一种基于卡尔曼滤波的低温辐射计温度控制的方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种基于卡尔曼滤波的低温辐射计温度控制的方法。该方法包括以下步骤确定期望温度值；将所述期望温度值与实际温度值作差运算，获得温度偏差信号；比较所述温度偏差信号与预设阈值信号，若温度偏差信号小于或等于预设阈值信号，则将温度控制系统所采集的温度数据进行卡尔曼滤波后的数据作为实际温度值；若温度偏差信号大于预设阈值信号，则将温度控制系统所采集的温度数据作为实际温度值。本发明专利技术实施例所提供的温度控制方法结合温度偏差信号与预设阈值信号的比较结果来切换卡尔曼滤波，从而既能有效地抑制噪声且保证温度控制系统快速响应和精度的同时，又避免温度控制系统不稳定的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于卡尔曼滤波的低温辐射计温度控制的方法
本专利技术涉及应用于低温辐射计的温度控制系统的
，具体涉及一种基于卡尔曼滤波的应用于低温辐射计的温度控制系统的温度控制的方法。
技术介绍
低温辐射计广泛应用于辐射测量学、光辐射计量学、光谱学和天体物理学等领域。在光辐射计量领域中，低温辐射计已经成为国际上标准化机构公认的探测器基准。低温辐射计中的功率、响应度、热导率和热响应时间常数等基本参数的测量结果都受到环境温度的影响。因此，低温辐射计的温度控制系统是低温辐射计成功稳定运行的重要系统之一，准确且稳定可靠的温度控制系统可为低温辐射计的运行提供一个可靠、稳定的环境。在温度控制系统中，温度控制的准确性和可靠性主要取决于温度控制方法和温度数据采集系统。温度数据采集系统所采集到的温度数据包括过程噪声和测量噪声。若将温度采集系统所采集的温度数据直接使用，将会影响温度控制系统的精度，因此，温度控制方法中需要提供一种适用于低温辐射计的温度数据的滤波算法，在保系统稳定性的同时尽可能地滤除噪声。目前，常用在温度控制方法中的滤波算法包括以下几类：(a)采用滑动平均滤波器、递归数字滤波器(IIR)或非递归型滤波器(FIR)对温度数据进行滤波，从而抑制温度数据中的测量噪声和提高温度控制系统的精度。该方法的缺陷在于：当滑动平均点太少时，对噪声的抑制效果不明显；当滑动平均点太多时，无法及时反映出温度系统的变化。(b)采用中值滤波法、算术平均法或加权递推滤波法对温度数据进行滤波。这些滤波法都存在一定的缺陷，如算术平均法的样本数量难以确定，当样本数量太少时，无法达到预期的噪声抑制效果；当样本数量太多时，系统的灵敏度会降低。加权递推滤波法可对不同采样时间得到的采样值给予不同的权系数，能够迅速反映出当前系统所受到的干扰的严重程度，但该方法降低了数据处理的速度并且在滤波器设计时需要根据噪声频谱设计权系数，设计比较繁琐。(c)针对上述两类滤波算法所存在的问题，有学者提出基于卡尔曼滤波算法的温度控制方法。该方法首先对过程中某一时刻的状态进行估计，然后以测量变量的方式获得反馈。卡尔曼滤波算法可分为时间更新和测量更新两个部分。时间更新方程负责及时向前推算当前状态变量和误差协方差估计的值，以便为下一个时间状态构造先验估计。测量更新方程负责反馈，它将先验估计和新的测量变量结合以构造改进的后验估计。不断地将方差递归，从而估算出最优的温度值。该方法在静态过程中优势比较明显，但是在动态过程时，会不利于温度控制系统的稳定性。因此，针对滑动平均滤波、中值滤波、算术平均滤波、加权平均滤波，对于噪声的抑制不足而且占用资源较多、使得温度控制系统响应慢的问题，以及卡尔曼滤波方法对于动态过程中会导致于温度控制系统的不稳定问题，急需一种低温辐射计的温度控制方法，该方法既能有效地抑制噪声且保证温度控制系统快速响应的同时，又避免温度控制系统不稳定的问题。
技术实现思路
针对现有低温辐射计的温度控制方法所存在的精度问题，本专利技术实施例提出一种基于卡尔曼滤波的低温辐射计温度控制的方法。该温度控制方法结合温度偏差信号与预设阈值信号的比较结果来切换卡尔曼滤波，使得当温度控制系统处于静态过程时，采用卡尔曼滤波对所采集的温度数据进行滤波，当温度控制系统处于动态过程时，不用卡尔曼滤波对所采集的温度数据进行滤波，从而既能有效地抑制噪声且保证温度控制系统快速响应的同时，又避免温度控制系统不稳定的问题。该基于卡尔曼滤波的低温辐射计温度控制的方法的具体方案如下：一种基于卡尔曼滤波的低温辐射计温度控制的方法，包括以下步骤：确定期望温度值；将所述期望温度值与实际温度值作差运算，获得温度偏差信号；比较所述温度偏差信号与预设阈值信号，若温度偏差信号小于或等于预设阈值信号，则将温度控制系统所采集的温度数据进行卡尔曼滤波后的数据作为实际温度值；若温度偏差信号大于预设阈值信号，则将温度控制系统所采集的温度数据作为实际温度值。优选地，所述卡尔曼滤波的具体滤波计算过程如下所示：确定温度控制系统的状态方程的表达式和温度控制系统的测量值的表达式；确定下一步的状态估计值的表达式及相应协方差的表达式；确定当前状态的最有估计值的表达式和相应的协方差的表达式。优选地，所述状态方程的表达式如公式1所示，所述测量值的表达式如公式2所示：公式1：X(k)＝AX(k-1)+BU(k)+W(k)其中，X(k)是k时刻的系统状态，U(k)是k时刻对系统的控制量，A和B是系统的参数矩阵，W(k)表示过程噪声；公式2：Z(k)＝HX(k)+V(k)其中，Z(k)是k时刻的测量值，H是测量系统参数矩阵，V(k)表示测量噪声。优选地，所述下一步的状态估计值的表达式如公式3所示，所述相应的协方差的表达式如公式4所示：公式3：X(k|k-1)＝AX(k-1|k-1)+BU(k)其中，X(k|k-1)是上利用上一状态得到的预测结果，X(k-1|k-1)是上一状态最优结果，U(k)为现在状态的控制量；公式4：P(k|k-1)＝AP(k-1|k-1)A′+Q其中，P(k|k-1)是X(k|k-1)对应的协方差，P(k-1|k-1)是X(k-1|k-1)对应的协方差，A′表示A的转置矩阵，Q是系统过程的协方差。优选地，在确定所述下一步的状态估计值的表达式及相应协方差的表达式过程中，假设所述过程噪声W(k)和测量噪声V(k)均为高斯白噪声。优选地，所述当前状态的最有估计值的表达式如公式5所示，所述当前状态的相应的协方差的表达式如公式7所示：公式5：X(k|k)＝X(k|k-1)+Kg(k)(Z(k)-HX(k|k-1))其中，Kg为卡尔曼增益，Kg的具体表达式如公式6所示：公式6：Kg(k)＝P(k|k-1)H′/(HP(k|k-1)H′+R)公式7：P(k|k)＝(I-Kg(k-1)H)P(k|k-1)其中，P(k|k)是误差协方差，I为单位矩阵。优选地，所述预设阈值信号的取值范围使得温度控制系统的精度达到控制精度的至少五倍。本专利技术还提供另一种基于卡尔曼滤波的低温辐射计温度控制的方法，该温度控制的方法与上述方法的区别，采用低温辐射计的开快门和关快门时刻来替代其温度偏差信号大于或等于预设阈值信号的比较判断结果。一种基于卡尔曼滤波的低温辐射计温度控制的方法包括以下步骤：确定期望温度值；将所述期望温度值与实际温度值作差运算，获得温度偏差信号；比较所述温度偏差信号与预设阈值信号，若温度偏差信号小于或等于预设阈值信号，则将温度控制系统所采集的温度数据进行卡尔曼滤波后的数据作为实际温度值；若低温辐射计处于开快门时刻或处于光快门时刻，则将温度控制系统所采集的温度数据作为实际温度值。从以上技术方案可以看出，本专利技术实施例具有以下优点：本专利技术实施例中所提供的基于卡尔曼滤波的低温辐射计温度控制的方法，结合温度偏差信号与预设阈值信号的比较结果来确定是否对所采集的温度数据采用卡尔曼滤波，使得当温度控制系统处于静态过程时，采用卡尔曼滤波对所采集的温度数据进行滤波，当温度控制系统处于动态过程时，不用卡尔曼滤波对所采集的温度数据进行滤波，从而既能有效地抑制噪声且保证温度控制系统快速响应的同时，又避免温度控制系统不稳定的问题。进一步地，该温度控制方法无需增加其他温度传感器，从而有效地降低本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于卡尔曼滤波的低温辐射计温度控制的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：确定期望温度值；将所述期望温度值与实际温度值作差运算，获得温度偏差信号；比较所述温度偏差信号与预设阈值信号，若温度偏差信号小于或等于预设阈值信号，则将温度控制系统所采集的温度数据进行卡尔曼滤波后的数据作为实际温度值；若温度偏差信号大于预设阈值信号，则将温度控制系统所采集的温度数据作为实际温度值。

【技术特征摘要】
1.一种基于卡尔曼滤波的低温辐射计温度控制的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：确定期望温度值；将所述期望温度值与实际温度值作差运算，获得温度偏差信号；比较所述温度偏差信号与预设阈值信号，若温度偏差信号小于或等于预设阈值信号，则将温度控制系统所采集的温度数据进行卡尔曼滤波后的数据作为实际温度值；若温度偏差信号大于预设阈值信号，则将温度控制系统所采集的温度数据作为实际温度值。2.根据权利要求1所述基于卡尔曼滤波的低温辐射计温度控制的方法，其特征在于，所述卡尔曼滤波的具体滤波计算过程如下所示：确定温度控制系统的状态方程的表达式和温度控制系统的测量值的表达式；确定下一步的状态估计值的表达式及相应协方差的表达式；确定当前状态的最有估计值的表达式和相应的协方差的表达式。3.根据权利要求2所述基于卡尔曼滤波的低温辐射计温度控制的方法，其特征在于，所述状态方程的表达式如公式1所示，所述测量值的表达式如公式2所示：公式1：X(k)＝AX(k-1)+BU(k)+W(k)其中，X(k)是k时刻的系统状态，U(k)是k时刻对系统的控制量，A和B是系统的参数矩阵，W(k)表示过程噪声；公式2：Z(k)＝HX(k)+V(k)其中，Z(k)是k时刻的测量值，H是测量系统参数矩阵，V(k)表示测量噪声。4.根据权利要求2所述基于卡尔曼滤波的低温辐射计温度控制的方法，其特征在于，所述下一步的状态估计值的表达式如公式3所示，所述相应的协方差的表达式如公式4所示：公式3：X(k|k-1)＝AX(k-1|k-1)+BU(k)其中，X(k|k-1)是上利用上一状态得到的预测结果，X(k-1|k-1)是上一状态最优结果，U(k)为现在状态的控制量；...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴铎，方伟，王玉鹏，叶新，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22