CN104991212A

CN104991212A - 一种基于最小二乘线性插值的电流采集通道自校准方法

Info

Publication number: CN104991212A
Application number: CN201510393353.7A
Authority: CN
Inventors: 温和; 陈洲; 匡宪伟; 殷建军; 刘湘文; 黎福海; 滕召胜; 胡亮; 张军号
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2015-07-07
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2035-07-07
Also published as: CN104991212B

Abstract

本发明公开了一种基于最小二乘线性插值的电流采集通道自校准方法，将采样间隔定义为Δ，且引入符合电流采集通道的理想输出特性的辅助直线L，同时给电流采集值设定一个阈值±δ，首先采用对初值点多次输入取算术平均值的方法获取电流采集初值，在采样间隔Δ下一共进行N组采集，采用同样方法可得N个电流采集值{M_N}，然后，对N个电流采集值进行正序排列且平均分成k段，找出每段的电流采集值上限和下限，通过辅助直线找出每段的电流输出标称值上限和下限，利用线性插值公式即可对每段的电流采集值进行偏离程度减小修正，得到N个电流修正值{M_0N}，最后，根据电流修正值采用最小二乘法拟合得到校准系数，从而完成电流采集通道的校准工作。

Description

一种基于最小二乘线性插值的电流采集通道自校准方法

技术领域

本发明涉及信号测量领域，具体是一种基于最小二乘线性插值的电流采集通道自校准方法。

背景技术

传统的燃料能源正在一天天减少，而太阳能逐渐被利用的今天，太阳能光伏产业的发展前景无限光明，且其在能源领域重要的战略地位得到充分肯定，因此光伏汇流箱的市场需求越来越大，而由此在汇流箱采集板的校准也得到广泛研究，本专利正是致力于汇流箱的电流采集板的校准创新研究。

光伏汇流箱的电流采集板的校准工作往往是基于最小二乘法来进行，我们也熟知最小二乘法作为一种传统的参数估计方法，早已经被大家所了解。然而大多数人对最小二乘法的认识都比较模糊，仅仅把最小二乘法理解为简单的线性参数估计。事实上，最小二乘法在参数估计、系统辨识以及预测、预报等众多领域都有着广泛的应用。而本专利所采用的就是最小二乘法在参数估计方面的作用，通过多项式拟合得到我们所要求的校准系数。

通过光伏汇流箱的电流采集板得到的电流采集数据的某一些点往往不能接近线性，会存在较大程度的偏离，而这个时候采用最小二乘法得到的拟合参数则不能相对精确地呈现其线性特征，这个时候我们需要对所采集得到的电流采集值进行偏离程度修正，使其不影响原来的线性特征，于是本专利在对电流采集值进行最小二乘法拟合之前先对所有数据进行线性插值修正。

由于线性插值需要较少的运算量,又能在一定程度上保证所有的采集数据的质量,因此,本专利采用线性插值方法。同时，本专利为了最大程度呈现线性特征，得到更精准的拟合参数，利用了采集很多个数据的自校准方法。

发明内容

本发明的目的是为了针对现有技术存在的不足，提供了一种简单易懂、可靠性更强、精度更高的校准方法。

本发明提出的解决方案为：首先采用对初值点多次输入取算术平均值的方法获取电流采集初值，在采样间隔Δ下一共进行N组采集，采用同样方法可得N个电流采集值{M_N}，然后，对N个电流采集值进行正序排列且平均分成k段，找出每段的电流采集值上限和下限，通过辅助直线找出每段的电流输出标称值上限和下限，利用线性插值公式即可对每段的电流采集值进行偏离程度减小修正，得到N个电流修正值{M_0N}，最后根据电流修正值采用最小二乘法拟合得到校准系数。

本发明提出的基于最小二乘线性插值的电流采集通道自校准方法包括以下步骤：

步骤一：设定自校准的采样间隔Δ，且引入符合电流采集通道的理想输出特性的辅助直线L，同时给电流采集值设定一个阈值±δ；

步骤二：电流源发出电流信号，且设定电流输入初始值为X₁，将其送至电流采集模块，对其进行t次采集，取算术平均值得到电流采集初值M₁，具体公式为

M_{1} = \frac{1}{t} Σ_{q = 1}^{t} x_{q}

式中x_q代表t次采集中的数值；

步骤三：在采样间隔Δ下一共进行N组采集，对每组数据同样取算术平均值可得N个电流采集值{M_N}，且将其定义为自校准对象；

步骤四：电流修正模块对N个电流采集值{M_N}进行正序排列，获得关于M的正序排列，并将其平均分成k段，得到k段电流采集值；

步骤五：读出每段的电流采集值上限M_U和电流采集值下限M_D，同时将M_U和M_D所对应的电流输入值带入辅助直线L，于是得到每段的电流标称值上限I_U和电流标称值下限I_D；

步骤六：创建线性插值公式对每段的电流采集值进行修正，得到每段的电流修正值M₀，具体线性插值公式为

M_{0} = I_{D} + \frac{I_{U} - I_{D}}{M_{U} - M_{D}} (M - M_{D})

将每段的电流修正值组合到一起进行正序排列，得到N个电流修正值{M_0N}；

步骤七：电流自校准模块根据电流修正值，采用最小二乘法拟合计算N个电流采集值经线性插值修正后的校准系数，从而完成电流采集通道的校准工作。

所述的方法，步骤一中所述电流采集通道的理想输出特性的辅助直线L的求取过程，任意选取两个输入值X_i、X_j，根据电流采集通道的硬件特性，求出X_i、X_j的理论输出值Y_i、Y_j，于是可得直线辅助L，具体公式为

Y = \frac{Y_{j} - Y_{i}}{X_{j} - X_{i}} X + \frac{X_{j} Y_{i} - X_{i} Y_{j}}{X_{j} - X_{i}} .

所述的方法，步骤六中所述校准系数的求取过程，对通过线性插值修正后所得的电流修正值，结合对应的电流输入值，可得到一系列成对的数据，即M₀₁、X₁，M₀₂、X₂，…，M_0N、X_N，对N个点采用最小二乘法拟合得到方程，具体公式为

M₀＝γX+τ

其中γ和τ为校准系数，则待校准的数据可以被校准为

Z = \frac{M_{0} - τ}{γ}

其中Z为校准以后的数据。

本发明基于最小二乘线性插值的电流采集通道自校准方法，具有简单易懂、可靠性更强、精度更高等特点，采用线性插值修正方法能够对偏离程度较大的采集数据进行修正，使其不影响原来的线性特征，通过最小二乘法能得到更精准的拟合参数。

附图说明

图1是本发明处理流程的原理框图；

图2是本发明实现基于最小二乘线性插值的电流采集通道自校准方法的流程图；

图3是本发明实现基于线性插值算法流程图；

图4是本发明实现对电流采集值分段示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于最小二乘线性插值的电流采集通道自校准方法。以下结合附图作详细说明：

本实施例的处理流程的原理框图如图1所示，由电流采集模块、电流修正模块以及电流自校准模块组成，电流信号首先流入电流采集模块，在此电流输入初值通过多次输入，且取算术平均值可得到电流采集初值，在采样间隔Δ下一共进行N组采集，同样采用多次输入取算术平均值的方法可得N个电流采集值{M_N}，然后电流修正模块对N个电流采集值进行正序排列，同时将其平均分成k段，读出每段的电流采集值上限和电流采集值下限，通过辅助直线L找出每段的电流标称值上限和电流标称值下限，这时可利用线性插值公式对每段的电流采集值进行偏离程度减小修正，得到N个电流修正值{M_0N}，最后根据电流修正值采用最小二乘法拟合得到校准系数，从而完成电流采集通道的校准工作。

如图2，本实施例的一种基于最小二乘线性插值的电流采集通道自校准方法，下面以求取光伏发电汇流箱的电流采集板为例，具体步骤如下：

1.根据光伏发电汇流箱的电流采集板的输入输出比为1:1，于是可得到辅助直线的表达式：

L:Y＝X

且设定电流输入初值X₁＝0.1mA，采样间隔Δ＝0.1mA，N＝5000，同时设定阈值δ＝±0.2mA。

2.直流电流源GPD-2303S在电流输入初值X₁＝0.1mA时，进行100次采集，得到100个采集结果，将其取算术平均值有

M_{1} = \frac{1}{100} Σ_{q = 1}^{100} x_{q} = 0.112

式中x_q代表100次采集中的数值，于是M₁＝0.112mA。

3.在采样间隔Δ＝0.1mA条件下，一共进行N＝5000组采集，那么M_N对应的电流输入值为X_N＝500mA，同样对每组数据采用100次输入且取算术平均值的方法得到5000个电流采集值M₁，M₂，…，M₅₀₀₀。

4.数据修正模块对5000个电流采集值进行正序排列，于是得到了一个元素为5000的正序排列，将此正序排列平均分成50段，那么每段数据含有100个元素，即100个电流采集值。

5.根据每段的电流采集值，读出每段的数值上限M_U和下限M_D，同时通过辅助直线L得到每段的电流标称值上限I_U和下限I_D，在MATLAB环境下，我们选取第一段和最后一段进行说明：

第一段的数据为{0.112mA，0.204mA，0.308mA，…，10.204mA}，于是可知第一段中M_U＝0.112mA，M_D＝10.204mA，通过L:Y＝X，有I_U＝0.1mA，I_D＝10mA。

最后一段的数据为{490.123mA，490.217mA，490.328mA，…，500.527mA}，于是可知最后一段中M_U＝490.123mA，M_D＝500.427mA，通过L:Y＝X，有I_U＝490.1mA，I_D＝500mA。

6.依据线性插值公式对每段的电流采集值进行线性修正，我们依然选取第一段和最后一段进行说明，已知线性插值公式为

M_{0} = I_{D} + \frac{I_{U} - I_{D}}{M_{U} - M_{D}} (M - M_{D})

电流采集值通过上述公式修正后有：

第一段的电流修正值为{0.110mA，0.202mA，0.305mA，…，10.201mA}；最后一段的电流修正值为{490.118mA，490.213mA，490.319mA，…，500.220mA}，于是我们可以创建下表，对修正前后的数据进行对比，更直观地了解线性插值对数据修正的精确度。其中H₀表示最后一段的标称值、H₁表示100次采集取算术平均值后的电流采集值、H₂表示被线性插值修正后的电流采集值。

表一线性插值修正前后数据对比值

根据上表最后一段的线性插值修正前后数据对比，显然经线性插值修正后可得到更加精准的数据，尤其是最后一个采集值M₅₀₀₀＝500mA时，经过线性插值修正后，偏离幅度大幅减小，达到了修正的目的。

7.在MATLAB环境下，对采集到的5000个数据采用最小二乘法拟合计算，希望找出一条和这5000个点最匹配的直线M₀＝γX+τ，通过仿真实现可得到：

γ＝1.025

τ＝0.018

于是，得到光伏发电汇流箱的电流采集板通过最小二乘线性插值自校准后的校准系数γ与τ。

至此，完成了光伏发电汇流箱的电流采集板的自校准过程。

Claims

1.一种基于最小二乘线性插值的电流采集通道自校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

M_{1} = \frac{1}{t} Σ_{q = 1}^{t} x_{q}

式中x_q代表t次采集中的数值；

M_{0} = I_{D} + \frac{I_{U} - I_{D}}{M_{U} - M_{D}} (M - M_{D})

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中所述电流采集通道的理想输出特性的辅助直线L的求取过程，任意选取两个输入值X_i、X_j，根据电流采集通道的硬件特性，求出X_i、X_j的理论输出值Y_i、Y_j，于是可得直线辅助L，具体公式为

Y = \frac{Y_{j} - Y_{i}}{X_{j} - X_{i}} X + \frac{X_{j} Y_{i} - X_{i} Y_{j}}{X_{j} - X_{i}} .

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤六中所述校准系数的求取过程，对通过线性插值修正后所得的电流修正值，结合对应的电流输入值，可得到一系列成对的数据，即M₀₁、X₁，M₀₂、X₂，…，M_0N、X_N，对N个点采用最小二乘法拟合得到方程，具体公式为

M₀＝γX+τ

其中γ和τ为校准系数，则待校准的数据可以被校准为

Z = \frac{M_{0} - τ}{γ}

其中Z为校准以后的数据。