专利名称：动态测量时域补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种动态参量测量技术，特别适用于当测量元件表现为一阶惯性环节情况。
实现动态测量时域补偿算法的计算机程序主要流程图如图5所示，说明如下(1)采样传感器输出值y0(u0)在第零个采样时刻(即开机时刻)，启动A/D转换，转换结束后由CPU外部数据口读入传感器实际输出值y0即u0(考虑一般工作实际情况，设测量元件开始工作时已处于稳定状态，则y0＝u0)，这个过程称为采样(为提高可靠性，每次采样时，将对于样点连续采样5次，去掉最大最小值，剩余值求平均，将平均值作为采样值，这个过程称为数字滤波)，然后存储u0，为下一步计算有关初始值做准备，然后等待下一个采样时刻；(2)采样传感器输出值y1在第一个采样时刻，采样传感器实际输出值y1；(3)依(1)、(2)式计算K0、u1根据已知数据u0、y1及常数α、β、T，根据公式(1)及(2)式，估算初始折线斜率K0及第一个参量测量值u1并进行存储，为下一采样时刻进入循环测量计算做准备，然后给出(显示)第一个参量测量值u1并等待下一个采样时刻；(4)采样传感器输出值yk从第二个采时刻起，进入循环测量计算过程，之后将每一采样时刻采集到的传感器实际输出值yk进行存储，以便进行相关计算；(5)依(3)式计算传感器输出预估值在(3)式中，常数Δ为采样周期，根据比值Δ/T情况，将指数函数值等效为常数值e-1或其他常数值，以简化计算机程序；(6)偏差绝对值小于M？这是判断框，具体实现方式为首先根据(4)式计算偏差，然后求其绝对值，若采用汇编语言编程，可通过求补计算绝对值，再进行逻辑判断，并根据偏差绝对值是否小于设定阈值执行不同程序(处理)；
(7a)按(5)、(6)式计算Kk、uk若偏差绝对值未超过设定阈值，则说明折线信号未发生转折，根据(5)式，折线斜率将保持不变，再根据(6)式递推计算折线信号，并存储计算结果；(7b)按(7)、(8)式计算Kk、uk若偏差绝对值超过设定阈值，则说明折线信号已经发生转折，先根据(7)式递推计算转折后斜率，再根据(8)式递推计算折线信号，并存储计算结果；(8)输出动态被测参量测量值uk无论发生转折与否，都将计算的折线信号作为本采样时刻的被测参量测量结果进行输出，输出形式或采用CRT显示，或采用数码管显示，或是存储在数组中待测量结束后统一打印输出；(9)测量结束？这是判断框，具体实现方式为判定测量结束的条件根据控制测量结束的条件不同而不同如果根据测量时间进行控制，则要读取定时器值进行判断；如果根据传感器输出值变化特征进行判断(如输出值已经达到稳态)，则要将连续几个输出值进行对比、分析并做出判断；如果根据手动进行控制，则要通过CPU外部数据口读取手动信号(或是脉冲，或是电平)进行判断，并根据测量结束与否执行不同程序(处理)；(10)下一采样时刻？这是判断框，具体实现方式为如果测量没有结束，再判断下一个采样时刻是否到达，主要根据采样周期定时器是否过零进行判断；如果下一个采样时刻未到达，则程序进入等待一判断循环；如果下一个采样时刻已经到达，则程序跳转到第(4)步程序入口处，进行新一轮采样—计算—显示结果过程，这样循环往复，直至测量结束；(11)测量结束处理如果测量结束，则进入结束处理程序，它可以是打印出全部测量结果(通常是打印数组)，或是根据需要进行其他形式的结束处理。
测温实施过程为(1)测温开始后即为第零个采样时刻，进入第零个采样处理过程被测温度通过热电偶变为电流信号，再通过温度变送器变为电压信号，此信号经过低通滤波后加到模数转换芯片输入端；计算机通电后首先执行程序‘采样传感器输出值y0(u0)’计算机启动模数转换，等待转换结束后读取转换数据，这个过程称为采样，接着再连续如此采样4次，之后将5次采样数据进行数字滤波计算，计算结果即为本采样时刻得到的测温热电偶实际输出值y0，然后存储y0(u0)，为下一步计算有关初始值做准备；之后执行‘等待下一个采样时刻’程序循环检测采样周期定时器过零指示端，检测到过零指示后程序进入到第一个采样处理过程；(2)进入到第一个采样处理过程后，执行程序‘采样传感器输出值y1’得到本采样时刻测温热电偶实际输出值y1并进行存储，为下一采样时刻进行测温热电偶输出预估值循环计算做准备；之后执行程序‘依(1)、(2)式计算K0、u1’根据已知数据u0、y1及常数α、β、T，根据公式(1)及(2)式，计算初始折线斜率K0及第一个采样时刻温度测量值u1并进行存储，为下一采样时刻进行温度测量值循环计算做准备；之后执行程序‘输出动态被测参量测量值uk’将第一个温度测量值u1写入8279，从而由4位数码管作为实时测量结果显示出来；之后执行判断程序“测量结束？”读取8279，从而得到手动控制测量结束功能按键信号并进行判断，如果按动了按键，则执行‘测量结束处理’程序，否则，执行“下一个采样时刻？”判断程序(‘等待下一个采样时刻’程序相同)；(3)假设没有按动结束键，则“下一个采样时刻？”程序结束后进入循环测量计算过程，首先执行“采样传感器输出值yk”程序得到第二个采样时刻测温热电偶输出值y2(以后，通过不断循环得到第三、四、五个采样时刻测温热电偶输出值y3、y4、y5等等直到测量结束)并进行存储，为下一采样时刻进行测温热电偶输出预估值循环计算做准备；之后执行程序‘依(3)式计算传感器输出预估值’得到本采样时刻测温热电偶输出预估值；之后执行判断程序‘偏差绝对值小于M？’首先根据本采样时刻测温热电偶输出预估值与本采样时刻测温热电偶实际输出值及(4)式计算偏差，然后求其绝对值并根据该值是否小于设定阈值执行不同程序(处理)；若偏差绝对值小于设定阈值，则说明折线信号未发生转折，之后执行程序“按(5)、(6)式计算Kk、uk”计算未发生转折情况下的温度测量值u2并进行存储；若偏差绝对值大于等于设定阈值，则说明折线信号已经发生转折，之后执行程序“按(7)、(8)式计算Kk、uk”计算发生转折情况下的温度测量值u2并进行存储；判断之后执行程序“输出动态被测参量测量值uk”将第二个采样时刻温度测量值u2由4位数码管实时显示；之后执行判断程序“测量结束？”，判断温度测量是否被要求结束，如果继续进行测量，则执行“下一个采样时刻？”程序，之后返回到本段开头，进行新一轮采样一计算一显示温度测量值过程，这样循环往复，不断显示温度测量结果，直至测量结束；(4)按动结束按键后，执行程序“测量结束处理”将存储全部测量结果数组写入Centronics并行接口，由微型打印机HGUD-T16打印出数据和曲线。
在实验室条件下，根据不同被测温度变化曲线以及带算法不带算法情况进行了对照测温实验，实验结果如图2、图3、图4及表1所示。图2为直接将热电偶输出信号作为温度测量结果情况下阶跃温度信号测量结果；图3为对热电偶输出信号进行时域补偿计算之后阶跃温度信号测量结果；图4为对热电偶输出信号进行时域补偿计算之后对斜坡温度信号测量结果，表1为相应测量数据。
表1测温实验数据

表中T为惯性环节时常数 h为斜坡温度信号u为阶跃温度信号测量结果(无算法) uh为斜坡温度信号测量结果(无算法)u’为阶跃温度信号测量结果(有算法)uh’为斜坡温度信号测量结果(有算法)根据表1数据，对于阶跃温度信号的测量，如果不采用时域补偿算法，测量值能够反映到动态温度准确值的98.2％的时间为4T时刻，而采用时域补偿算法后，测量值能够反映到动态温度准确值的98％的时间为0.5T时刻，测量响应速度提高了7倍；从另一角度看，如果不采用时域补偿算法，则在0.5T时刻的测量结果为准确值的39.3％，采用时域补偿算法后，0.5T时刻的测量结果为准确值的98％，测量精度提高58％；同样，对于斜坡温度信号，也可以由表1数据看出，时域补偿方法能够提高动态温度测量的速度和精度。
所以，采用动态测量时域补偿方法，可以有效提高动态温度测量响应速度以及动态温度测量精度；递推算法简单，实时性好，适合用计算机软件实现，实现语言没有限制，发挥“软测量”优势，灵活性好，除温度外也普遍适用其他物理量测量，只要测量传感器表现为惯性环节即可。
权利要求
1.一种动态测量时域补偿方法，其特征是，将被测参量的变化曲线近似为分段折线，并根据折线转折点及斜率采用外推法递推计算被测参量；为了确定被测参量变化近似折线的转折点及折线斜率，首先，根据惯性环节瞬态响应分析递推计算出相应的传感器输出预估值 然后根据 与传感器实际输出值yk的偏差，动态确定折线模型(转折点及折线斜率)，最后，再通过动态确定的折线模型递推计算得到折线信号值uk(即被测参量动态测量值)，具体计算步骤为根据u0、y1及(1)、(2)式K0＝(y1-u0)×β/T(1)u1＝(y1-u0)×α×β (2)计算折线信号初始斜率k0及折线信号值u1；根据(3)式y^k=yk-1exp(-ΔT)+uk-1(1-exp(-ΔT))+Kk-1Δ-Kk-1T(1-exp(1-ΔT))...(3)]]>递推计算传感器输出预估值 根据(4)式ϵk=y^k-yk...(4)]]>计算偏差从而对于折线信号是否发生转折进行判断；根据折线信号是否发生转折对如下计算进行选择根据(5)、(6)式Kk＝Kk-1(5)uk＝uk-1+Kk-1×Δ (6)递推计算折线斜率Kk与折线信号uk或根据(7)、(8)式Kk＝Kk-1-εk/β/T (7)uk＝uk-1+Kk-1×Δ-εk×α×β (8)递推计算折线斜率Kk与折线信号uk。通过不断采样与递推计算进行动态测量。
全文摘要
一种动态测量时域补偿方法。它是将被测参量的变化曲线近似为分段折线，并根据折线转折点及斜率采用外推法递推计算被测参量；为了确定被测参量变化近似折线的转折点及折线斜率，首先，根据惯性环节瞬态响应分析递推计算出相应的传感器输出预估值∴
文档编号G01D3/028GK1458500SQ0314889
公开日2003年11月26日 申请日期2003年6月17日 优先权日2003年6月17日
发明者朱刚 申请人:北京交通大学