專利名稱：基于自由節(jié)點(diǎn)遞推b樣條的傳感器非線性補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于自由節(jié)點(diǎn)遞推B樣條的傳感器非線性補(bǔ)償方法，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
非線性補(bǔ)償技術(shù)是傳感器不可缺少的一部分，常用的傳感器信號補(bǔ)償算法有查表法、遺傳算法、支持向量機(jī)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。其中查表法是最簡單也是最傳統(tǒng)的一種方法， 其精度完全依賴于表中數(shù)據(jù)的間隔，對存儲空間的要求較高。其它幾種方法均是基于逆模型的非線性補(bǔ)償方法，這幾種方法雖然能夠達(dá)到較高的建模精度，然而，它們對建模復(fù)雜性問題考慮不足，計(jì)算模型參數(shù)需要花費(fèi)較多的系統(tǒng)資源；同時(shí)，這些方法并未考慮對大批量傳感器的標(biāo)定優(yōu)化問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有傳感器采用的基于逆模型的非線性補(bǔ)償方法計(jì)算量大的問題，提供一種基于自由節(jié)點(diǎn)遞推B樣條的傳感器非線性補(bǔ)償方法。本發(fā)明包括以下步驟步驟一實(shí)驗(yàn)獲取所述傳感器的輸入輸出樣本數(shù)據(jù)，利用輸入輸出樣本數(shù)據(jù)產(chǎn)生自由節(jié)點(diǎn)；步驟二 以樣本數(shù)據(jù)的輸出變量作為逆模型結(jié)構(gòu)的輸入變量，以樣本數(shù)據(jù)的輸入變量作為逆模型結(jié)構(gòu)的輸出變量，根據(jù)自由節(jié)點(diǎn)，建立B樣條函數(shù)描述的逆模型結(jié)構(gòu)；步驟三根據(jù)自由節(jié)點(diǎn)，從樣本數(shù)據(jù)中選擇訓(xùn)練樣本；步驟四根據(jù)訓(xùn)練樣本和遞推最小二乘方法計(jì)算以B樣條函數(shù)描述的逆模型結(jié)構(gòu)的控制系數(shù)，獲得完整的傳感器B樣條逆模型；步驟五用完整的傳感器B樣條逆模型處理所述傳感器的輸出變量，實(shí)現(xiàn)傳感器的非線性補(bǔ)償。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明方法具有精度高、計(jì)算量小、適合在微處理器上應(yīng)用，且能夠大大降低大批量傳感器標(biāo)定工作量的優(yōu)勢，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明在保證精度的同時(shí)，建模所需的計(jì)算量較現(xiàn)有其他方法的計(jì)算量小，且計(jì)算過程為迭代過程，適合在微處理器上應(yīng)用。采用了 B樣條函數(shù)作為描述模型的工具，能夠很好的避免過擬合和欠擬合現(xiàn)象的發(fā)生。采用了自由節(jié)點(diǎn)以提高補(bǔ)償?shù)木?，且利用自由?jié)點(diǎn)選擇訓(xùn)練樣本，可以降低大批量傳感器補(bǔ)償所需的工作量。本發(fā)明方法利用B樣條函數(shù)構(gòu)建傳感器的逆模型，來實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償；它利用輸入輸出樣本數(shù)據(jù)來產(chǎn)生自由節(jié)點(diǎn)，有效地提高了 B樣條函數(shù)的精度；利用自由節(jié)點(diǎn)及訓(xùn)練樣本選擇策略，能夠降低大批量傳感器標(biāo)定所需的工作量。


圖1為本發(fā)明方法的流程圖；圖2為本發(fā)明方法中基于逆模型的傳感器非線性補(bǔ)償原理圖；圖3為實(shí)施方式六中對S型熱電偶溫度傳感器進(jìn)行非線性補(bǔ)償所用到的樣本數(shù)據(jù)和訓(xùn)練樣本曲線圖；圖4為實(shí)施方式六中對S型熱電偶溫度傳感器進(jìn)行非線性補(bǔ)償后的絕對誤差圖；圖5為實(shí)施方式七中對負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器進(jìn)行非線性補(bǔ)償所用到的樣本數(shù)據(jù)和訓(xùn)練樣本曲線圖；圖6為實(shí)施方式七中對負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器進(jìn)行非線性補(bǔ)償后的絕對誤差圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括以下步驟步驟一實(shí)驗(yàn)獲取所述傳感器的輸入輸出樣本數(shù)據(jù)，利用輸入輸出樣本數(shù)據(jù)產(chǎn)生自由節(jié)點(diǎn)；步驟二 以樣本數(shù)據(jù)的輸出變量作為逆模型結(jié)構(gòu)的輸入變量，以樣本數(shù)據(jù)的輸入變量作為逆模型結(jié)構(gòu)的輸出變量，根據(jù)自由節(jié)點(diǎn)，建立B樣條函數(shù)描述的逆模型結(jié)構(gòu)；步驟三根據(jù)自由節(jié)點(diǎn)，從樣本數(shù)據(jù)中選擇訓(xùn)練樣本；步驟四根據(jù)訓(xùn)練樣本和遞推最小二乘方法計(jì)算以B樣條函數(shù)描述的逆模型結(jié)構(gòu)的控制系數(shù)，獲得完整的傳感器B樣條逆模型；步驟五用完整的傳感器B樣條逆模型處理所述傳感器的輸出變量，實(shí)現(xiàn)傳感器的非線性補(bǔ)償。本發(fā)明方法通過建立傳感器的逆模型來達(dá)到非線性補(bǔ)償?shù)哪康模湓砣鐖D2所示，在微處理器中存儲傳感器的逆模型，用于處理傳感器的輸出電信號，逆模型的輸出為被測變量的估計(jì)值。在對傳感器進(jìn)行非線性補(bǔ)償之前，需要先獲得傳感器的輸入輸出樣本數(shù)據(jù)；獲得輸入輸出樣本數(shù)據(jù)之后，以輸入輸出樣本數(shù)據(jù)的輸出數(shù)據(jù)作為逆模型的輸入，輸入數(shù)據(jù)作為一個(gè)逆模型的輸出，產(chǎn)生自由節(jié)點(diǎn)。這里，逆模型以B樣條函數(shù)的形式存在。然后， 利用自由節(jié)點(diǎn)建立逆模型。接著，再利用自由節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的選擇策略從樣本數(shù)據(jù)中選擇訓(xùn)練樣本。最后，利用遞推最小二乘方法計(jì)算逆模型的控制系數(shù)，建立逆模型以補(bǔ)償傳感器的非線性度。整個(gè)流程如圖1所示。其中訓(xùn)練樣本的選取方法，即為傳感器的標(biāo)定策略優(yōu)化方法。本發(fā)明利用B樣條函數(shù)描述傳感器傳遞函數(shù)的逆模型，模型結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)少、節(jié)省存儲空間；自由節(jié)點(diǎn)的選取能有效地提高逆模型的精度，從而提高非線性補(bǔ)償?shù)男Ч?遞推最小二乘以迭代方式計(jì)算B樣條函數(shù)控制系數(shù)，計(jì)算量小、易于在微處理器上實(shí)現(xiàn)；在大批量傳感器標(biāo)定過程中，從樣本數(shù)據(jù)中合理選取訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，從而在保證精度的前提下，降低逆模型建立所需的數(shù)據(jù)量和實(shí)驗(yàn)工作量，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定過程的優(yōu)化。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式為對實(shí)施方式一的進(jìn)一步說明，在本實(shí)施方式中利用輸入輸出樣本數(shù)據(jù)產(chǎn)生自由節(jié)點(diǎn)的方法為步驟一一節(jié)點(diǎn)向量t的表達(dá)式為
t = (Uf=+-L l = U+l < …廣-i <tQ=a<...< tN+l =b< tN+2,... < tN+k，初始節(jié)點(diǎn)向量為t°: 0 =(υ，α = = Μ20，...，Ο ；其中i為節(jié)點(diǎn)向量的編號，k為B樣條函數(shù)的階數(shù)；節(jié)點(diǎn)向量為t的維數(shù)為N+2k ；步驟一二 根據(jù)當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)向量t定義當(dāng)前的B樣條曲線?。?，= Pnft，首次循環(huán)時(shí)，t = t0 ；式中Yn,t為當(dāng)前B樣條曲線的輸出，Pn,t為當(dāng)前B樣條曲線的節(jié)點(diǎn)向量t所確定的基函數(shù)，<為當(dāng)前B樣條曲線的控制系數(shù)；步驟一三計(jì)算當(dāng)前B樣條曲線的輸出Yn, t與樣本數(shù)據(jù)輸入變量之間的誤差Rt，Rt = |un-Yn,t|，f/ ={八}〗=1，并尋找最大誤差0。= max(尺)=尺(J。)及其對應(yīng)的
樣本點(diǎn)(少力，xZo )，式中為選定的樣本點(diǎn)的輸入變量， 為選定的樣本點(diǎn)的輸出變量， J0為該選定的樣本點(diǎn)在樣本數(shù)據(jù)中的編號；步驟一四當(dāng)最大誤差^/。大于誤差容限δ，即、> δ，則執(zhí)行步驟一五，否則執(zhí)行步驟一八；步驟一五在當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)向量t中尋找(。和(。+1使得步驟一三中的樣本點(diǎn) (力。，巧。)，滿足、[tiQ、+1]為步驟一三所選出的樣本點(diǎn)的輸入變量少彡。在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)向量t中所處的區(qū)間；步驟一六計(jì)算當(dāng)前B樣條曲線在區(qū)間(、々+1)的三階差商，將區(qū)間伐。，(。+1)進(jìn)行等分，最大三階差商Wix+JA 1^,/)所在的位置作為新的B樣條曲線的自由節(jié)點(diǎn)
xJeIrI0 ^I0 ^1)
式中Δ 為三階差商計(jì)算符；步驟一七將新的自由節(jié)點(diǎn)tnew加入到節(jié)點(diǎn)向量t中，返回步驟一二 ；步驟一八檢查節(jié)點(diǎn)向量t中的所有自由節(jié)點(diǎn)是否滿足在兩個(gè)相鄰的自由節(jié)點(diǎn)之間至少有一個(gè)樣本點(diǎn)存在，若是，保留所述兩個(gè)相鄰的自由節(jié)點(diǎn)，若否，刪除所述兩個(gè)相鄰自由節(jié)點(diǎn)中的任意一個(gè)；上述公式中設(shè)定步驟一中所述的輸入輸出樣本數(shù)據(jù)為弋)}〗=1，其中yj為樣本數(shù)據(jù)的輸入變量，Xj為樣本數(shù)據(jù)的輸出變量，Xj的取值范圍為[a，b]，a為樣本數(shù)據(jù)的輸出下限，b為樣本數(shù)據(jù)的輸出上限，j為樣本數(shù)據(jù)的編號，η為樣本數(shù)據(jù)的總數(shù)量。其它與實(shí)施方式一相同。本實(shí)施方式中節(jié)點(diǎn)向量為t由內(nèi)節(jié)點(diǎn)和外節(jié)點(diǎn)兩部分組成，其中外節(jié)點(diǎn)均勻分布，內(nèi)節(jié)點(diǎn)則通過自由節(jié)點(diǎn)方法產(chǎn)生。本實(shí)施方式的步驟一四中，當(dāng)最大誤差^/。小于誤差容限δ時(shí)，則完成自由節(jié)點(diǎn)的選擇。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式為對實(shí)施方式二的進(jìn)一步說明，步驟二中根據(jù)自由節(jié)點(diǎn)，建立B樣條函數(shù)描述的逆模型結(jié)構(gòu)的方法為根據(jù)步驟一中產(chǎn)生的自由節(jié)點(diǎn)建立B樣條基函數(shù)紀(jì)(X,)，
權(quán)利要求
1.一種基于自由節(jié)點(diǎn)遞推B樣條的傳感器非線性補(bǔ)償方法，其特征在于它包括以下步驟步驟一實(shí)驗(yàn)獲取所述傳感器的輸入輸出樣本數(shù)據(jù)，利用輸入輸出樣本數(shù)據(jù)產(chǎn)生自由節(jié)占.I— /、、、 步驟二 以樣本數(shù)據(jù)的輸出變量作為逆模型結(jié)構(gòu)的輸入變量，以樣本數(shù)據(jù)的輸入變量作為逆模型結(jié)構(gòu)的輸出變量，根據(jù)自由節(jié)點(diǎn)，建立B樣條函數(shù)描述的逆模型結(jié)構(gòu)； 步驟三根據(jù)自由節(jié)點(diǎn)，從樣本數(shù)據(jù)中選擇訓(xùn)練樣本；步驟四根據(jù)訓(xùn)練樣本和遞推最小二乘方法計(jì)算以B樣條函數(shù)描述的逆模型結(jié)構(gòu)的控制系數(shù)，獲得完整的傳感器B樣條逆模型；步驟五用完整的傳感器B樣條逆模型處理所述傳感器的輸出變量，實(shí)現(xiàn)傳感器的非線性補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自由節(jié)點(diǎn)遞推B樣條的傳感器非線性補(bǔ)償方法，其特征在于利用輸入輸出樣本數(shù)據(jù)產(chǎn)生自由節(jié)點(diǎn)的方法為 步驟一一節(jié)點(diǎn)向量t的表達(dá)式為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于自由節(jié)點(diǎn)遞推B樣條的傳感器非線性補(bǔ)償方法，其特征在于步驟二中根據(jù)自由節(jié)點(diǎn)，建立B樣條函數(shù)描述的逆模型結(jié)構(gòu)的方法為根據(jù)步驟一中產(chǎn)生的自由節(jié)點(diǎn)建立B樣條基函數(shù)定,(X,)，
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于自由節(jié)點(diǎn)遞推B樣條的傳感器非線性補(bǔ)償方法，其特征在于所述步驟三中根據(jù)自由節(jié)點(diǎn)，從樣本數(shù)據(jù)中選擇訓(xùn)練樣本的方法為選擇在自由節(jié)點(diǎn)向量t中的每兩個(gè)相鄰的內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間最接近中點(diǎn)的樣本數(shù)據(jù)均作為訓(xùn)練樣本，然后計(jì)算相鄰訓(xùn)練樣本之間的距離，若相鄰訓(xùn)練樣本之間的距離之比大于預(yù)設(shè)定的容限q，則在距離大的兩個(gè)訓(xùn)練樣本之間增加一個(gè)新的訓(xùn)練樣本。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于自由節(jié)點(diǎn)遞推B樣條的傳感器非線性補(bǔ)償方法，其特征在于所述步驟四中根據(jù)訓(xùn)練樣本和遞推最小二乘方法計(jì)算以B樣條函數(shù)描述的逆模型結(jié)構(gòu)的控制系數(shù)的方法為首先將以B樣條函數(shù)描述的逆模型結(jié)構(gòu)=
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于自由節(jié)點(diǎn)遞推B樣條的傳感器非線性補(bǔ)償方法，其特征在于所述傳感器為S型熱電偶溫度傳感器，y」為S型熱電偶溫度傳感器周圍的溫度，Xj為 S型熱電偶溫度傳感器的電動勢。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于自由節(jié)點(diǎn)遞推B樣條的傳感器非線性補(bǔ)償方法，其特征在于所述傳感器為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器，Yj為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器周圍的溫度， Xj為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器的電阻值。
全文摘要
基于自由節(jié)點(diǎn)遞推B樣條的傳感器非線性補(bǔ)償方法，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有傳感器采用的基于逆模型的非線性補(bǔ)償方法計(jì)算量大的問題。實(shí)驗(yàn)獲取所述傳感器的輸入輸出樣本數(shù)據(jù)，利用輸入輸出樣本數(shù)據(jù)產(chǎn)生自由節(jié)點(diǎn)；以樣本數(shù)據(jù)的輸出變量作為逆模型結(jié)構(gòu)的輸入變量，以樣本數(shù)據(jù)的輸入變量作為逆模型結(jié)構(gòu)的輸出變量，根據(jù)自由節(jié)點(diǎn)，建立B樣條函數(shù)描述的逆模型結(jié)構(gòu)；根據(jù)自由節(jié)點(diǎn)，從樣本數(shù)據(jù)中選擇訓(xùn)練樣本；根據(jù)訓(xùn)練樣本和遞推最小二乘方法計(jì)算以B樣條函數(shù)描述的逆模型結(jié)構(gòu)的控制系數(shù)，獲得完整的傳感器B樣條逆模型；用完整的傳感器B樣條逆模型處理所述傳感器的輸出變量，實(shí)現(xiàn)傳感器的非線性補(bǔ)償。本發(fā)明適用于傳感器的非線性補(bǔ)償。
文檔編號G01D3/028GK102221373SQ20111007347
公開日2011年10月19日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者孫金瑋, 李清連, 王昕 , 魏國 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)