一种液浮摆式加速度计温度控制模型参数辨识方法技术

一种液浮摆式加速度计温度控制模型参数辨识方法，首次将液浮摆式加速度计温度控制模型由一阶惯性模型修订为一阶延迟惯性模型，并提出了一种基于最优样本空间的参数辨识，并构造了相对残余误差SL作为液浮摆式加速度计温度控制模型参数辨识的回归模型。通过条件判断和迭代计算，得到最优样本空间，实现了纯延迟环节时间常数τ与一阶惯性环节的时间常数T的高精度辨识，为液浮摆式加速度计温度控制系统PID控制参数设计提供了依据，使得液浮摆式加速度计的温度控制精度由一阶惯性模型的±1℃提高到一阶延迟惯性模型的±0.006℃，满足了液浮摆式加速度计的高精度使用要求。

【技术实现步骤摘要】
一种液浮摆式加速度计温度控制模型参数辨识方法
本专利技术涉及一种仪表温度控制模型参数辨识方法，尤其涉及一种液浮摆式加速度计温度控制模型参数辨识的方法，属于测试技术与参数辨识

技术介绍
在某些高精度使用条件下，要求液浮摆式加速度计的温控精度在±0.1℃以内。由于该类型仪表在体积、结构等方面存在制约因素，其加热器件与热敏器件相距一定距离，导致加热器件产生的温度传递到热敏器件存在一定的时间延迟，给温控系统的精度和稳定性带来影响。在目前的液浮摆式加速度计温控系统设计中，往往根据经验将该类型仪表的温度控制模型默认为一阶惯性模型，并针对一阶惯性模型特点对液浮摆式加速度计温度控制系统采用纯比例控制，使得液浮摆式加速度计的温控精度在±1℃左右。由于液浮摆式加速度计属于精密仪表，其温度稳定性与输出精度密切相关，±1℃的温控精度导致了液浮摆式加速度计输出精度无法进一步提高。液浮摆式加速度计温度控制的一阶惯性模型满足了对加速度计输出精度要求不高的应用场合，但是在某些高精度使用条件下，则必须充分考虑液浮摆式加速度计加热器件产生的温度传递到热敏器件存在的时间延迟对温度控制系统精度和稳定性造成的影响。液浮摆式加速度计加热器件产生的温度传递到热敏器件存在时间延迟的数学意义在控制理论中等效为一个时间常数为τ的纯延迟环节，时间常数τ即为液浮摆式加速度计加热器件产生的温度传递到热敏器件的延迟时间。在控制理论中，时间常数为τ的纯延迟环节的波特图幅值始终为1，相角随角频率ω与纯延迟环节时间常数τ的乘积τω大幅衰减。即，纯延迟环节的存在并不影响控制系统的幅值裕度，但对相角裕度的影响较为剧烈，且与角频率ω有关。在进行液浮摆式加速度计温控系统设计时，若仪表纯延迟环节的时间常数τ较大，则随着角频率的增大，温度控制模型默认为一阶惯性模型的情况下系统相角裕度将不满足设计要求，这将直接影响到液浮摆式加速度计温度控制系统的稳定性。在高精度使用条件下，必须针对液浮摆式加速度计加热器件产生的温度传递到热敏器件存在的时间延迟τ进行参数辨识，并对液浮摆式加速度计的温度控制模型进行修订。同时，针对新模型的特点，进行温度控制参数的设计。目前，国内外在液浮摆式加速度计温度控制模型参数辨识的研究中，大多停留在一阶惯性模型的研究和参数辨识，而对纯延迟环节及其时间常数τ进行参数辨识的研究未见公开报道。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，将液浮摆式加速度计温度控制模型由一阶惯性模型修订为一阶延迟惯性模型，并针对该修订模型提出了一种液浮摆式加速度计温度控制模型参数辨识方法，基于最优样本空间对液浮摆式加速度计的纯延迟环节时间常数τ与一阶惯性环节的时间常数T进行了高精度的辨识，同时给出了仪表增益K的计算方法。根据一阶延迟惯性模型参数辨识结果，可以方便的进行液浮摆式加速度计温度控制系统设计，使得液浮摆式加速度计的温度控制精度由一阶惯性模型的±1℃提高到一阶延迟惯性模型的±0.006℃，满足了液浮摆式加速度计的高精度使用要求。本专利技术的技术解决方案是：一种液浮摆式加速度计温度控制模型参数辨识方法，包括仪表测试阶段、模型建模阶段和参数辨识阶段；所述仪表测试阶段的步骤如下：(1)将液浮摆式加速度计装卡在测试工装上；(2)给液浮摆式加速度计施加阶跃激励P，记录液浮摆式加速度计各采样时刻的阶跃响应数据y(t1)、y(t2)、y(t3)、…、y(tn)，n为采样数据量，且n为大于等于2的正整数，并绘制液浮摆式加速度计阶跃响应曲线，阶跃响应曲线存在一个拐点；所述模型建模阶段步骤如下：(3)根据步骤(2)的液浮摆式加速度计各采样时刻的阶跃响应数据，求取液浮摆式加速度计温度控制模型的增益K，其计算方法为如下公式如下：式中，输入的阶跃激励为P，液浮摆式加速度计阶跃响应数据初始值为y(t0)，液浮摆式加速度计阶跃响应数据稳态值为y(tn)。(4)对步骤(2)中液浮摆式加速度计温度控制模型阶跃响应数据进行归一化处理，得到液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据y*(ti)，计算公式如下：式中，y*(t1)、y*(t2)、y*(t3)、…、y*(tn)为各采样时刻的液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据，n为采样数据量；(5)由于步骤(2)中液浮摆式加速度计阶跃响应曲线存在拐点，将液浮摆式加速度计温度控制模型的传递函数修订为一阶惯性环节与纯延迟环节的串联形式，即液浮摆式加速度计温度控制模型的传递函数G(s)写成如下形式:式中，s为复变量，液浮摆式加速度计温度控制模型的增益为K，液浮摆式加速度计温度控制模型的一阶惯性环节时间常数为T，液浮摆式加速度计温度控制模型的纯延迟环节时间常数为τ；(6)对步骤(5)中液浮摆式加速度计温度控制模型的传递函数G(s)进行拉氏反变换，写出时域表达式y(t)：式中，t为时间变量；(7)对步骤(6)中液浮摆式加速度计温度控制模型时域表达式y(t)进行归一化处理，得到液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应表达式y*(t)：(8)将步骤(7)中液浮摆式加速度计温度控制模型的单位阶跃响应表达式y*(t)在t＝t1,t2,t3,…,tL时刻进行线性变换并写成矩阵方程形式：Φ×θ＝N(6)式中，系数矩阵θ为参数矩阵，N为时间变量矩阵；(9)将步骤(8)中的矩阵方程写成参数辨识矩阵：式中，为待辨识参数矩阵，为液浮摆式加速度计温度控制模型一阶惯性环节时间常数T的估计值，为液浮摆式加速度计温度控制模型的纯延迟环节时间常数为τ的估计值，L为参加参数辨识的矩阵样本空间的长度(L＝2,…,n)；所述参数辨识阶段步骤如下：(10)根据步骤(9)的参数辨识矩阵，选择样本空间长度为L进行参数辨识，初始值L＝2，L≤n，将步骤(4)归一化处理后的液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据y*(ti)，i＝1,2,3,…,L，代入步骤(9)的公式(7)参数辨识矩阵中，计算出待辨识参数矩阵(11)根据步骤(10)计算出的待辨识参数进行判断，若计算出的则使L的值加1并返回步骤(10)继续进行参数辨识，若计算出的则利用步骤(10)中得到的待辨识参数矩阵计算液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据y*(ti)的拟合值y*L(ti)，公式如下：(12)利用步骤(11)中液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据y*(ti)的拟合值y*L(ti)，i＝1,2,3,…,n，和步骤(4)中液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据y*(ti)，i＝1,2,3,…,n，计算参数辨识矩阵样本空间长度为L时的相对残余误差SL，公式如下：(13)将步骤(12)中的相对残余误差SL，存入相对残余误差数组S的第L地址单元中，并进行样本空间长度的判断，若L≠n，则使步骤(10)中的L的值加1并返回步骤(10)继续进行辨识；若L＝n，则辨识结束，进行步骤(14)。(14)在步骤(13)的相对残余误差数组S中，找出相对残余误差数组的最小值SLo；(15)根据步骤(14)相对残余误差数组S中的最小值SLo在相对残余误差数组S中的位置Lo，得到最优样本空间，Lo即最优样本空间长度；(16)根据步骤(15)的最优样本空间的样本长度Lo，利用步骤(9)中公式(7)进行参数辨识，得到液浮摆式加速度计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液浮摆式加速度计温度控制模型参数辨识方法，其特征在于包括仪表测试阶段、模型建模阶段和参数辨识阶段；所述仪表测试阶段的步骤如下：(1)将液浮摆式加速度计装卡在测试工装上；(2)给液浮摆式加速度计施加阶跃激励P，记录液浮摆式加速度计各采样时刻的阶跃响应数据y(t1)、y(t2)、…、y(tn)，n为采样数据量，且n为大于等于2的正整数，t为时间变量，并绘制液浮摆式加速度计阶跃响应曲线，阶跃响应曲线存在一个拐点；所述模型建模阶段步骤如下：(3)根据步骤(2)的液浮摆式加速度计各采样时刻的阶跃响应数据，求取液浮摆式加速度计温度控制模型的增益K，计算公式如下：K=y(tn)-y(t0)P---(1)]]>式中，输入的阶跃激励为P，液浮摆式加速度计阶跃响应数据初始值为y(t0)，液浮摆式加速度计阶跃响应数据稳态值为y(tn)；(4)对步骤(2)中液浮摆式加速度计温度控制模型阶跃响应数据进行归一化处理，得到液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据y*(ti)，计算公式如下：y*(ti)=y(ti)-y(t0)y(tn)-y(t0),i=1,2,...,n---(2)]]>式中，y*(t1)、y*(t2)、y*(t3)、…、y*(tn)为各采样时刻的单位阶跃响应数据，n为采样数据量，且n为正整数；(5)由于步骤(2)中液浮摆式加速度计阶跃响应曲线存在拐点，将液浮摆式加速度计温度控制模型的传递函数修订为一阶惯性环节与纯延迟环节的串联形式，即液浮摆式加速度计温度控制模型的传递函数G(s)写成如下形式:G(s)=KTs+1·e-τs---(3)]]>式中，s为复变量，液浮摆式加速度计温度控制模型的增益为K，液浮摆式加速度计温度控制模型的一阶惯性环节时间常数为T，液浮摆式加速度计温度控制模型的纯延迟环节时间常数为τ；(6)对步骤(5)中液浮摆式加速度计温度控制模型的传递函数G(s)进行拉式反变换，写出时域表达式y(t)：y(t)=K(1-e-(t-ιT))---(4)]]>式中，t为时间变量；(7)对步骤(6)中液浮摆式加速度计温度控制模型时域表达式y(t)进行归一化处理，得到液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应表达式y*(t)：y*(t)=1-e-(t-τT)---(5)]]>(8)将步骤(7)中液浮摆式加速度计温度控制模型的单位阶跃响应表达式y*(t)在t＝t1,t2,t3,…,tL(L＝2,…,n)时刻进行线性变换并写成矩阵方程形式：Φ×θ＝N                        (6)式中，系数矩阵Φ=1-ln(1-y*(t1))1-ln(1-y*(t2))......1-ln(1-y*(tL))L×2,θ=τT2×1,N=t1t2...tLL×1,]]>θ为参数矩阵，N为时间变量矩阵；(9)将步骤(8)中的矩阵方程写成参数辨矩阵：θ^L=(ΦTΦ)-1ΦTN---(7)]]>式中，θ^L=τ^LT^LT]]>为待辨识参数矩阵，为液浮摆式加速度计温度控制模型一阶惯性环节时间常数T的估计值，为液浮摆式加速度计温度控制模型的纯延迟环节时间常数τ的估计值,即待辨识参数，L为参加参数辨识的矩阵样本空间的长度；所述参数辨识步骤如下：(10)根据步骤(9)的参数辨识矩阵，选择样本空间长度为L进行参数辨识，初始值L＝2，L≤n，将步骤(4)归一化处理后的液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据y*(ti)，i＝1,2,3,…,L，代入步骤(9)的公式(7)参数辨识矩阵中，计算出待辨识参数矩阵θ^L=τ^LT^LT;]]>(11)根据步骤(10)计算出的待辨识参数进行判断，若计算出的则使L的值加1并返回步骤(10)继续进行参数辨识，若计算出的则利用步骤(10)中得到的待辨识参数矩阵θ^L=τ^LT^LT,]]>计算液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据y*(ti)的拟合值y*L(ti)，公式如下：yL*(ti)=1-e-(ti-τ^LT^L),i=1,2,...,n---(8)]]>(12)利用步骤(11)中液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据y*(ti)的拟合值y*L(ti)，i＝1,2,3,…,n，和步骤(4)中液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据y*(ti)，i＝1,2,3,…,n，计算辨识矩阵样本空间长度为L时的相对残余误差SL，公式如下：SL=Σi=1n(yL*(ti)-y*(ti)y*(ti))2,L∈{2,3,...,n},i=1,2,3,...,n---(9...

【技术特征摘要】
1.一种液浮摆式加速度计温度控制模型参数辨识方法，其特征在于包括仪表测试阶段、模型建模阶段和参数辨识阶段；所述仪表测试阶段的步骤如下：(1)将液浮摆式加速度计装卡在测试工装上；(2)给液浮摆式加速度计施加阶跃激励P，记录液浮摆式加速度计各采样时刻的阶跃响应数据y(t1)、y(t2)、…、y(tn)，n为采样数据量，且n为大于等于2的正整数，t为时间变量，并绘制液浮摆式加速度计阶跃响应曲线，阶跃响应曲线存在一个拐点；所述模型建模阶段步骤如下：(3)根据步骤(2)的液浮摆式加速度计各采样时刻的阶跃响应数据，求取液浮摆式加速度计温度控制模型的增益K，计算公式如下：式中，输入的阶跃激励为P，液浮摆式加速度计阶跃响应数据初始值为y(t0)，液浮摆式加速度计阶跃响应数据稳态值为y(tn)；(4)对步骤(2)中液浮摆式加速度计温度控制模型阶跃响应数据进行归一化处理，得到液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据y*(ti)，计算公式如下：式中，y*(t1)、y*(t2)、y*(t3)、…、y*(tn)为各采样时刻的液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据，n为采样数据量；(5)由于步骤(2)中液浮摆式加速度计阶跃响应曲线存在拐点，将液浮摆式加速度计温度控制模型的传递函数修订为一阶惯性环节与纯延迟环节的串联形式，即液浮摆式加速度计温度控制模型的传递函数G(s)写成如下形式:式中，s为复变量，液浮摆式加速度计温度控制模型的增益为K，液浮摆式加速度计温度控制模型的一阶惯性环节时间常数为T，液浮摆式加速度计温度控制模型的纯延迟环节时间常数为τ；(6)对步骤(5)中液浮摆式加速度计温度控制模型的传递函数G(s)进行拉氏反变换，写出时域表达式y(t)：式中，t为时间变量；(7)对步骤(6)中液浮摆式加速度计温度控制模型时域表达式y(t)进行归一化处理，得到液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应表达式y*(t)：(8)将步骤(7)中液浮摆式加速度计温度控制模型的单位阶跃响应表达式y*(t)在t＝t1,t2,t3,…,tL时刻进行线性变换并写成矩阵方程形式：Φ×θ＝N(6)式中，系数矩阵θ为参数矩阵，N为时间变量矩阵；(9)将步骤(8)中的矩阵方程写成参数辨识矩阵：式中，为待辨识参数矩阵，为液浮摆式加速度计温度控制模型一阶惯性环节时间常数T的估计值，为液浮摆式加速度计温度控制模型的纯延迟环节时间常数τ的估计值,即待辨识参数，L为参数辨识的矩阵样本空间的长度，L＝2,…,n所述参数辨识阶段步骤如下：(10)根据步骤(9)的参数辨识矩阵，选择样本空间长度为L进行参数辨识，初始值L＝2，L≤n，将步骤(4)归一化处理后的液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据y*(ti)，i＝1,2,3,…,L，代入步骤(9)的公式(7)参数辨识矩阵中，计算出待辨识参数矩阵(11)根据步骤(10)计算出的待辨识参数进行判断，若计算出的则使L的值加1并返回步骤(10)继续进行参数辨识，若计算出的则利用步骤(10)中得到的待辨识参数矩阵计算参数液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据y*(ti)的拟合值y*L(ti)，公式如下：(12)利用步骤(11)中液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据y*(ti)的拟合值y*L(ti)，i＝1,2,3,…,n，和步骤(4)中液浮摆式加速度计温度控制模型单位阶跃响应数据y*(ti)，i＝1,2,3,…,n，计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯士伟，李勇，武志忠，张沛勇，王月，付明睿，惠欣，马官营，陈小娟，邱金娟，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11