一种基于卡尔曼滤波的数控机床部件能耗分解方法

技术特征：
1.一种基于卡尔曼滤波的数控机床部件能耗分解方法，其特征在于，通过具有电流传感器和电压传感器的信号采集模块、信号调理模块、数据传输卡、计算机以及电源模块的硬件部分和基于labview软件平台的软件部分进行机床能耗的采集分析，包括以下步骤：步骤1，通过所述电流传感器、所述电压传感器采集机床的电流和电压并通过所述数据传输卡传输至所述计算机，计算得出机床消耗总能耗；步骤2，通过无线通讯对机床plc数据进行采集，得出机床驱动部件功耗以及机床部件开关状态；步骤3，进行机床部件能耗分解，利用经验公式计算出处于开状态的每个机床部件的功率之和以及计算误差，并与机床总功率减去驱动部件功率之差进行比较，结合卡尔曼方程进行不断更新迭代，与此同时不断更新协方差矩阵，最终分解得到各个机床部件的能耗，其中，所述信号采集模块采集相应的物理信号，该物理信号包括电流和电压，并将所述物理信号转成模拟或数字信号后传输至所述信号调理模块，经过所述信号调理模块处理后得到清晰完整的信号并直接传输至所述数据采集卡，再由所述数据采集卡转换成usb接口信号，该usb接口信号传输至所述计算机中进行存储，用于进行后续分析，所述计算机通过所述基于labview软件平台的软件部分进行采集所述物理信号的参数设置、数据的波形图显示以及数据存储和处理，所述参数设置包括物理通道的选择，采样模式、采样率、每通道采样数、输入方式的配置以及采样最大最小值的设置，所述数据的波形图显示包括功率、电压及电流三个波形图显示界面、采样参数设置显示界面以及采样信号值显示界面，所述机床部件分解为所述驱动部件、电气控制部件、辅助部件以及其他能耗部件。2.根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波的数控机床部件能耗分解方法，其特征在于：其中，所述驱动部分包括主轴和进给传动系统，所述电气控制部分包括电控柜，所述辅助部分包括液压气压系统、照明系统、排屑系统以及冷却润滑系统，所述液压气压系统包括液压泵和气压泵，所述排屑系统包括排屑机，所述照明系统包括照明灯，所述冷却润滑系统包括抽吸机和冷却润滑泵。3.根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波的数控机床部件能耗分解方法，其特征在于：其中，所述步骤2中采集机床plc数据时通过基于opc-ua的采集系统进行，通过映射构建机床opc-ua模型进行编译和实际opc-ua服务，使用时通过查询数据库访问机床历史状态数据，从而获取所述机床plc数据，得到机床驱动部件功耗以及机床部件开关状态。4.根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波的数控机床部件能耗分解方法，其特征在于：其中，所述步骤3中进行机床部件能耗分解过程中，机床总能耗由机床n个机床部件对应能耗构成，将机床处于开状态的各部件能耗作为状态量x
i
(k)(i＝1,2,3...n)，将现在的状态量作为上一时刻优化后的最优量，机床的能耗为经验公式给出的预测量，由线性微分方程表示，p(k)为系统的协方差矩阵，公式如下：x(k)＝ax(k-1) bu(k) w(k)
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(1)p(k)＝ap(k-1)a
t
q
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(2)能耗测量值z
i
(k)(i＝1,2,3...n)，通过所述信号采集模块测出，结合所述机床plc数据得到机床驱动部件功耗以及机床部件开关状态，通过机床总功率减去驱动部件功率得到，
能耗测量值表示为z(k)＝hx(k) v(k)
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(3)通过卡尔曼滤波算法，根据两个高斯分布的融合仍是高斯分布的特性进行迭代，结合预测部分高斯分布(μ0，σ0)＝(hx(k),hp(k)h
t
)和测量部分高斯分布(μ1，σ1)＝(z(k),r)，得到更新后的卡尔曼系数kg'(k)，最优化能耗估算值x'(k)，更新后的协方差矩阵p'(k)，x'(k)＝x(k) kg’(k)[z(k)-hx(k)]
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(4)p'(k)＝p(k)-kg'(k)hp(k)
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(6)在机床部件能耗分解过程中，保持所述驱动部件开启，所述辅助部件每次只开启一个部件，将其他部件处于关闭状态，通过公式(1)-公式(6)的不断更新迭代，分解得到机床不同部件的不同时刻的最优化能耗，当所述辅助部件的部件能耗分解完毕，计算得到均方根误差和相对误差：当所述辅助部件的部件能耗分解完毕，计算得到均方根误差和相对误差：公式(1)-公式(3)中，x(k)是k时刻的系统状态，u(k)是k时刻对系统的控制量，系统无控制量时为0，a和b是系统参数，而z(k)为k时刻的测量值，h为所述信号采集模块的参数，w(k)和v(k)分别表示预测过程和测量过程的噪声，均为高斯白噪声，且它们的协方差分别是q，r，公式(7)和公式(8)中，p
measure
为功率测量值，p
disaggregated
为功率预测值，n为机床部件总数，i为第i个开状态的机床部件。

技术总结
本发明提供了一种基于卡尔曼滤波的数控机床部件能耗分解方法，通过具有电流传感器和电压传感器的信号采集模块、信号调理模块、数据传输卡、计算机以及电源模块的硬件部分和基于LabView软件平台的软件部分进行机床能耗的采集分析，包括以下步骤：步骤1，通过电流、电压传感器采集机床的电流电压并通过数据传输卡传输至计算机，计算出机床消耗总能耗；步骤2，对机床PLC数据进行采集，得出机床驱动部件功耗和机床部件开关状态；步骤3，利用经验公式计算出处于开状态的每个机床部件的功率之和以及计算误差，并与机床总功率减去驱动部件功率之差进行比较，结合卡尔曼方程进行不断更新迭代，与此同时不断更新协方差矩阵，最终分解得到各个机床部件的能耗。到各个机床部件的能耗。到各个机床部件的能耗。


技术研发人员：冯春花 陈翔 黄石 黄玉贵
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：2020.10.23
技术公布日：2022/5/16