动态测量时域补偿方法

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，即确定转折点 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(1)、(2)式计算折线信号初始斜率K0及折线信号值u1
K0＝(y1-u0)×β/T                (1)
u1＝(y1-u0)×α×β              (2)
其中u0等于测量开始时刻传感器实际输出值，y1为第一采样时刻传感器实际输出值，T为 传感器惯性环节时常数，Δ为采样周期，α＝Δ/T，β＝1/(α+exp(-α)-1)；
根据(3)式递推计算传感器输出预估值
${\hat{y}}_k=y_{k-1}\exp (-\frac{\Delta }{T})+u_{k1}(1-\exp (-\frac{\Delta }{T}))+K_{k-1}\Delta -K_{k-1}T(1-\exp (-\frac{\Delta }{T}))----\left(3\right)$
其中yk-1、uk-1、Kk-1分别为前一采样时刻的传感器实际输出值、折线信号计算值、折线信 号斜率；
根据(4)式
${ϵ}_k={\hat{y}}_k-y_k----\left(4\right)$
计算偏差从而对于折线信号是否发生转折进行判断，若偏差绝对值小于设定阈值，则判断 为折线信号未发生转折，若偏差绝对值大于等于设定阈值，则判断为折线信号发生了转折；
根据折线信号是否发生转折对如下计算进行选择： 折线信号未发生转折时，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， 折线信号发生转折时，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；
在下一个采样周期，重复上述计算(3)～(8)式过程；采样一次，循环计算一次，直至测 量结束。

一、技术领域\n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。\n二、背景技术\n一般物理量测量(如温度、湿度、气氛测量等)中，由于测量元件(传感器)存在惯 性，影响测量响应速度，从而影响动态测量精度，这是在测量技术中普遍存在的一个比较 难解决的问题。目前有以下解决办法：1.选用不同材料制成的测量元件，如常用湿敏元件 的材料包括：电解质类、金属氧化物类、高分子聚合物类和半导体类，不同材料的元件的 测量响应时间常数不同，分布在秒级与分钟级之间，使用时尽量选用动态性能好(即时间 常数小)的元件；2.改变测量元件制作结构，减小时间常数，提高响应速度；3.根据测量 元件响应时间常数采用动态补偿。这些方法存在以下问题：实际情况下，不同材料测量元 件的选用，往往受到大气与环境条件制约，难以根据动态性能的优劣灵活取舍；测量元件 制作结构改变有限，而且并非所有情况下都能实现；动态补偿为频域动态修正方法，如：“薄 膜热电偶的动态特性及动态补偿研究”(计量学报，第20卷第3期1999年7月)和“传 感器动态误差修正方法探讨”(南京理工大学学报，第24卷第4期2000年8月)，主要用 模拟电路构成模拟滤波器或者用软件构成数字滤波器实现，一般设计出的滤波器阶次较高， 用模拟电路实现有困难，用软件实现又因算法复杂而难以适应实时测量的需要；此外，动 态补偿若为反滤波(反卷积)运算，则通常为高通系统，将测量结果中的噪声信号放大，影响 精度，有时甚至成为发散系统，反滤波结果将更不可信。\n三、发明内容\n本发明解决其技术问题所采用的技术方案：\n本发明为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(传感器模型)分析递推计算出相应的传 感器输出预估值 (k代表测量采样时刻，k＝0，1，2，3…)，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)，具体为：\n(1)计算初始值u1和K0\n根据u0(等于第零采样时刻即测量开始时刻传感器实际输出值y0)、y1(第一采样时 刻传感器实际输出值)及(1)、(2)式\nK0＝(y1-u0)×β/T                                        (1)\nu1＝(y1-u0)×β×α                                      (2)\n计算折线信号初始斜率K0及折线信号值u1(公式中T为传感器惯性环节时常数；Δ为采样 周期；常数α＝Δ/T；常数β＝1/(α+exp(-α)-1)；exp(·)为指数函数)，并且将u1作为第一 采样时刻被测参量值显示输出；\n(2)时域动态补偿计算过程\n从第二采样时刻起(k≥2)，在每一个采样周期内进行以下计算：\n首先采样传感器实际输出值yk，然后根据(3)式\n${\hat{y}}_k=y_{k-1}\exp (-\frac{\Delta }{T})+u_{k-1}(1-\exp (-\frac{\Delta }{T}))+K_{k-1}\Delta -K_{k-1}T(1-\exp (-\frac{\Delta }{T}))---\left(3\right)$\n(其中yk-1、uk-1、Kk-1分别为前一采样时刻的传感器实际输出值、折线信号计算值、折线 信号斜率)\n递推计算传感器输出预估值 再根据(4)式\n${ϵ}_k={\hat{y}}_k-y_k---\left(4\right)$\n计算偏差εk，若偏差绝对值未超过设定阈值即|εk|＜M(M为设定阈值)，则说明折线信 号未发生转折，根据(5)式\nKk＝Kk-1                                                 (5)\n递推计算折线斜率Kk，即保持不变，并根据(6)式\nuk＝uk-1+Kk-1×Δ                                        (6)\n递推计算折线信号uk，并作为本次采样时刻的被测参量值显示输出，然后等待下一个采样 时刻；若偏差绝对值超过设定阈值即|εk|≥M，则说明折线信号已经发生转折，根据(7) 式\nKk＝Kk-1-εk×β/T                                       (7)\n递推计算转折后斜率Kk，并根据(8)式\nuk＝uk-1+Kk-1×Δ-εk×α×β                            (8)\n$u_k=u_{k-1}{K}_{k-1}\times \Delta -{ϵ}_k\times \alpha \times \beta ---\left(8\right)$\n式递推计算折线信号uk，并作为本次采样时刻的被测参量值显示输出，然后等待下一个采 样时刻；\n(3)循环\n在下一个采样周期，返回第(2)步进行循环计算；采样一次，循环计算一次，直至 测量结束。\n四、附图说明\n图1单片计算机智能温度测量实验系统硬件构成框图\n图2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\n图3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\n图4对热电偶输出信号进行时域补偿计算之后斜坡温度信号测量结果\n图5动态测量时域补偿算法的计算机程序主要流程图\n五、具体实施方式\n根据动态测量时域补偿算法设计制作的单片计算机智能温度测量实验系统硬件构成框 图如图1所示。其中，温度传感器采用EU-2型热电偶，将热电偶信号输出端与DDZ-II型 温度变送器信号输入端相连接，使热电偶测温时输出的毫安电流信号变换为标准电压信号， 以便进行模数转换(ADC)；将温度变送器信号输出端经过低通滤波器与模数转换集成电路 芯片ADC0809的模拟信号输入端相连接，低通滤波器由阻容电路构成，它对于测温环境各 种因素在模数转换芯片的模拟信号输入端造成的随机高频干扰具有抑制作用，提高测量精 度；ADC0809为8位模数转换器，将芯片转换数据寄存器管脚与单片机(即单片计算机) 8031数据总线(DBUS)相连，将芯片模数转换启动端与单片机控制总线(CBUS)相连， 将芯片片选端与单片机地址总线(ABUS)相连接，以便在单片机程序控制下进行模数转换； 外设接口集成电路8279具有驱动和电平转换功能，将4位数码显示管管脚与8279输出口 相连接，将五个数字功能键电路于8279输入口相连接，将单片机数据总线(DBUS)与输 入/出口寄存器相连，将单片机控制总线(CBUS)与8279读写控制端相连，将单片机地址 总线(ABUS)与8279片选端相连接，构成温度测量结果实时显示部分与程序运行控制部 分；EPROM2764为电可改写只读存储器，RAM8264为随机读写存储器，将单片机三总线 (ABUS、CBUS、DBUS)与2764及8264对应三总线相连接，构成单片机外接程序存储 器与数据存储器，8264芯片电源端与断电保护(电池电路)相连接，以便在测量过程中， 防止因意外断电造成数据丢失，实现动态测量时域补偿算法的8031单片机汇编语言程序， 通过EPROM写入装置固化到2784之中；微型打印机HGUD-16T通过并行接口Centronics 与单片机三总线相连接，构成测量结果打印输出装置。计算测温系统采样周期为1秒；系 统软件(程序)除实现动态测量时域补偿算法外，还增加了系统监控、自动测试惯性环节 时常数、数字滤波及抗干扰等功能，程序容量为5K。\n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：\n(1)采样传感器输出值y0(u0)\n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；\n(2)采样传感器输出值y1\n在第一个采样时刻，采样传感器实际输出值y1；\n(3)依(1)、(2)式计算K0、u1：\n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；\n(4)采样传感器输出值yk\n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；\n(5)依(3)式计算传感器输出预估值\n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；\n(6)偏差绝对值小于M？\n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)；\n(7a)按(5)、(6)式计算Kk、uk\n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；\n(7b)按(7)、(8)式计算Kk、uk\n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；\n(8)输出动态被测参量测量值uk\n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；\n(9)测量结束？\n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)；\n(10)下一采样时刻？\n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—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；\n(11)测量结束处理\n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。\n测温实施过程为：\n(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；\n(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)；\n(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 —计算—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；\n(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。\n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。\n表1 测温实验数据  t        0.5T   1.0T     1.5T     2.0T     2.5T    3.0T    3.5T     4.0T  u(％)    39.3   63.2     77.7     86.5     91.8    95.0    97.0     98.2  u’(％)  98     99       100      98       99      99      100      99  h        0.5    1.0      1.5      2.0      2.5     3.0     3.5      4.0  uh      0.11   0.37     0.73     1.14     1.58    2.05    2.53     3.02  uh’          0.46   1.04     1.48     2.05     2.49    3.03    3.47     4.04\n表中：\nT为惯性环节时常数                   h为斜坡温度信号\nu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)\nu’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)\n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。\n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。