CN109765436A - 一种基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及辐射计量技术领域，具体涉及一种基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，该方法包括获取接收腔的温度阶跃响应曲线，并辨识接收腔的数学模型；建立数学模型与PI控制器的预设控制策略的开环传递函数；根据频域分析法和开环传递函数建立PI控制器参数与频域性能指标的关系，获得目标函数并计算PI控制器参数；该方法解决了太阳辐射监测仪快速测量算法无法在轨应用的问题，通过辨识接收腔的数学模型，根据预设频域性能指标整定PI控制器参数，当PI控制器的工作环境变化时，可实时矫正接收腔的数学模型，提高基于PI控制器的快速测量算法的空间环境适应性。

Description

一种基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法

技术领域

本发明涉及辐射计量技术领域，具体涉及一种基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法。

背景技术

太阳总辐照度(Total Solar Irradiance，TSI)是地球气候系统的能量之源。太阳辐射为地球系统提供了绝大部分的能量输入，几乎驱动了地球系统中每一个动态过程。太阳对地球气候的影响已经受到了广泛的关注。自1978年，欧、美等国开展了基于卫星平台的太阳总辐照度测量。自此，多种辐射计先后搭载不同的卫星平台，获得了近40年的太阳总辐照度观测数据。长期观测结果不仅获得了太阳常数，也揭示了太阳总辐照度11年内变化0.1％的趋势。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所自主研制了基于SIAR型绝对辐射计的太阳辐照度监测仪(SIM)，并于2008年开始，成功搭载FY-3A、FY-3B、FY-3C气象卫星，执行长期的太阳总辐照度测量任务。自2016年，开始研制FY-3E国际比对型太阳辐射监测仪(JTSIM/FY-3E)。JTSIM/FY-3E由中国的SIAR型绝对辐射计和瑞士DARA型绝对辐射计组成，通过两种类型、不同通道的辐射计之间的比较，可有效地感知辐射计的测量噪声，从而达到测量真正太阳变化、降低仪器噪声影响的科学目标。相比于DARA型绝对辐射计，SIAR型绝对辐射计测量周期较长。为缩短SIAR测量周期，提高比对效率，设计了基于PI控制器的快速测量算法。辐射观测过程中，当入射的辐射功率发生变化时，PI控制器根据腔温变化，调整接收腔上加载的电功率，将接受腔快速恢复平衡状态。

PI控制器的稳定度及调节时间取决于两个关键参量：比例因子P和积分因子I。接收腔的数学模型直接决定了PI控制器参数。但受真空度影响，空间环境和地面环境中接收腔的数学是不同的，并且随着真空度的变化，接受腔的数学模型也在变化。因此，基于PI控制器的快速测量算法无法直接在轨应用。需要定期在轨辨识数学模型，优化比例因子P和积分因子I。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明提供了一种基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，该方法包括：

获取接收腔的温度阶跃响应曲线，并辨识接收腔的数学模型；

建立PI控制器的预设控制策略，根据所述预设控制策略获取PI控制器参数；

建立所述数学模型与所述预设控制策略的关系，获得开环传递函数；

根据频域分析法和所述开环传递函数建立PI控制器参数与频域性能指标的关系，获得目标函数；

根据预设频域性能指标和所述目标函数计算所述PI控制器参数。

优选地，所述数学模型为：

其中，G(s)为s的函数，θ为滞后时间，τ为时间常数，K为热连接的热导率，e为自然常数，s为拉普拉斯变化算子。

优选地，所述预设控制策略为：

其中，C(s)为s的函数，P为比例因子，I为积分因子；所述PI控制器参数包括：所述比例因子和所述积分因子，s为拉普拉斯变换算子。

优选地，所述开环传递函数为：

G₀(s)＝C(s)G(s)，其中，C(s)为所述PI控制器的预设控制策略，G(s)为所述数学模型。

优选地，“建立所述数学模型与所述预设控制策略的关系，获得开环传递函数”的步骤具体为：

其中G₀(s)为s的开环传递函数，θ为滞后时间，τ为时间常数，K为热连接的热导率。

优选地，所述频域性能指标包括：开环剪切频率和相角裕度。

优选地，“根据频域分析法和所述开环传递函数建立PI控制器参数与频域性能指标的关系，获得目标函数”的步骤包括：

根据所述开环剪切频率，建立所述开环剪切频率与所述PI控制器参数的关系，获得第一目标函数；

建立所述开环剪切频率、所述PI控制器参数和所述相角裕度的关系，获得第二目标函数。

优选地，“根据所述开环剪切频率，建立所述开环剪切频率与所述PI控制器参数的关系，获得第一目标函数”的步骤为：

将开环传递函数变为以开环剪切频率为自变量的函数，建立|G₀(jω_c)|＝1，并求解获得第一目标函数，其中，j为虚数单位，ω_c为开环剪切频率，|G₀(jω_c)|为系统在ω_c角频率处的幅值；所述第一目标函数为：

优选地，“建立所述开环剪切频率、所述PI控制器参数和所述相角裕度的关系，获得第二目标函数”的步骤为：

建立γ＝∠G₀(jω_c)-(-180°)，并求解获得第二目标函数，其中，j为虚数单位，ω_c为开环剪切频率，γ为相角裕度，∠G₀(jω_c)为系统在ω_c角频率处的相角；所述第二目标函数为：

优选地，“根据预设频域性能指标和所述目标函数计算PI控制器参数”的步骤包括：

根据预设的频域性能指标和所述第二目标函数计算所述积分因子；

根据预设的频域性能指标、所述积分因子、所述第一目标函数计算所述比例因子。

本发明的基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，提高了基于PI控制器的快速测量算法的空间环境适应性，解决了太阳辐射监测仪快速测量算法无法在轨应用的问题，通过辨识接收腔的数学模型，根据预设频域性能指标整定PI控制器参数，当PI控制器的工作环境变化时，可实时矫正接收腔的数学模型，提高基于PI控制器的快速测量算法的空间环境适应性。

附图说明

图1是本发明实施例的基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法的流程图。

图2是本发明实施例的一阶滞后系统的热电响应曲线。

图3是本发明实施例的步骤S4的流程图。

图4是本发明实施例的步骤S5的流程图。

图5是本发明实施例在常压环境下PI控制器参数整定后的测试结果。

图6是本发明实施例在真空环境下PI控制器参数整定后的测试结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

本发明的实施例提供了一种基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，提高了基于PI控制器的快速测量算法的空间环境适应性，解决了太阳辐射监测仪快速测量算法无法在轨应用的问题，通过辨识接收腔的数学模型，根据开环剪切频率和相角裕度整定PI控制器参数，当PI控制器的工作环境变化时，可实时矫正接收腔的数学模型，提高基于PI控制器的快速测量算法的空间环境适应性。

图1示出了一种基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，请参见图1，该方法包括：

步骤S1：获取接收腔的温度阶跃响应曲线，并辨识接收腔的数学模型；

步骤S2：建立PI控制器的预设控制策略，根据预设控制策略获取PI控制器参数；

步骤S3：建立数学模型与预设控制策略的关系，获得开环传递函数；

步骤S4：根据频域分析法和开环传递函数建立PI控制器参数与频域性能指标的关系，获得目标函数；

步骤S5：根据预设频域性能指标和目标函数计算PI控制器参数。

进一步地，太阳辐射监测仪的核心探测器是对光辐射功率具有超高吸收比的接收腔，接收腔通过热连接组件安装在热沉上。在恒定的加热功率作用下，接收腔温度逐渐升高，经过一段时间达到新的热平衡状态。通过阶跃响应实验测量太阳辐射监测仪的热电响应曲线，辨识接收腔的数学模型，数学模型为：

其中，G(s)为s的函数，θ为滞后时间，τ为时间常数，K为热连接的热导率，e为自然常数，s为拉普拉斯变化算子。

公式1表明接收腔是一个一阶滞后系统，一阶滞后系统的热电响应曲线如图2所示。

进一步地，PI控制器的预设控制策略为：

其中，C(s)为s的函数，P为比例因子，I为积分因子；PI控制器参数包括：比例因子和积分因子。

进一步地，开环传递函数为：

G₀(s)＝(s)G(s)(公式3)，

其中，C(s)为所述PI控制器的预设控制策略，G(s)为所述数学模型。

根据公式1、公式2和公式3，进一步得到公式4，具体为：

其中G₀(s)为s的开环传递函数，θ为滞后时间，τ为时间常数，K为热连接的热导率，P为比例因子，I为积分因子。

进一步地，频域性能指标包括：开环剪切频率和相角裕度。

进一步地，请参见图3，步骤S4还包括：

步骤S41：根据开环剪切频率，建立开环剪切频率与PI控制器参数的关系，获得第一目标函数；

进一步地，步骤S41具体为：

将开环传递函数变为以开环剪切频率为自变量的函数，建立|G₀(jω_c)|＝1(公式5)，其中，j为虚数单位，ω_c为开环剪切频率，|G₀(jω_c)|为系统在ω_c角频率处的幅值；根据公式4和公式5求解，获得第一目标函数：(公式6)，其中，τ为时间常数，K为热连接的热导率，P为比例因子，I为积分因子，ω_c为开环剪切频率。

步骤S42：建立所述开环剪切频率、所述PI控制器参数和所述相角裕度的关系，获得第二目标函数。

进一步地，步骤S42具体为：

建立γ＝∠G₀(jω_c)-(-180°)(公式7)，其中，j为虚数单位，ω_c为开环剪切频率，γ为相角裕度，∠G₀(jω_c)为系统在ω_c角频率处的相角；根据公式4和公式7求解，获得第二目标函数：(公式8)，其中，γ为相角裕度，ω_c为开环剪切频率，I为积分因子，τ为时间常数，θ为滞后时间。

进一步地，请参见图4，步骤S5具体为：

步骤S51：根据预设的频域性能指标和第二目标函数计算积分因子；

步骤S52：根据预设的频域性能指标、积分因子、第一目标函数计算比例因子。

在上述实施例的基础上，本实施例中，采用仿真软件优化PI控制器参数，仿真软件包括Simulink可视化仿真工具。

在本实施例中，分别自常压和真空环境下整定太阳辐射检测仪的PI控制器参数，通过试验验证本发明实施例的可行性。

具体地，在常压环境下，通过阶跃响应实验测量太阳辐射监测仪的热电响应曲线，辨识接收腔的数学模型，如下：

由公式9中可知，θ为1.31，τ为9.854，K为171.562。

预设开环剪切频率ω_c为0.3rad/s，相角裕度γ为66°，将预设开环剪切频率和预设相角裕度的值代入第二目标函数中，即：

求解公式10，得到I＝0.1102089540。

将预设开环剪切频率、预设相角裕度和积分因子的值代入第一目标函数中，即：

求解公式11，得到P＝0.017074550。

从而整定了PI控制器参数：I＝0.1102089540，P＝0.017074550。利用整定后的PI控制器可以使太阳绝对辐射计达到热平衡状态，如图5所示，图5示出了常压环境下PI控制器参数整定后的测试结果。

在真空环境下，通过阶跃响应实验测量太阳辐射监测仪的热电响应曲线，辨识接收腔的数学模型，如下：

由公式12中可知，θ为2.21，τ为19.7133，K为199.152。

预设开环剪切频率ω_c为0.2rad/s，相角裕度γ为50°，将预设开环剪切频率和预设相角裕度的值代入第二目标函数中，即：

求解公式13，得到I＝0.11044。

将预设开环剪切频率、预设相角裕度和积分因子的值代入第一目标函数中，即：

求解公式14，得到P＝0.0178793。

从而整定了PI控制器参数：I＝0.11044，P＝0.0178793。利用整定后的PI控制器可以使太阳绝对辐射计达到热平衡状态，如图6所示，图6示出了真空环境下PI控制器参数整定后的测试结果。

上述实施例均表明了本发明实施例中的基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法的可行性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，该方法包括：

获取接收腔的温度阶跃响应曲线，并辨识接收腔的数学模型；

建立PI控制器的预设控制策略，根据所述预设控制策略获取PI控制器参数；

建立所述数学模型与所述预设控制策略的关系，获得开环传递函数；

根据频域分析法和所述开环传递函数建立PI控制器参数与频域性能指标的关系，获得目标函数；

根据预设频域性能指标和所述目标函数计算所述PI控制器参数。

2.根据权利要求1所述的基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，所述数学模型为：

其中，G(s)为s的函数，θ为滞后时间，τ为时间常数，K为热连接的热导率，e为自然常数，s为拉普拉斯变化算子。

3.根据权利要求1所述的基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，所述预设控制策略为：

其中，C(s)为s的函数，P为比例因子，I为积分因子；所述PI控制器参数包括：所述比例因子和所述积分因子，s为拉普拉斯变换算子。

4.根据权利要求3所述的基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，所述开环传递函数为：

G₀(s)＝C(s)G(s)，其中，C(s)为所述PI控制器的预设控制策略，G(s)为所述数学模型。

5.根据权利要求4所述的基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，“建立所述数学模型与所述预设控制策略的关系，获得开环传递函数”的步骤具体为：

其中G₀(s)为s的开环传递函数，θ为滞后时间，τ为时间常数，K为热连接的热导率。

6.根据权利要求5所述的基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，所述频域性能指标包括：开环剪切频率和相角裕度。

7.根据权利要求6所述的基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，“根据频域分析法和所述开环传递函数建立PI控制器参数与频域性能指标的关系，获得目标函数”的步骤包括：

根据所述开环剪切频率，建立所述开环剪切频率与所述PI控制器参数的关系，获得第一目标函数；

建立所述开环剪切频率、所述PI控制器参数和所述相角裕度的关系，获得第二目标函数。

8.根据权利要求7所述的基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，“根据所述开环剪切频率，建立所述开环剪切频率与所述PI控制器参数的关系，获得第一目标函数”的步骤为：

将开环传递函数变为以开环剪切频率为自变量的函数，建立|G₀(jω_c)|＝1，并求解获得第一目标函数，其中，j为虚数单位，ω_c为开环剪切频率，|G₀(jω_c)|为系统在ω_c角频率处的幅值；所述第一目标函数为：

9.根据权利要求7所述的基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，“建立所述开环剪切频率、所述PI控制器参数和所述相角裕度的关系，获得第二目标函数”的步骤为：

建立γ＝∠G₀(jω_c)-(-180°)，并求解获得第二目标函数，其中，j为虚数单位，ω_c为开环剪切频率，γ为相角裕度，∠G₀(jω_c)为系统在ω_c角频率处的相角；所述第二目标函数为：

10.根据权利要求1所述的基于频域分析法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，“根据预设频域性能指标和所述目标函数计算PI控制器参数”的步骤包括：

根据预设的频域性能指标和所述第二目标函数计算所述积分因子；

根据预设的频域性能指标、所述积分因子、所述第一目标函数计算所述比例因子。