッション・フィルタ１３０は、実際のサンプルと、推定されるいかなる異常もないサンプルとの差異を識別する。この差異を「バイアス」と呼ぶ。次いで、クッション・フィルタ１３０は、どれだけのバイアスがフィルタリング処理された出力信号に含められるべきかを判断する。特に、クッション・フィルタ１３０は、このバイアス計算で「クッション」を実施する。実際上、このクッションは、クッション・フィルタ１３０がフィルタリングされた出力信号中へ含ませるバイアスの量を低減する。
【００２３】
全バイアスを出力する代わりに、クッション・フィルタ１３０は、「補正バイス」又は「バイアス補正」を出力し、これは、クッションを使用して全バイアスを調節した後のものを表す。特定の一例として、入力信号の特定のサンプルに対して、このクッションにより、クッション・フィルタ１３０が全バイアスの９０％を出力するようにさせる。クッションは、入力信号について整合した信号方向が識別されるまで、使用又は保持される。整合した信号方向が識別されると、クッションを「解放」する。すなわち、バイアス計算において使用しないようにする。この時点で、クッション・フィルタ１３０によって、全バイアスが使用され出力される。同様に、入力信号が頻繁に方向を逆転させる場合にはクッションが保持されて、それによって、クッションを信号中のノイズの一部又は全部を吸収するために使用することが可能となる。
【００２４】
いくつかの実施形態において、全バイアスは、次の式を用いて表すことができる。
【００２５】
Bias（ｉ）＝Biascorrection（ｉ）＋Biascushion（ｉ）    （１）
【００２６】
ここで、Ｂｉａｓ（ｉ）はサンプルｉに対する全バイアスを表し、Ｂｉａｓｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ｉ）は、サンプルｉに対する補正されたバイアスを表し、Ｂｉａｓｃｕｓｈｉｏｎ（ｉ）は、クッションを表す。この式は、次のように書き換えることができる。
【００２７】
Biascorrection（ｉ）＝Bias（ｉ）−Biascushion（ｉ）    （２）
【００２８】
これは、フィルタリングされた出力信号に含まれるバイアス補正の量が、クッション・フィルタ１３０により与えられるクッションを全バイアスから引いたものを実際に表すことを、説明する。整合する信号方向が得られると、Ｂｉａｓｃｕｓｈｉｏｎ（ｉ）の値を低減するか又はゼロに設定して、これによってクッションが解除される。
【００２９】
サンプルの値を予測する際に動的モデルを使用するものなどのような、いくつかの実施形態において、バイアスは次の式を使用して表すことができる。
【００３０】
【数１】
2007512629.tif 000003
【００３１】
ここで、ｙ（ｉ）は、入力信号のｉ番目のサンプルを表し、
【数２】
2007512629.tif 000004
は、ｙ（ｉ）の（ｉ−１）番目の予測の期待値を表し、ｄｙｐｒｅｄ（ｉ）は、ｉ番目の期待されるサンプルと（ｉ−１）番目の期待されるサンプルとの間の予測される差を表し、ｄｙｒａｍｐ（ｉ）は、ランプ外乱によって引き起こされる変化を表す。ｄｙｐｒｅｄ（ｉ）およびｄｙｒａｍｐ（ｉ）の値は、モデル１２８を用いて識別してもよく、また、モデル１２８を使用しない場合にはゼロの値を割り当ててもよい。
【００３２】
式（３）を使用すると、ｉ番目のサンプルの推定値は、次の式を用いて表すことができる。
【００３３】
【数３】
2007512629.tif 000005
【００３４】
ここで、λはクッション・フィルタ１３０のフィルタ定数を表す。特定の実施形態において、λの値は、０と１の間にある。
【００３５】
バイアスを計算するための上記の式（３）は、次のように書き換えることができる。
【００３６】
【数４】
2007512629.tif 000006
【００３７】
ここで、ｃｕｓｈｉｏｎ（クッション）は、クッション・フィルタ１３０によって実施されるクッションを表し、ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ（インクリメント）は、フィルタリングされた入力信号のサンプルにおける、期待された変化と実際の変化との不一致を表す。一般に、入力信号が、モデル１２８に従うか又はそのノイズが低い場合には、その結果としてインクリメントが小さくなる。入力信号が、モデル１２８と異なるか又はそのノイズが大きい場合には、その結果としてインクリメントが大きくなる。以下に説明するように、このクッション及びインクリメントの値を使用して、入力信号を更にフィルタリングするためにどの程度の量のクッションを低減すべきかおよび使用すべきかが、判定される。
【００３８】
図１は、クッション・フィルタ１３０を使用してバルブ１１４を動作させる１つの例示のシステム１００を示すが、図１に対して様々な変更を加えることができる。例えば、コントローラ１１８は、任意の数のバルブ１１４の動作を制御するようにしてもよい。また、バルブ１１４及びバルブ調節装置１２０は、単一の一体化ユニットとして形成することもできる。更に、図１は、クッション・フィルタ１３０を使用することのできる１つの動作環境を表している。クッション・フィルタ１３０は、その他の任意のシステムでその他の任意の信号（１又は複数）をフィルタリングするために使用することもできる。
【００３９】
図２は、本開示の一実施形態によるクッション・フィルタを使用する汎用システムを動作させるための、フィードバック・ループの例示の表現２００を示す。この表現２００は、図１のシステム１００や、信号をフィルタリングするためにクッション・フィルタを使用する他の任意のシステムを表すために、使用することができる。図２に示す表現２００は説明のためだけのものである。制御システムのその他の表現を、本開示の範囲から逸脱することなく、使用することもできる。
【００４０】
この例示の実施形態において、コントローラ２１８は、システム２０２を制御するために使用される。システム２０２は、入力信号２０４を受け取って、その入力信号２０４に基づく理想的な出力信号２０６を発生させる任意の適切なシステムを表す。システム２０２は、例えば、製造システム若しくは他の処理システム、信号処理システム、又はその他の任意の適当なシステムを表すこともできる。いくつかの実施形態において、コントローラ２１８はモデル２２８を使用して、システム２０２の将来の挙動を予測する。その他の実施形態において、コントローラ２１８はモデル２２８を使用しない。
【００４１】
理想的には、コントローラ２１８は、理想の出力信号２０６を使用してシステム２０２を制御する。実際には、理想の出力信号２０６は、ノイズ２０８、ランプ外乱２１０又はその他の異常によって劣化していることが多く、これらによって実際の出力信号２１２が生成される。
【００４２】
この表現２００に示すように、コントローラ２１８は、ノイズ２０８やランプ外乱２１０のために変更されている出力信号２１２に対してのみアクセスする。システム２０２に対するより精密な制御を容易にするために、コントローラ２１８はクッション・フィルタ２３０を含み、このクッション・フィルタは実際の出力信号２１２をフィルタリングする。これは、コントローラ２１８に対するノイズ２０８及びその他の異常の影響を低減又は除去するのに役立つ。特定の実施形態において、クッション・フィルタ２３０は、上記の式（１）〜（５）に従って機能する。信号２１２は、入力２３２を介してコントローラ２１８により受け取られ、出力信号は、出力２３４を介して伝達される。
【００４３】
図２は、クッション・フィルタ２３０を使用する汎用システム２０２を動作させるためのフィードバック・ループの表現２００の一例を示すが、図２に対して様々な変更を加えてもよい。例えば、システム２０２からの理想的な出力信号２０６は、ノイズ２０８とランプ外乱２１０との一方のみによって変更することもできる。また、図２は、クッション・フィルタ２３０を使用できる１つの動作環境を表す。クッション・フィルタ２３０は、その他の任意のシステムにおいてその他の任意の信号（１又は複数）をフィルタリングするために使用することができる。特定の例として、クッション・フィルタ２３０は、フィードバック・ループ以外の別の場所において使用することもできる。
【００４４】
図３Ａ及び図３Ｂは、本開示の一実施形態によるクッション・フィルタのクッションを保持及び解除するための例示の機構を示す。説明を容易にするために、図３Ａおよび３Ｂに示す機構を、図１のクッション・フィルタ１３０に関して記述する。同じ又は類似の機構を、図２のクッション・フィルタ２３０又はその他の適切なクッション・フィルタで使用することも可能である。
【００４５】
図３Ａに示すように、２つのベクトル３０２、３０４は、上記の式（５）を使用して計算される２つの可能なバイアス補正を表す。特に、ベクトル３０２、３０４は楕円に沿ってプロットされており、ここで、２つの軸は、式（５）に示されるクッションとインクリメントとを表す。この楕円は、インクリメント軸に沿って最大値ａに達し、また、クッション軸に沿って最大値ｂに達する。
【００４６】
一般に、バイアス補正を表すベクトル３０２が、クッション軸に対して、より平行に近いときに、これは、フィルタリングされている信号は、より整合性のある信号方向を有することを示す。言い換えると、フィルタリングされている信号は、モデル１２８とよりよく整合している、即ち、ノイズの量が少ない。信号がより整合的になるほど、ベクトル３０２はクッション軸に接近し、これは、クッション・フィルタ１３０がクッションを解除してもよいことを示す。この場合、フィルタリングされている信号の期待値と実際値との間の変分は小さく、従ってクッションの必要性は小さい。従って、クッション・フィルタ１３０は、より小さなクッションを使用するか又はクッションを使用せずに、信号をフィルタリングすることができる。
【００４７】
バイアス補正を表すベクトル３０４が、インクリメント軸に対して、より平行に近いときに、これは、フィルタリングされている信号は、より整合性が低い信号方向を有することを示す。言い換えると、フィルタリングされている信号は、モデル１２８との整合性が低い、即ち、ノイズが多い。信号が不整合であるとき、クッション・フィルタ１３０は、クッションを保持し、それを解除しない。この場合に、クッション・フィルタ１３０は、この不整合が、ノイズによって引き起こされるときのように、一時的なものであるかどうか、待って成り行きを見る。
【００４８】
いずれの場合も、クッション・フィルタ１３０は、フィルタリングされた信号における変化の全部又は一部をコントローラ１１８へ供給することができる。次いで、コントローラ１１８は、クッション・フィルタ１３０から受け取った変化に整合させて、バルブ１１４の開度を調節することができる。例えば、変化の一部だけが使用される場合、コントローラ１１８は、バルブ１１４に対して、フィルタリングされた信号によって示されるような大きな調節ではなく、より小さな調節を行う。このようにして、クッション・フィルタ１３０は、フィルタリングされている信号における不整合な値が一時的なものであるか（従って、バルブ調節を必要としないか）どうか、待って成り行きを見る。
【００４９】
特定の実施形態において、クッション・フィルタ１３０は、方向性重みづけ（directional weighting）を使用して、フィルタリングされた信号における変化の一部をコントローラ１１８へ供給する。例えば、ベクトル３０２、３０４は、軸の原点から始まって空間中の点（ｘ，ｙ）に達するベクトルを表す。図３Ａに示すような楕円の形重みづけを使用する場合、ベクトルの重み（weight）は次の式を用いて決定できる。
【００５０】
Weight＝（ｘ２＋ｙ２）０．５              （６）
ｘ＝ａ＊ｓｉｎ（θ）                （７）
ｙ＝ａ＊ｃｏｓ（θ）                （８）
θ＝ｔａｎ−１（Cushion／Increment）    （９）
【００５１】
式（６）は、簡約化して次のように表すことができる。
【００５２】
Weight＝［（ａ２＊Ｉ２＋ｂ２＊Ｃ２）／（Ｉ２＋Ｃ２）］０．５    （１０）
【００５３】
上記の式で、Ｉはインクリメントを表し、Ｃはクッションを表す。
【００５４】
ベクトルの重みは、式（３）を次のように変更することによって、バイアスの計算の中に組み入れることができる。
【００５５】
【数５】
2007512629.tif 000007
【００５６】
ここで、ｗｅｉｇｈｔは、式（１０）を用いて特定されるベクトルの重みを表す。この例において、フィルタリングされる信号に対する予期されない変化は、より大きな重みを生じ、これはＢｉａｓ（ｉ）の値、従って、Ｂｉａｓｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ｉ）の値を、減少させる。式（１）を使用すると、より小さなバイアス補正は、より大きなクッションの使用につながる。同様に、フィルタリングされる信号に対する変化が予期されたものである場合は、より小さな重みを生じ、Ｂｉａｓ（ｉ）の値、従って、Ｂｉａｓｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ｉ）の値を増大させ、より小さなクッションを使用する結果となる。
【００５７】
図３に示すように、クッション・フィルタ１３０は、バイアス補正を調節するためにダイアモンド型の重みづけを使用することもできる。この例において、ベクトル３５２、３５４の重み（weight）は、次の式を用いて計算することができる。
【００５８】
Weight＝（ａ＊｜Ｉ｜＋ｂ＊｜Ｃ｜）／（｜Ｉ｜＋｜Ｃ｜）    （１２）
【００５９】
次いで、この重みを式（１１）に使用することができる。
【００６０】
上記の式を用いて動作するクッション・フィルタ１３０は、ローパス・フィルタよりも効果的なノイズ減衰を得ることができる。図１のシステム１００において、クッション・フィルタ１３０を用いることによる高い性能によって、バルブ１１４に対する調節がより少なくなり、このことは、バルブ１１４の動作寿命を延ばすのに役立つ。また、クッション・フィルタ１３０は、楕円型の重みづけとダイアモンド型の重みづけとの一方又は両方をサポートすることもでき、それは、ａ及びｂに対する値を選択することによって容易に調整することができる。特定の例として、クッション・フィルタ１３０は、ａの値を代表的には３から１０の間で選択し、ｂの値を代表的には０．７５から１の間で選択することによって、調整することもできる。更に、クッション・フィルタ１３０は、クッションを、フィルタリングされる信号の単一のサンプルを使用して発生させることもできる。更に、クッション・フィルタ１３０は、非常に柔軟性があり、多くの異なる用途に使用可能であると共に、簡単に実装できることが多い。
【００６１】
図３Ａ及び図３Ｂは、クッション・フィルタでクッションを保持又は解除するための機構の２つの例を示すが、様々な変更を図３Ａ及び図３Ｂのものに対して行うことができる。例えば、任意適切な機構を使用してベクトルに重みづけすることができる。
【００６２】
図４Ａないし図４Ｃは、本開示の一実施形態による、クッション・フィルタ１３０を使用することによる効果の例を示す。説明を容易にするために、図４Ａないし図４Ｃに示す効果は、図１のクッション・フィルタ１３０に関して記述してある。図２のクッション・フィルタ２３０又はその他の任意の適切なクッション・フィルタを使用しても、同じ又は類似の効果を観察することができる。
【００６３】
図４Ａは、ローパス・フィルタによって実行されるフィルタリングと、クッション・フィルタ１３０によって実行されるフィルタリングとの比較を示す。特に、図４Ａは、フィルタリングされる入力信号４０２を示す。この例において、入力信号４０２は、整合した信号方向を維持しない。代わりに、入力信号４０２は、一方の極値から他方の極値まで広く変化する通常のランダム・ノイズを表す。図４Ａはまた、ローパス・フィルタで処理された入力信号４０４と、クッション・フィルタで処理された入力信号４０６とを示す。ローパス・フィルタ処理された入力信号４０４は、ローパス・フィルタによってフィルタリングされた後の入力信号４０２を表し、クッション・フィルタ処理された入力信号４０６は、クッション・フィルタ１３０によってフィルタリングされた後の入力信号４０２を表す。この例では、ローパス・フィルタ処理された入力信号４０４は、なおも変化量がかなり大きく、それに対して、クッション・フィルタ処理された入力信号４０６の変化は、はるかに少ない。
【００６４】
クッション・フィルタ処理された入力信号４０６は、なおも、元の入力信号４０２の全体的な挙動を追跡する。例えば、入力信号４０２が全体的に高くなると、クッション・フィルタ処理された入力信号４０６も高くなる。同様に、入力信号４０２が全体的に低くなると、クッション・フィルタ処理された入力信号４０６も低くなる。しかしながら、クッション・フィルタ処理された入力信号４０６は、元の入力信号４０２及びローパス・フィルタ処理された入力信号４０４よりも、山と谷とが少ない。
【００６５】
元の信号４０２が、図１のコントローラ１１８により使用されるプロセス変数信号１２２、１２４を表す場合、入力信号４０２をフィルタリングするためにローパス・フィルタを使用すると、なおもバルブ１１４に対する不必要な調節が行われ得る。これは、ローパス・フィルタ処理された入力信号４０４は、なおも広い範囲で変化するためである。対照的に、クッション・フィルタ処理された入力信号４０６はそれほど大きく変化せず、従って、クッション・フィルタ処理された入力信号４０６を使用すると、バルブ１１４に対する調節が少なくなり得る。
【００６６】
バルブ・コントローラ１１８におけるクッション・フィルタ１３０の実際の使用は、図４Ｂ及び図４Ｃに示してある。図４Ｂでは、プロセス変数信号４５２は、コントローラ１１８が発生させる対応する出力信号４５４に対してプロットされており、このコントローラ１１８はローパス・フィルタを使用する。図４Ｂに示すように、プロセス変数信号４５２は広範囲に変化し、とりわけ、ノイズ及び／又はランプ外乱によって悪影響を受けている。出力信号４５４にから分かるように、プロセス変数信号４５２に基づいて、コントローラ１１８はバルブ１１４を高い頻度で調節する。
【００６７】
対照的に、図４Ｃは、プロセス変数信号４８２を、対応する出力信号４８４に対してプロットしたものを示し、このコントローラ１１８はクッション・フィルタ１３０を用いている。図４Ｃで分かるように、プロセス変数信号４８２はなおも大きく変化するが、コントローラ１１８は、図４Ｂにおけるものよりも、バルブ１１４の調節が少ない。このことは、ローパス・フィルタの代わりにクッション・フィルタ１３０を使用すると、バルブ１１４の動きが少ないことを示している。この特定の例においては、バルブの動きは３分の１に減少する。バルブの動きを低減することは、パイプ１０８を通しての流れを向上させると共に、バルブ１１４の寿命を延ばすのに役立つ。
【００６８】
図４ないし図４Ｃは、クッション・フィルタ１３０を使用する効果の例を示しているが、図４Ａないし図４Ｃのものに対して様々な変更を加えることができる。例えば、図４Ａないし図４Ｃに示す様々なプロットは、クッション・フィルタ１３０の使用及び不使用の具体的な例を表す。これらのプロットは例示のためのものである。他のクッション・フィルタは、他の任意の適当な様式で機能することができる。
【００６９】
図５は、本開示の一実施形態によるクッション・フィルタを使用して信号をフィルタリングするための例示的な方法５００を示す。図解と説明を簡単にするために、方法５００は、図１のシステム１００において動作するクッション・フィルタ１３０について説明してある。この方法５００は、任意の適切なシステムにおいて任意の適切なクッション・フィルタにより使用することができる。
【００７０】
クッション・フィルタ１３０は、ステップ５０２において、フィルタリングされる信号の実際のサンプルを受け取る。これに、例えば、クッション・フィルタ１３０がプロセス変数信号１２２、１２４又はその他の任意のフィルタリングされる信号のサンプルを受け取ること含む。クッション・フィルタ１３０は、ステップ５０４において、そのサンプルに対する推定値又は期待値を求める。これに、例えば、クッション・フィルタ１３０がモデル１２８を使用してサンプルの値を推定することを含む。モデル１２８が使用可能ではない場合、これは、クッション・フィルタ１３０が以前のフィルタリングされる信号のサンプル（それがある場合）を推定値として使用することを含む。
【００７１】
クッション・フィルタ１３０は、ステップ５０６において、サンプルと関連する差分又はバイアスを特定する。これは、例えば、クッション・フィルタ１３０が上記の式（５）を用いてクッション及びインクリメントを特定することによってバイアスを特定することを含む。
【００７２】
クッション・フィルタ１３０は、ステップ５０８において、バイアスに関連する重みを求める。これは、例えば、クッション・フィルタ１３０が楕円型、ダイアモンド型、又はその他の型の重みづけ機構を用いてバイアスに関連する重みを求めることを含む。
【００７３】
クッション・フィルタ１３０は、ステップ５１０において、特定された重みを用いて、出力信号に含めるべきバイアスの量を特定する。これは、例えば、クッション・フィルタ１３０が、式（１１）に示すように、特定されたバイアスを重みで除算して修正されたバイアスを生成することを含む。
【００７４】
ステップ５１２において、クッション・フィルタ１３０は、サンプルに対応する値を出力する。これは、例えば、クッション・フィルタ１３０が、サンプルの推定値をバイアスの少しの部分（重みが大きい場合）又はバイアスの多くの部分（重みが小さい場合）と組み合わせて出力することを含む。
【００７５】
追加のサンプルが受け取られる場合には、クッション・フィルタ１３０は、次いで、ステップ５０２へ戻り、新しいサンプルを受け取って処理する。そうでない場合、クッション・フィルタ１３０は信号のフィルタリングを完了し、方法５００が終了する。
【００７６】
特定の実施形態においては、方法５００の最初の施行時には、クッション・フィルタ１３０は、ステップ５０６においてバイアスを計算する際に使用するための以前のサンプルの推定値を有していない。以前のサンプルの推定値を使用できないため、クッション・フィルタ１３０は、ステップ５０６において、クッションがないと仮定する。この手順は、初期設定と呼ぶことができる。その後、クッション・フィルタ１３０は、ステップ５０６において、クッション及びインクリメントの両方を特定し、その後はクッション・フィルタ１３０が通常どおりに動作する。このようにして、クッション・フィルタ１３０は、フィルタリングされる信号から一サンプル分だけ遅れを生じ、クッションは、１つのサンプルを使用してクッション・フィルタ１３０によって生成される。
【００７７】
図５は、信号をフィルタリングするための方法５００の一例を示すが、図５のものに対して様々な変更を加えることができる。例えば、クッション・フィルタ１３０は、実際のサンプルを受け取る前にサンプルの値を推定するようにできる。
【００７８】
図６は、本開示の一実施形態によるクッション・フィルタを使用してバルブを動作させるための例示的な方法６００を示す。図解と説明を容易にするために、方法６００は、図１のシステム１００におけるコントローラ１１８について説明してある。方法６００は、１または複数のバルブを制御するために、任意の適切なシステムにおける任意の適切なコントローラにより使用することもできる。
【００７９】
コントローラ１１８は、ステップ６０２において、１又は複数のプロセス変数信号を受け取る。これは、例えば、コントローラ１１８がパイプを通る材料の流量を識別するプロセス変数信号１２２を受け取ることを含む。これは、また、コントローラ１１８がタンク１０２内の材料のレベル（液面の高さ）を識別するプロセス変数信号１２４を受け取ることも含み得る。
【００８０】
コントローラ１１８は、ステップ６０４において、少なくとも１つのクッション・フィルタ１３０を使用して１又は複数のプロセス変数信号をフィルタリングする。これは、例えば、クッション・フィルタ１３０が図５に示す方法５００を使用して、１又は複数のプロセス変数信号１２２、１２４をフィルタリングすることを含む。
【００８１】
コントローラ１１８は、ステップ６０６において、１又は複数のフィルタ処理されたプロセス変数信号を使用して、バルブ１１４の調節の仕方を決定する。これは、例えば、コントローラ１１８が、モデル１２８を調べて、モデル１２８においての、フィルタ処理されたプロセス変数信号１２２、１２４に対応する値を特定することを含む。
【００８２】
コントローラ１１８は、ステップ６０８において、バルブ１１４の調節の仕方を示す値を出力する。これは、例えば、コントローラ１１８がバルブ調節装置１２０に対して出力信号１２６を出力することを含む。この出力信号１２６は、バルブ調節装置１２０がバルブ１１４を調節するために使用する１又は複数の出力値を含む。
【００８３】
図６は、クッション・フィルタを使用してバルブを動作させるための方法６００の一例を示すが、様々な変更を図６のものに加えることができる。例えば、方法６００は、反復プロセスを表すことができ、この場合、コントローラ１１８は方法６００におけるステップを反復して実行する。
【００８４】
この特許文書を通して使用される、ある種の単語及び語句の定義を記載することは有益である。用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」及び「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、およびその派生語は、限定のない包含を意味する。用語「又は（ｏｒ）」は包括的であり、及び／又は、を意味する。語句「〜と関連する（ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ  ｗｉｔｈ）」及び「それと関連する（ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ  ｔｈｅｒｅｗｉｔｈ）」、並びにその派生語句は、含む、その中に含まれる、〜と相互接続される、包含する、〜の中に包含される、〜へ接続される、〜と接続する、〜へ結合する、〜と結合する、〜と通信可能である、〜と協働する、インターリーブする、並置する、〜に近接する、〜へ結び付けられる、〜と結びつけられる、有する、〜の特性を有する、その他を意味することがある。用語「コントローラ」は、任意のデバイス、システム、又は少なくとも１つの動作を制御するシステム一部を意味する。コントローラは、ハードウエア、ファームウエア、ソフトウエア、又はそれらの少なくとも２つの組合せとして実装することができる。任意の特定のコントローラと関連する機能は、局所型であれ遠隔型であれ、中央集中型又は分散型とすることができる。
【００８５】
本開示は、いくつかの実施形態及び一般的に関連する方法について記述したが、これらの実施形態および方法の変更形態及び置換形態は、当業者には明白であろう。従って、例示的な実施形態についての上述の説明は、本発明を限定も制約もしない。本開示の趣旨と範囲から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲に定義するように、その他の変化、置換、及び変更も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】図１は、本開示の一実施形態によるクッション・フィルタを使用してバルブを動作させる例示のシステムを示す。
【図２】図２は、本開示の一実施形態によるクッション・フィルタを使用して汎用システムを動作させるフィードバック・ループを例示する。
【図３Ａ】図３Ａおよび図３Ｂは、本開示の一実施形態によるクッション・フィルタにおけるクッションを保持及び解放するための例示の機構を示す。
【図３Ｂ】図３Ａおよび図３Ｂは、本開示の一実施形態によるクッション・フィルタにおけるクッションを保持及び解放するための例示の機構を示す。
【図４Ａ】図４Ａない図４Ｃは、本開示の一実施形態によるクッション・フィルタを使用することの例示の効果を示す。
【図４Ｂ】図４Ａない図４Ｃは、本開示の一実施形態によるクッション・フィルタを使用することの例示の効果を示す。
【図４Ｃ】図４Ａない図４Ｃは、本開示の一実施形態によるクッション・フィルタを使用することの例示の効果を示す。
【図５】図５は、本開示の一実施形態によるクッション・フィルタを使用して信号をフィルタリングする例示の方法を示す。
【図６】図６は、本開示の一実施形態によるクッション・フィルタを使用してバルブを動作させる例示の方法を示す。
【図１】
2007512629.tif 000008
【図２】
2007512629.tif 000009
【図３Ａ】
2007512629.tif 000010
【図３Ｂ】
2007512629.tif 000011
【図４Ａ】
2007512629.tif 000012
【図４Ｂ】
2007512629.tif 000013
【図４Ｃ】
2007512629.tif 000014
【図５】
2007512629.tif 000015
【図６】
2007512629.tif 000016
【国際調査報告】
2007512629.tif 000017
2007512629.tif 000018
2007512629.tif 000019