FB_CMA_PowerCepstrum
Der Baustein berechnet das Leistungscepstrum oder Powercepstrum eines reell-wertigen Eingangssignals.
Das Leistungscepstrum Cp(τ) ist wie folgt, hier in zeitkontinuierlicher Darstellung, definiert:
Es ist entsprechend als inverse Fouriertransformation des logarithmierten Leistungsspektrums (siehe FB_CMA_PowerSpectrum) definiert. Durch Hin- und Rücktransformation ist das Ergebnis wieder im Zeitbereich.
Der Baustein ist für das Monitoring von Getrieben hilfreich, siehe Getriebeüberwachung.
In der numerischen Implementierung wird zunächst das PowerSpectrum berechnet. Der Eingangsdatenpuffer wird dazu mit den unmittelbar vorhergehenden Puffern überlappend kombiniert und mit einer Fensterfunktion multipliziert. Wenn der Wert des Parameters nFFT_Length größer ist als der des Parameter nWindowLength, wird das gefensterte Zeitsignal am Anfang und am Ende mit der gleichen Anzahl Nullen aufgefüllt, um die angeforderte FFT Eingangslänge zu erreichen (Zero Padding ). Anschließend wird eine FFT für reelle Werte angewandt und von den resultierenden komplexen Werten wird der Absolutbetrag sowie das Quadrat der Werte berechnet. Die Werte werden dann logarithmiert. Vor der Logarithmierung wird das Argument mit dem Wert des Parameters fLogThreshold verglichen. Wenn sie kleiner sind werden sie auf diesen Wert gesetzt, um Wertbereichsfehler oder den Versuch, den Logarithmus von Null zu berechnen, zu vermeiden. Anschließend wird erneut eine inverse Fouriertransformation vorgenommen. Das Ergebnis ist dann ein Array mit komplexen Werten.
 | Auswertung des komplex-wertigen Ergebnisses In der Praxis wird, je nach Applikation, der Absolutbetrag, der quadrierte Absolutbetrag oder auch nur der Realteil des komplex-wertigen Leistungscepstrums ausgewertet. Dies ist vom Anwender entsprechend zu implementieren. |
Zum Leistungscepstrum existieren jeweils leicht unterschiedliche Definitionen. Die hier verwendete Definition orientiert sich an gängigen Definitionen von J. Korelus sowie Robert B. Randall, siehe Literaturhinweise.
Abgrenzung zum komplexen Cepstrum:
Das Leistungscepstrum ist zu unterscheiden vom komplexen Cepstrum, welches als logarithmierte Fourier-Rücktransformation des komplexen Spektrums eines Signals definiert ist. Aufgrund der Betragsbildung ist das Leistungscepstrum im Vergleich zum komplexen Cepstrum weniger empfindlich auf die Eigenschaften der Phasenlage des Signals. Des Weiteren liefert das komplexe Cepstrum direkt ein reell-wertiges Ergebnis.
Gedächtniseigenschaften
Aufgrund der Verwendung der Welch-Methode wird jeweils der aktuelle Eingangsdatenpuffer zusammen mit den zuletzt übergebenen Puffern zur Berechnung genutzt. Die Anzahl der einfließenden Puffer ist abhängig von der gewählten Überlappung (nOverlap).
Die Frequenzanalyse berücksichtigt Sprünge in der Zeitreihe. Um ein korrektes Ergebnis zu erzielen, müssen sich deswegen die verwendeten Eingangsdatenpuffer lückenlos und ohne Sprünge aneinanderreihen.
NaN Vorkommnis
Falls der Eingangsvektor einen oder mehrere NaN (Not a Number)-Werte beinhaltet, wird der gesamte Ausgangsvektor mit NaN gefüllt. Siehe separates Kapitel für weitere Information über NaN Werte.
| Behandlung von NaN-Werten Falls die oben beschriebenen Situationen, welche zu NaN-Werten führen, nicht ausgeschlossen oder sicher vernachlässigt werden können, muss das Anwendungsprogramm diese Fehlerwerte behandeln. |
Verhalten bei der Verarbeitung mehrkanaliger Eingangsdaten
Bei der Verarbeitung mehrerer Kanäle (nChannels > 1) besteht die Möglichkeit unterschiedlicher Rückgabewerte je Kanal. In diesem Fall können gesonderte Rückgabewerte am Funktionsbaustein abgefragt werden. Sind die Ergebnisse von einem oder mehreren Kanälen unzulässig, jedoch nicht alle Kanäle, dann entspricht der Wert am Baustein eCM_InfRTime_AmbiguousChannelResults. Sind die Ergebnisse aller Kanäle unzulässig, dann entspricht der Wert am Baustein eCM_ErrRTime_ErrornousChannelResults.
Die Abfrage einer Liste der Rückgabewerte aller Kanäle kann über die Methode GetChannelErrors()erfolgen.
Beispielimplementierung
Eine exemplarische Implementierung ist unter folgendem Link verfügbar: Leistungscepstrum.
Ein- und Ausgänge
Die Ein- und Ausgangspuffer entsprechen einer der folgenden Definitionen (input / output shape). Die variablen Parameter sind Teil des Bausteineingangs stInitPars.
Varianten | Eingangspuffer (MultiArray input stream) | Ausgangspuffer (MultiArray output stream) |
|---|---|---|
Standardvariante |
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|
Mehrkanalige Variante |
|
|
Eingangsparameter
Die Eingangsparameter dieses Bausteins repräsentieren Initialisierungsparameter und müssen bereits bei der Deklaration der FB Instanz zugewiesen werden! (Alternativ: Init()-Methode). Sie dürfen nur einmalig zugewiesen werden. Eine Änderung zur Laufzeit ist nicht möglich.
VAR_INPUT
stInitPars : ST_CM_PowerCepstrum_InitPars; // init parameter
nOwnID : UDINT; // ID for this FB instance
aDestIDs : ARRAY[1..cCMA_MaxDest] OF UDINT; // IDs of destinations for output
nResultBuffers : UDINT := 4; // number of MultiArrays which should be initialized for results (0 for no initialization)
tTransferTimeout : LTIME := LTIME#500US; // timeout checking off during access to inter-task FIFOs
END_VARstInitPars: Baustein-spezifische Struktur mit Initialisierungsparametern vom Typ ST_CM_PowerCepstrum_InitPars. Die Parameter müssen mit der obigen Definition der Ein- und Ausgangspuffer übereinstimmen.nOwnID: Identifiziert die Bausteininstanz mit einer eindeutigen ID. Diese muss immer größer als null sein. Eine bewährte Vorgehensweise ist die Definition einer Enumeration für diesen Zweck.aDestIDs: Legt die Ziele durch Angabe derer IDs fest, zu denen die Ergebnisse weitergeleitet werden sollen. Die Definition des Ausgangspuffers (wie oben beschrieben) muss mit der Definition des Eingangspuffers jedes gewählten Zieles übereinstimmen.nResultBuffers: Der Funktionsbaustein initialisiert einen Transfer Tray Stream mit der gegebenen Anzahl an MultiArray Puffern. Der Defaultwert ist vier.tTransferTimeout: Einstellung des synchronen Timeout für interne MultiArray Weiterleitungen. Siehe Kapitel Parallelverarbeitung.
Ausgangsparameter
VAR_OUTPUT
bError : BOOL; // TRUE if an error occurs. Reset by next method call.
hrErrorCode : HRESULT; // '< 0' = error; '> 0' = info; '0' = no error/info
ipErrorMessage : I_TcMessage := fbErrorMessage; // Shows detailed information about occurred errors, warnings and more.
nCntResults : ULINT; // Counts outgoing results (MultiArrays were calculated and sent to transfer tray).
END_VAR-
bError: Der Ausgang istTRUE, falls ein Fehler auftritt. -
hrErrorCode: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom TypHRESULTausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert. -
ipErrorMessage: Beinhaltet nähere Informationen zum aktuellen Rückgabewert. Siehe hierzu den Abschnitt Fehlerbeschreibung und Information. Für diesen speziellen Schnittstellenzeiger ist intern sichergestellt, dass er immer gültig/zugewiesen ist.
Methoden
Call():
Die Methode wird jeden Zyklus aufgerufen, um den Algorithmus auf die aktuellen Eingangsdaten anzuwenden. Der Baustein wartet auf Eingangsdaten, sofern die Methode weder neue Ergebnisse noch einen Fehler angibt. Dies ist ein reguläres Verhalten im Ablauf der Analysekette.
- Rückgabewert: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom Typ
HRESULTausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert.
METHOD Call : HRESULT
VAR_OUTPUT
bNewResult : BOOL; // TRUE every time when outgoing MultiArray was calculated and sent to transfer tray.
bError : BOOL; // TRUE if an error occurs.
hrErrorCode : HRESULT; // '< 0' = error; '> 0' = info; '0' = no error/info
END_VARbError: Der Ausgang istTRUE, falls ein Fehler auftritt.hrErrorCode: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom TypHRESULTausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert. Dieser Ausgang ist identisch zum Rückgabewert der Methode.
| Falls ein Timeout eintritt oder kein MultiArray Puffer für das Ergebnis verfügbar ist, so gehen weder die Eingangsdaten noch die Ergebnisdaten verloren. Sie werden beim nächsten Aufruf weitergeleitet. |
Init():
Üblicherweise ist diese Methode in einer Condition Monitoring Applikation nicht notwendig. Sie bietet eine Alternative zur Bausteininitialisierung. Die Init() Methode darf nur während der Initialisierungsphase der SPS aufgerufen werden. Sie kann nicht während der Laufzeit verwendet werden. Es sei auf die Verwendung von einer FB_init Methode oder dem Attribut 'call_after_init' hingewiesen (siehe TwinCAT SPS Referenz). Hiermit wird zudem die Bausteinkapselung erleichtert.
Die Eingangsparameter der Bausteininstanz dürfen nicht bei der Deklaration zugewiesen werden, falls die Initialisierung mit der Init() Methode erfolgen soll.
- Rückgabewert: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom Typ
HRESULTausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert.
METHOD Init : HRESULT
VAR_INPUT
stInitPars : ST_CM_PowerCepstrum_InitPars; // init parameter
nOwnID : UDINT; // ID for this FB instance
aDestIDs : ARRAY[1..cCMA_MaxDest] OF UDINT; // IDs of destinations for output
nResultBuffers : UDINT := 4; // number of MultiArrays which should be initialized for results (0 for no initialization)
END_VARstInitPars: Baustein-spezifische Struktur mit Initialisierungsparametern vom Typ ST_CM_PowerCepstrum_InitPars. Die Parameter müssen mit der obigen Definition der Ein- und Ausgangspuffer übereinstimmen.nOwnID: Identifiziert die Bausteininstanz mit einer eindeutigen ID. Diese muss immer größer als null sein. Eine bewährte Vorgehensweise ist die Definition einer Enumeration für diesen Zweck.aDestIDs: Legt die Ziele durch Angabe derer IDs fest, zu denen die Ergebnisse weitergeleitet werden sollen. Die Definition des Ausgangspuffers (wie oben beschrieben) muss mit der Definition des Eingangspuffers jedes gewählten Zieles übereinstimmen.nResultBuffers: Der Funktionsbaustein initialisiert einen Transfer Tray Stream mit der gegebenen Anzahl an MultiArray Puffern. Der Defaultwert ist vier.
ResetData():
Die Methode löscht alle bereits hinzugefügten Datensätze, vgl. Gedächtniseigenschaft des Funktionsbausteins. Wird nach einem ResetData() die Call()-Methode wieder aufgerufen, muss entsprechend erst der interne Speicher wieder aufgefüllt werden um ein gültiges Ergebnis zu berechnen.
- Rückgabewert: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom Typ
HRESULTausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert.
METHOD ResetData : HRESULT
VAR_INPUT
END_VARPassInputs():
Solange eine FB_CMA_Source Instanz aufgerufen wird und somit Signaldaten zu einem Zielblock übertragen werden, müssen wie in der API SPS Referenz erläutert alle weiteren Blöcke der Analysekette zyklisch aufgerufen werden.
Manchmal ist es sinnvoll, einen Algorithmus für eine bestimmte Zeit nicht auszuführen. Beispielsweise sollten manche Algorithmen nur nach vorherigem Training bzw. Konfiguration ausgeführt werden. Zwar muss der Funktionsbaustein dennoch zyklisch aufgerufen werden, aber es ist ausreichend, wenn die am Baustein ankommenden Daten im Kommunikationsring weitergeleitet werden. Dies geschieht mittels der Methode PassInputs() anstelle der Methode Call(). Hierbei wird der Algorithmus selbst nicht aufgerufen und entsprechend kein Ergebnis berechnet sowie kein Ausgangspuffer generiert.
- Rückgabewert: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom Typ
HRESULTausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert.
METHOD PassInputs : HRESULT
VAR_INPUT
END_VARGetChannelErrors():
Die Methode ermöglicht die Abfrage einer Liste der kanalspezifischen Rückgabewerte bei der Verarbeitung mehrerer Kanäle (nChannels > 1). Ein Aufruf ist sinnvoll für den Fall, dass der Rückgabewert des Bausteins einem der Werte eCM_InfRTime_AmbiguousChannelResults oder eCM_ErrRTime_ErrornousChannelResults entspricht.
-
Rückgabewert: Information über den Ausleseprozess der Liste der Fehlercodes. Der Wert wird auf
TRUEgesetzt, falls die Abfrage erfolgreich war,FALSEanderenfalls.
METHOD GetChannelErrors : BOOL
VAR_IN_OUT
aChannelErrors : ARRAY[*] OF HRESULT;
END_VAR-
aChannelErrors: Fehlerliste vom TypHRESULTder LängenChannels.
Ähnliche Funktionsbausteine
Der Baustein FB_CMA_Envelope eignet sich ebenfalls zur Analyse impulshafter Anregungen mit linearen und nichtlinearen Systembestandteilen.
Voraussetzungen
Entwicklungsumgebung | Zielplattform | Einzubindende SPS-Bibliotheken |
|---|---|---|
TwinCAT v3.1.4022.25 | PC or CX (x86, x64) | Tc3_CM, Tc3_CM_Base |
| Eingeschränkter Funktionsumfang bereits mit CM 3.1 verfügbar. Siehe Abschnitt Kompatibilität. |