CN107990977B - 一种基于pi控制器的太阳绝对辐射计的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法。该方法包括获取黑体腔的温度阶跃响应曲线，并构建黑体腔的数学模型；采用仿真软件仿真优化PI控制器的参数；在辐射观测阶段，采用PI控制器调节黑体腔的电功率，直至将腔温调回热平衡状态，从而获得第一平衡温度和补偿电功率；在电标定阶段，采用PI控制器调节黑体腔的电功率，直至将腔温调回热平衡状态，从而获得第二平衡温度和电标定功率。该方法采用PI控制器调节黑体腔的电功率，缩短开关快门时刻的调节时间，缩短太阳总辐照度监测仪的测量周期，且避免了传统测量方法中测量计算公式由于光电不等效原因而导致测量精度下降的问题。
Description
技术领域
本发明涉及太阳光辐照度测量的技术领域，具体涉及一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法。
背景技术
太阳总辐照度(Total Solar Irradiance，TSI)可以计算太阳常数，对太阳物理学和高层大气研究都具有重要意义。目前，太阳总辐照度主要采用太阳辐照度绝对辐射计进行测量。太阳辐照度绝对辐射计是一种电替代绝对辐射计，测量结果可直接溯源至国际基本单位制(SI)中的电流。太阳辐照度绝对辐射计的核心探测器是黑体腔，光功率在黑体腔内经过多次反射和吸收，使得腔温达到新的平衡状态。基于电替代的测量原理，利用电功率复现光功率产生的腔温变化，通过精确测量的等效电功率可获得未知的光功率。
目前，各国都在进行太阳总辐照度(TSI)的测量。比利时将太阳辐照度绝对辐射计搭载在航天器上长期监测太阳总辐照度(TSI)；美国采用TIM监测太阳总辐照度(TSI)；瑞士采用PMOD6监测太阳总辐照度(TSI)；中国采用自主研制的太阳总辐照度监测仪(TSIM)搭载尾行监测太阳总辐照度(TSI)。
太阳辐照度绝对辐射计的测量过程包括辐射观测阶段和电定标阶段，两个阶段都要求黑体腔达到稳定状态。太阳总辐照度监测仪(TSIM)采用动态预测电补偿功率的算法，该算法基于黑体腔的数学模型，根据开快门初期的腔温变化预测平衡温度，并通过调整补偿电功率使腔温快速恢复到平衡状态。由于在开快门阶段，光电不等效性导致黑体腔模型不再是单e指数的形式，进而影响预测结果的准确性。进一步地，在测量过程中，腔温的测量噪声也影响预测结果的准确性。进一步地，该测量过程包括开快门和关快门两个步骤，快门开关的时间会影响整个测量的周期，使得测量周期的时间过长。
因此，针对现有太阳总辐照度监测仪(TSIM)所存在的问题，急需一种提高太阳总辐照度监测仪(TSIM)的测量精度和缩短太阳总辐照度监测仪(TSIM)的测量周期的方法。
发明内容
针对现有现有太阳总辐照度监测仪(TSIM)所存在的问题，本发明实施例提出一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法。本发明实施例所提供的基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法通过采用PI控制器维持腔温平衡，解决了现有太阳总辐照度监测仪(TSIM)的测量方法中对黑体腔数学模型精度要求的问题，进而提高测量精度。本发明实施例所提供的基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法通过优化PI控制器的参数，缩短腔温调整时间，使得开快门和关快门阶段快速恢复至平衡状态，进而缩短测量周期。
该基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法的具体方案如下：一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法，包括以下步骤：获取黑体腔的温度阶跃相应曲线，并构建黑体腔的数学模型；采用仿真软件仿真优化PI控制器的参数；在辐射观测阶段，采用PI控制器调节黑体腔的电功率，直至将腔温调回热平衡状态，从而获得第一平衡温度和补偿电功率；在电标定阶段，采用PI控制器调节黑体腔的电功率，直至将腔温调回热平衡状态，从而获得第二平衡温度和电标定功率。
优选地，黑体腔的腔温的热平衡方程如公式2所示：
公式2：
其中，T(t)是腔温，C是黑体腔的热容，K是黑体腔的热导率，PE为输入加热功率，PS是黑体腔接受的辐射功率。
优选地，求解公式2得到腔温T(t)的动态响应方程，具体表达式如公式3所示：
公式3：
其中，T0是黑体腔的初始温度，τ＝C/K为黑体腔的时间常数。
优选地，对公式2进行拉普拉斯变换，获得在频域内的黑体腔的腔温热平衡方程，具体如公式6所示：
公式6：C×s×T(s)＝K×T(s)+PE+PS
其中C为黑体腔热容，s为拉普拉斯变换的复变量，T(s)为复数域的腔温，K是黑体腔的热导率，PE是输入加热功率，PS为黑体腔接收的辐射功率。
优选地，求解公式6得到在频域内的腔温动态响应方程，具体公式如公式7所示：
公式7：
优选地，C(s)具体的传递函数如公式8所示：
公式8：
其中，KP为比例因子，KI为积分因子。
优选地，所述方法还包括步骤：采用自测试手段获取黑体腔的灵敏度。
优选地，根据所述方法获得的光功率的具体表达式如公式9所示：
公式9：PO＝PE2-PE1-S(TE-TO)
其中，PO为光功率，PE1为所述补偿电功率，PE2为所述标定电功率，TO为所述第一平衡温度，TE为所述第二平衡温度，S为测量开始之前通过自测试获得的黑体腔灵敏度。
优选地，在所述辐射观测阶段打开快门，在所述电标定阶段关闭快门。
优选地，所述仿真软件包括Simulink可视化仿真工具。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例所提供的基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法，该方法采用PI控制器调节黑体腔的电功率，使得黑体腔能够快速地恢复至热平衡状态，缩短开关快门时刻的调节时间，进而有效地缩短太阳总辐照度监测仪的测量周期。本发明实施例所提供的方法采用PI控制器，避免了传统测量方法中测量计算公式由于光电不等效原因而导致测量精度下降的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法的流程步骤示意图；
图2为本发明实施例中基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法的测量过程示意图；
图3为不同测量方法在测量过程中的腔温变化比较示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明实施例中提供的一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法的流程步骤示意图。该测量方法总共包括4个步骤，具体流程如下所述。
步骤S1：。获取黑体腔的温度阶跃相应曲线，并构建黑体腔的数学模型。在现有太阳总辐照度监测仪(TSIM)的测量方法中，黑体腔的腔温采用热电堆进行模拟获得。热电堆的高端连接黑体腔，热电堆的低端连接热沉，热电堆的输出即是黑体腔与热沉之间的温差。采用热电堆的输出，表征太阳总辐照度监测仪(TSIM)的腔温T(t)，具体的表达式如公式1所示：
T(t)＝TC(t)-TH (公式1)
其中，TC(t)是黑体腔温度，TH是热沉温度。
腔温T(t)满足如公式2所示的热平衡方程：
其中，C是黑体腔的热容，K是黑体腔的热导率，PE为输入加热功率，PS是黑体腔接受的辐射功率。
对公式2进行求解，可得到腔温的动态响应方程，具体如公式3所示：
其中T0是初始温度，τ＝C/K为黑体腔的时间常数。当时间t→∞时，黑体腔达到平衡状态，平衡温度T1的表达式如公式4所示：
在现有的太阳总辐照度监测仪(TSIM)的测量方法中，根据公式3预测黑体腔的平衡温度T1，预测公式如公式5所示：
在现有的太阳总辐照度监测仪(TSIM)的测量方法中，由于在开快门阶段和关快门阶段，黑体腔能够同时接受辐射功率和电功率，且存在光电不等效性，使得太阳总辐照度监测仪(TSIM)的腔温的动态响应曲线不再符合单e指数形式。因此，用公式5进行平衡温度T1的预测，降低了测试结果的精度，而且补偿电功率的计算会存在误差。补偿电功率的计算误差也会导致黑体腔的热平衡被破坏，增加了恢复平衡状态的时间。
在该实施例中，首先对公式2进行拉普拉斯变换，得到黑体腔在频域内的热平衡方程，具体的表达式如公式6所示：
C×s×T(s)＝K×T(s)+PE+PS(公式6)
其中C为黑体腔热容，s为拉普拉斯变换的复变量，T(s)为复数域的腔温，K是黑体腔的热导率，PE是输入加热功率，PS为黑体腔接收的辐射功率。
求解公式6得到在频域内的腔温动态响应方程，具体表达式如公式7所示：
公式7：
从公式7可看出，黑体腔为一阶惯性系统。
PI控制器C(s)的具体传递函数如公式8所示：
其中，KP为比例因子，KI为积分因子。
如公式7所示，在步骤S1中构建得到黑体腔的数学模型，通过阶跃响应实验即可获取黑体腔的温度响应曲线。
步骤S2：采用仿真软件仿真优化PI控制器的参数。在该实施例中，首先在matlab软件平台上计算黑体腔的传递函数，再通过Simulink可视化仿真工具优化PI控制器的控制参数，从而缩短开快门和关快门时刻的调节时间，进而缩短整个测量周期。
步骤S3：在辐射观测阶段，采用PI控制器调节黑体腔的电功率，直至将腔温调回热平衡状态，从而获得第一平衡温度和补偿电功率。在辐射观测阶段，打开快门，从而黑体腔接收辐射功率导致腔温上升，PI控制器主动调节黑体腔上的电功率，将腔温调回到热平衡状态，获得第一平衡温度TO和补偿电功率PE1。
步骤S4：在电标定阶段，采用PI控制器调节黑体腔的电功率，直至将腔温调回热平衡状态，从而获得第二平衡温度和电标定功率。在电标定阶段，关闭快门，从而黑体腔的温度下降，PI控制器主动调节黑体腔的电功率，恢复到热平衡状态，获得第二平衡温度TE和电定标功率PE2。
在该实施例中，测试方法还包括步骤S5：采用自测试手段获取黑体腔的灵敏度S。步骤S5的具体执行时间可以放在步骤S1至步骤S4之前、中间或之后的任意一个阶段。
根据本发明实施例所提供的方法获得的光功率的具体表达式如公式9所示：
PO＝PE2-PE1-S(TE-TO)(公式9)
其中，PO为光功率，PE1为所述补偿电功率，PE2为所述标定电功率，TO为所述第一平衡温度，TE为所述第二平衡温度，S为测量开始之前通过自测试获得的黑体腔灵敏度。
如图2所示，为本发明实施例中基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法的测量过程示意图。在该测量过程中，平衡温度和电功率的表现形式都为阶跃响应曲线形式，两者在辐射观测阶段和电标定阶段的初始处都显示阶越特性。平衡温度的阶跃响应曲线如图2中曲线1所示，电功率的阶跃响应曲线如图2中曲线2所示。如图所示，电功率的响应时间相较于平衡温度的响应时间较短。
如图3所示，为不同测量方法在测量过程中的腔温变化比较示意图。现有的太阳总辐照度监测仪(TSIM)的测试方法的腔温变化如曲线3所示，本发明实施例提供的基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法的腔温变化如曲线4所示。如图所示，相比于现有的太阳总辐照度监测仪(TSIM)的测量方法，本发明实施例所提供的测量方法显著缩短了黑体腔恢复平衡状态的时间，缩短了测量周期，验证了本发明的可行性。
本发明实施例所提供的基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法，采用PI控制器调节黑体腔的电功率，使得黑体腔能够快速地恢复至热平衡状态，缩短开关快门时刻的调节时间，进而有效地缩短太阳总辐照度监测仪的测量周期。本发明实施例所提供的方法采用PI控制器，避免了传统测量方法中测量计算公式由于光电不等效原因而导致测量精度下降的问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
获取黑体腔的温度阶跃响应曲线，并构建黑体腔的数学模型；
采用仿真软件仿真优化PI控制器的参数；
在辐射观测阶段，采用PI控制器调节黑体腔的电功率，直至将腔温调回热平衡状态，从而获得第一平衡温度和补偿电功率；
在电标定阶段，采用PI控制器调节黑体腔的电功率，直至将腔温调回热平衡状态，从而获得第二平衡温度和电标定功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，黑体腔的腔温的热平衡方程如公式2所示：
公式2：
其中，T(t)是腔温，C是黑体腔的热容，K是黑体腔的热导率，PE为输入加热功率，PS是黑体腔接受的辐射功率。
3.根据权利要求2所述的一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，求解公式2得到腔温T(t)的动态响应方程，具体表达式如公式3所示：
公式3：
其中，T0是黑体腔的初始温度，τ＝C/K为黑体腔的时间常数。
4.根据权利要求2所述的一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，对公式2进行拉普拉斯变换，获得在频域内的黑体腔的腔温热平衡方程，具体表达式如公式6所示：
公式6：C×s×T(s)＝K×T(s)+PE+PS
其中C为黑体腔热容，s为拉普拉斯变换的复变量，T(s)为复数域的腔温，K是黑体腔的热导率，PE是输入加热功率，PS为黑体腔接收的辐射功率。
5.根据权利要求4所述的一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，求解公式6得到在频域内的腔温动态响应方程，具体公式如公式7所示：
公式7：
6.根据权利要求4所述的一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，C(s)具体的传递函数如公式8所示：
公式8：
其中，KP为比例因子，KI为积分因子。
7.根据权利要求1所述的一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：采用自测试手段获取黑体腔的灵敏度。
8.根据权利要求7所述的一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法，根据所述方法获得的光功率的具体表达式如公式9所示：
公式9：PO＝PE2-PE1-S(TE-TO)
其中，PO为光功率，PE1为所述补偿电功率，PE2为所述标定电功率，TO为所述第一平衡温度，TE为所述第二平衡温度，S为测量开始之前通过自测试获得的黑体腔灵敏度。
9.根据权利要求1所述的一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，在所述辐射观测阶段打开快门，在所述电标定阶段关闭快门。
10.根据权利要求1所述的一种基于PI控制器的太阳绝对辐射计的测量方法，其特征在于，所述仿真软件包括Simulink可视化仿真工具。
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