專利名稱：動態(tài)測量時域補償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動態(tài)參量測量技術(shù)，特別適用于當測量元件表現(xiàn)為一階慣性環(huán)節(jié)情況。
實現(xiàn)動態(tài)測量時域補償算法的計算機程序主要流程圖如圖5所示，說明如下(1)采樣傳感器輸出值y0(u0)在第零個采樣時刻(即開機時刻)，啟動A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后由CPU外部數(shù)據(jù)口讀入傳感器實際輸出值y0即u0(考慮一般工作實際情況，設(shè)測量元件開始工作時已處于穩(wěn)定狀態(tài)，則y0＝u0)，這個過程稱為采樣(為提高可靠性，每次采樣時，將對于樣點連續(xù)采樣5次，去掉最大最小值，剩余值求平均，將平均值作為采樣值，這個過程稱為數(shù)字濾波)，然后存儲u0，為下一步計算有關(guān)初始值做準備，然后等待下一個采樣時刻；(2)采樣傳感器輸出值y1在第一個采樣時刻，采樣傳感器實際輸出值y1；(3)依(1)、(2)式計算K0、u1根據(jù)已知數(shù)據(jù)u0、y1及常數(shù)α、β、T，根據(jù)公式(1)及(2)式，估算初始折線斜率K0及第一個參量測量值u1并進行存儲，為下一采樣時刻進入循環(huán)測量計算做準備，然后給出(顯示)第一個參量測量值u1并等待下一個采樣時刻；(4)采樣傳感器輸出值yk從第二個采時刻起，進入循環(huán)測量計算過程，之后將每一采樣時刻采集到的傳感器實際輸出值yk進行存儲，以便進行相關(guān)計算；(5)依(3)式計算傳感器輸出預(yù)估值在(3)式中，常數(shù)Δ為采樣周期，根據(jù)比值Δ/T情況，將指數(shù)函數(shù)值等效為常數(shù)值e-1或其他常數(shù)值，以簡化計算機程序；(6)偏差絕對值小于M？這是判斷框，具體實現(xiàn)方式為首先根據(jù)(4)式計算偏差，然后求其絕對值，若采用匯編語言編程，可通過求補計算絕對值，再進行邏輯判斷，并根據(jù)偏差絕對值是否小于設(shè)定閾值執(zhí)行不同程序(處理)；
(7a)按(5)、(6)式計算Kk、uk若偏差絕對值未超過設(shè)定閾值，則說明折線信號未發(fā)生轉(zhuǎn)折，根據(jù)(5)式，折線斜率將保持不變，再根據(jù)(6)式遞推計算折線信號，并存儲計算結(jié)果；(7b)按(7)、(8)式計算Kk、uk若偏差絕對值超過設(shè)定閾值，則說明折線信號已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)折，先根據(jù)(7)式遞推計算轉(zhuǎn)折后斜率，再根據(jù)(8)式遞推計算折線信號，并存儲計算結(jié)果；(8)輸出動態(tài)被測參量測量值uk無論發(fā)生轉(zhuǎn)折與否，都將計算的折線信號作為本采樣時刻的被測參量測量結(jié)果進行輸出，輸出形式或采用CRT顯示，或采用數(shù)碼管顯示，或是存儲在數(shù)組中待測量結(jié)束后統(tǒng)一打印輸出；(9)測量結(jié)束？這是判斷框，具體實現(xiàn)方式為判定測量結(jié)束的條件根據(jù)控制測量結(jié)束的條件不同而不同如果根據(jù)測量時間進行控制，則要讀取定時器值進行判斷；如果根據(jù)傳感器輸出值變化特征進行判斷(如輸出值已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài))，則要將連續(xù)幾個輸出值進行對比、分析并做出判斷；如果根據(jù)手動進行控制，則要通過CPU外部數(shù)據(jù)口讀取手動信號(或是脈沖，或是電平)進行判斷，并根據(jù)測量結(jié)束與否執(zhí)行不同程序(處理)；(10)下一采樣時刻？這是判斷框，具體實現(xiàn)方式為如果測量沒有結(jié)束，再判斷下一個采樣時刻是否到達，主要根據(jù)采樣周期定時器是否過零進行判斷；如果下一個采樣時刻未到達，則程序進入等待一判斷循環(huán)；如果下一個采樣時刻已經(jīng)到達，則程序跳轉(zhuǎn)到第(4)步程序入口處，進行新一輪采樣—計算—顯示結(jié)果過程，這樣循環(huán)往復(fù)，直至測量結(jié)束；(11)測量結(jié)束處理如果測量結(jié)束，則進入結(jié)束處理程序，它可以是打印出全部測量結(jié)果(通常是打印數(shù)組)，或是根據(jù)需要進行其他形式的結(jié)束處理。
測溫實施過程為(1)測溫開始后即為第零個采樣時刻，進入第零個采樣處理過程被測溫度通過熱電偶變?yōu)殡娏餍盘?，再通過溫度變送器變?yōu)殡妷盒盘枺诵盘柦?jīng)過低通濾波后加到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片輸入端；計算機通電后首先執(zhí)行程序‘采樣傳感器輸出值y0(u0)’計算機啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束后讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，這個過程稱為采樣，接著再連續(xù)如此采樣4次，之后將5次采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波計算，計算結(jié)果即為本采樣時刻得到的測溫熱電偶實際輸出值y0，然后存儲y0(u0)，為下一步計算有關(guān)初始值做準備；之后執(zhí)行‘等待下一個采樣時刻’程序循環(huán)檢測采樣周期定時器過零指示端，檢測到過零指示后程序進入到第一個采樣處理過程；(2)進入到第一個采樣處理過程后，執(zhí)行程序‘采樣傳感器輸出值y1’得到本采樣時刻測溫熱電偶實際輸出值y1并進行存儲，為下一采樣時刻進行測溫熱電偶輸出預(yù)估值循環(huán)計算做準備；之后執(zhí)行程序‘依(1)、(2)式計算K0、u1’根據(jù)已知數(shù)據(jù)u0、y1及常數(shù)α、β、T，根據(jù)公式(1)及(2)式，計算初始折線斜率K0及第一個采樣時刻溫度測量值u1并進行存儲，為下一采樣時刻進行溫度測量值循環(huán)計算做準備；之后執(zhí)行程序‘輸出動態(tài)被測參量測量值uk’將第一個溫度測量值u1寫入8279，從而由4位數(shù)碼管作為實時測量結(jié)果顯示出來；之后執(zhí)行判斷程序“測量結(jié)束？”讀取8279，從而得到手動控制測量結(jié)束功能按鍵信號并進行判斷，如果按動了按鍵，則執(zhí)行‘測量結(jié)束處理’程序，否則，執(zhí)行“下一個采樣時刻？”判斷程序(‘等待下一個采樣時刻’程序相同)；(3)假設(shè)沒有按動結(jié)束鍵，則“下一個采樣時刻？”程序結(jié)束后進入循環(huán)測量計算過程，首先執(zhí)行“采樣傳感器輸出值yk”程序得到第二個采樣時刻測溫熱電偶輸出值y2(以后，通過不斷循環(huán)得到第三、四、五個采樣時刻測溫熱電偶輸出值y3、y4、y5等等直到測量結(jié)束)并進行存儲，為下一采樣時刻進行測溫熱電偶輸出預(yù)估值循環(huán)計算做準備；之后執(zhí)行程序‘依(3)式計算傳感器輸出預(yù)估值’得到本采樣時刻測溫熱電偶輸出預(yù)估值；之后執(zhí)行判斷程序‘偏差絕對值小于M？’首先根據(jù)本采樣時刻測溫熱電偶輸出預(yù)估值與本采樣時刻測溫熱電偶實際輸出值及(4)式計算偏差，然后求其絕對值并根據(jù)該值是否小于設(shè)定閾值執(zhí)行不同程序(處理)；若偏差絕對值小于設(shè)定閾值，則說明折線信號未發(fā)生轉(zhuǎn)折，之后執(zhí)行程序“按(5)、(6)式計算Kk、uk”計算未發(fā)生轉(zhuǎn)折情況下的溫度測量值u2并進行存儲；若偏差絕對值大于等于設(shè)定閾值，則說明折線信號已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)折，之后執(zhí)行程序“按(7)、(8)式計算Kk、uk”計算發(fā)生轉(zhuǎn)折情況下的溫度測量值u2并進行存儲；判斷之后執(zhí)行程序“輸出動態(tài)被測參量測量值uk”將第二個采樣時刻溫度測量值u2由4位數(shù)碼管實時顯示；之后執(zhí)行判斷程序“測量結(jié)束？”，判斷溫度測量是否被要求結(jié)束，如果繼續(xù)進行測量，則執(zhí)行“下一個采樣時刻？”程序，之后返回到本段開頭，進行新一輪采樣一計算一顯示溫度測量值過程，這樣循環(huán)往復(fù)，不斷顯示溫度測量結(jié)果，直至測量結(jié)束；(4)按動結(jié)束按鍵后，執(zhí)行程序“測量結(jié)束處理”將存儲全部測量結(jié)果數(shù)組寫入Centronics并行接口，由微型打印機HGUD-T16打印出數(shù)據(jù)和曲線。
在實驗室條件下，根據(jù)不同被測溫度變化曲線以及帶算法不帶算法情況進行了對照測溫實驗，實驗結(jié)果如圖2、圖3、圖4及表1所示。圖2為直接將熱電偶輸出信號作為溫度測量結(jié)果情況下階躍溫度信號測量結(jié)果；圖3為對熱電偶輸出信號進行時域補償計算之后階躍溫度信號測量結(jié)果；圖4為對熱電偶輸出信號進行時域補償計算之后對斜坡溫度信號測量結(jié)果，表1為相應(yīng)測量數(shù)據(jù)。
表1測溫實驗數(shù)據(jù)

表中T為慣性環(huán)節(jié)時常數(shù) h為斜坡溫度信號u為階躍溫度信號測量結(jié)果(無算法) uh為斜坡溫度信號測量結(jié)果(無算法)u’為階躍溫度信號測量結(jié)果(有算法)uh’為斜坡溫度信號測量結(jié)果(有算法)根據(jù)表1數(shù)據(jù)，對于階躍溫度信號的測量，如果不采用時域補償算法，測量值能夠反映到動態(tài)溫度準確值的98.2％的時間為4T時刻，而采用時域補償算法后，測量值能夠反映到動態(tài)溫度準確值的98％的時間為0.5T時刻，測量響應(yīng)速度提高了7倍；從另一角度看，如果不采用時域補償算法，則在0.5T時刻的測量結(jié)果為準確值的39.3％，采用時域補償算法后，0.5T時刻的測量結(jié)果為準確值的98％，測量精度提高58％；同樣，對于斜坡溫度信號，也可以由表1數(shù)據(jù)看出，時域補償方法能夠提高動態(tài)溫度測量的速度和精度。
所以，采用動態(tài)測量時域補償方法，可以有效提高動態(tài)溫度測量響應(yīng)速度以及動態(tài)溫度測量精度；遞推算法簡單，實時性好，適合用計算機軟件實現(xiàn)，實現(xiàn)語言沒有限制，發(fā)揮“軟測量”優(yōu)勢，靈活性好，除溫度外也普遍適用其他物理量測量，只要測量傳感器表現(xiàn)為慣性環(huán)節(jié)即可。
權(quán)利要求
1.一種動態(tài)測量時域補償方法，其特征是，將被測參量的變化曲線近似為分段折線，并根據(jù)折線轉(zhuǎn)折點及斜率采用外推法遞推計算被測參量；為了確定被測參量變化近似折線的轉(zhuǎn)折點及折線斜率，首先，根據(jù)慣性環(huán)節(jié)瞬態(tài)響應(yīng)分析遞推計算出相應(yīng)的傳感器輸出預(yù)估值 然后根據(jù) 與傳感器實際輸出值yk的偏差，動態(tài)確定折線模型(轉(zhuǎn)折點及折線斜率)，最后，再通過動態(tài)確定的折線模型遞推計算得到折線信號值uk(即被測參量動態(tài)測量值)，具體計算步驟為根據(jù)u0、y1及(1)、(2)式K0＝(y1-u0)×β/T(1)u1＝(y1-u0)×α×β (2)計算折線信號初始斜率k0及折線信號值u1；根據(jù)(3)式y(tǒng)^k=yk-1exp(-ΔT)+uk-1(1-exp(-ΔT))+Kk-1Δ-Kk-1T(1-exp(1-ΔT))...(3)]]>遞推計算傳感器輸出預(yù)估值 根據(jù)(4)式ϵk=y^k-yk...(4)]]>計算偏差從而對于折線信號是否發(fā)生轉(zhuǎn)折進行判斷；根據(jù)折線信號是否發(fā)生轉(zhuǎn)折對如下計算進行選擇根據(jù)(5)、(6)式Kk＝Kk-1(5)uk＝uk-1+Kk-1×Δ (6)遞推計算折線斜率Kk與折線信號uk或根據(jù)(7)、(8)式Kk＝Kk-1-εk/β/T (7)uk＝uk-1+Kk-1×Δ-εk×α×β (8)遞推計算折線斜率Kk與折線信號uk。通過不斷采樣與遞推計算進行動態(tài)測量。
全文摘要
一種動態(tài)測量時域補償方法。它是將被測參量的變化曲線近似為分段折線，并根據(jù)折線轉(zhuǎn)折點及斜率采用外推法遞推計算被測參量；為了確定被測參量變化近似折線的轉(zhuǎn)折點及折線斜率，首先，根據(jù)慣性環(huán)節(jié)瞬態(tài)響應(yīng)分析遞推計算出相應(yīng)的傳感器輸出預(yù)估值∴
文檔編號G01D3/028GK1458500SQ0314889
公開日2003年11月26日 申請日期2003年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月17日
發(fā)明者朱剛 申請人:北京交通大學(xué)