一种基于二维动态系统模型的低频声波液位估计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于二维动态系统模型的低频声波液位估计方法。根据合成声波中相邻三个时刻波长与被测液位高度之间的复杂非线性关系，构建关于驻波波长的二维动态系统模型(包含状态方程和观测方程),并构建发声/收声系统对应的状态和观测噪声证据；然后利用证据推理和随机集理论设计递归循环的驻波波长估计策略，并从递归循环的融合结果推理每个时刻驻波波长估计值；最后由每个时刻驻波波长估计值获得每个时刻液位高度估计值，并对其取平均值计算最终液位高度估计值。该方法可有效地抑制液位测量过程中的系统性及外界噪声误差，从而降低最终的测量误差，对于提升声共振技术的测量精度以及可靠性具有重要的实际意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维动态系统模型的低频声波液位估计方法
本专利技术属于液位测量
，涉及一种基于二维动态系统模型的低频声波液位估计方法。
技术介绍
基于声共振反射原理的液位测量方法已经在污水处理、化学过程、石油存储和运输等行业领域得到了广泛应用。但在实际应用中，由于液体的特殊物理性质和外界晃动，会使得测量液体表面出现泡沫或漂浮物，从而影响测量液位的准确性。虽然利用易发生衍射现象的低频声波等固定频段声共振方法可以有效地解决上述问题，但固定频段声波共振测量原理中发声/收声系统及外界噪声引起的误差会降低最终测量精度。因此根据合成声波中相邻三个时刻驻波波长与测量高度之间的复杂非线性关系，构建关于驻波波长的二维动态系统模型，降低系统噪声影响；并结合证据推理理论和随机集理论等知识，设计递归循环的波长估计方法，降低外界噪声的不确定性影响；最后计算出被测液位高度的估计值。该方法可以有效提升声共振技术的测量精度以及可靠性，对液位测量技术应用具有重要的实际意义。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是针对固定频段声波共振测量原理中发声/收声系统及外本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二维动态系统模型的低频声波液位估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤；/n步骤(1)、利用测量系统的声音发射装置在固定频段内向被测液面垂直持续发射低频声波，液面反射的声波与发射的声波在导声管中产生共振现象，形成驻波，由声音接收装置接收该合成声波；/n步骤(2)、根据合成声波中相邻三个时刻驻波波长与测量高度之间的复杂非线性关系，构建关于驻波波长的二维动态系统模型(包括系统状态方程和观测方程)；/n步骤(3)、基于三角形可能性分布模型建模声音发射/接收装置对应的状态和观测噪声，进而构造相应的系统状态和观测噪声证据；/n步骤(4)、根据初始时刻的二维波长值添加噪声构造的状态证据和观测证据...

【技术特征摘要】
1.一种基于二维动态系统模型的低频声波液位估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤；
步骤(1)、利用测量系统的声音发射装置在固定频段内向被测液面垂直持续发射低频声波，液面反射的声波与发射的声波在导声管中产生共振现象，形成驻波，由声音接收装置接收该合成声波；
步骤(2)、根据合成声波中相邻三个时刻驻波波长与测量高度之间的复杂非线性关系，构建关于驻波波长的二维动态系统模型(包括系统状态方程和观测方程)；
步骤(3)、基于三角形可能性分布模型建模声音发射/接收装置对应的状态和观测噪声，进而构造相应的系统状态和观测噪声证据；
步骤(4)、根据初始时刻的二维波长值添加噪声构造的状态证据和观测证据，通过二维动态系统模型中的状态方程和观测方程获取关于二维波长的状态预测证据和观测预测证据；
步骤(5)、在观测域中利用证据推理规则将观测证据与系统模型估计出的观测预测证据进行融合，再将融合结果逆映射到状态域，并基于Pignistic概率期望从融合结果中换算得到第k+1时刻的估计值，并将其作为下次循环的初始值，经过迭代循环将会计算得到每个时刻的估计值。
步骤(6)、利用二维动态系统模型将步骤(5)估计值换算成驻波波长，驻波波长与测量高度之间的关系获得液位高度估计值；


2.如权利要求1所述的一种基于二维动态系统模型的低频声波液位估计方法，其特征在于步骤(1)中发射声波和反射声波分别用y1和y2表示：






y1和y2的合成声波表示为：



其中A表示振幅，λ表示波长，L表示声音收发装置到液面的测量高度，P表示频率，t表示采样时间；
合成声波中包含一系列的驻波，当合成声波的振幅为最大时，测量高度与波长之间满足



其中λ(k)表示合成声波中第k个时刻的驻波波长。


3.如权利要求2所述的一种基于二维动态系统模型的低频声波液位估计方法，其特征在于步骤(2)具体是根据公式(4)分析相邻时刻驻波波长与测量高度之间的关系，发现任意时刻测量高度与相邻两个时刻的驻波波长存在复杂的非线性关系，故通过构建关于驻波波长的二维动态系统模型来计算测量高度，可以有效的降低测量过程中的系统噪声影响；通过从公式(4)中可以推导出三个相邻时刻驻波波长与测量高度之间的关系为









其中λ(k-1)，λ(k)，λ(k+1)表示驻波中三个相邻时刻k-1,k,k+1的波长；联立公式(5)和(6)，可以得到相邻两个驻波波长与测量高度之间的关系为



进而联立公式(5)-(8)，可以得到任意相邻三个时刻驻波波长之间存在如下关系



将上述二阶非线性差分方程转换为一阶非线性差分方程可以得到



其中，将[λ(k)，λ(k+1)]T作为一个二维向量,其中“T”表示转置；
结合系统观测方程和状态方程



其中，f表示状态方程中x(k)和x(k+1)的非线性映射关系，g表示观测方程中x(k+1)和z(k+1)的非线性映射关系；x(k+1)可以表示为如下形式



根据公式(9)进而系统状态方程可表示为



同理系统观测方程可表示为如下形式



v则表示系统状态方程中的状态噪声，w则表示系统观测方程中的观测噪声，两者间假设为独立同分布。


4.如权利要求3所述的一种基于二维动态系统模型的低频声波液位估计方法，其特征在于步骤(3)具体是
将v、w分别构造成其相对应的证据和证据为带有信度赋值的一系列嵌套区间表现形式；v,w的近似概率分布分别用πv和πw来表示；首先定义πv的α截集为：



其中α∈(0,1]；当q个数满足0＝α0＜α1＜...＜αq-1＜1时，则其α截集满足并且信度分布如下所示



每个时刻获取到关于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李正辉，余伟，杨光，刘俊峰，
申请(专利权)人：郑州铁路职业技术学院，
类型：发明
国别省市：河南;41