CN111380613B - 基于扩充响应曲线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，具体涉及一种基于扩充响应曲线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；获取接收腔的灵敏度；建立所述数学模型参数与PI控制器参数的关系，获得第一控制策略；建立所述PI控制器参数与所述接收腔的灵敏度的关系，获得第二控制策略；根据所述第一控制策略、所述第二控制策略和预设的PI控制器参数信息表计算所述PI控制器参数。该方法通过辨识接收腔的数学模型，根据PI参数信息表整定PI控制器参数，当PI控制器的工作环境变化时，校正接收腔的数学模型，提高PI控制器的环境适应性，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。

Description

基于扩充响应曲线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，具体涉及一种基于扩充响应曲线法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法。

背景技术

气候变化是当今世界面对的巨大挑战之一，科学界正致力于研究气候变化机制。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。地球能量平衡直接取决于输入和输出的电磁辐射。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。

太阳辐射监测仪采用基于PI控制器的快速测量算法提高比对观测效率。辐射观测过程中，当接收腔的入射辐射功率产生变化时，PI控制器根据腔温变化调节接收腔上加载的电功率，维持热平衡状态。当PI控制器的比例因子P、积分因子I最优时，才能获得最佳的稳定度及调节时间，减少恢复热平衡时间，从而达到缩短测量周期的目的。然而，最优的P、I因子取决于接收腔的数学模型，而数学模型主要取决于工作环境的真空度。由于地面真空度与空间相差巨大，并且随着在轨工作时间增加真空度也将发生变化。因此，地面实验室获得的P、I因子对于变化的接收腔模型不是最优化的，PI控制器将缺乏空间适应性，在轨工作时，需要定期辨识数学模型、优化P、I因子。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的基于扩充响应曲线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，提供一种基于扩充响应曲线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扩充响应曲线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，所述数学模型包括多个参数；

根据所述温度阶跃响应曲线，确定所述数学模型参数；

在辐射观测阶段，在恒定的电加热功率作用下，采用PI控制器调节所述接收腔的温度，直至将初始腔温调回热平衡状态，获取接收腔的灵敏度；

建立所述数学模型参数与PI控制器参数的关系，获得第一控制策略；

建立所述PI控制器参数与所述接收腔的灵敏度的关系，获得第二控制策略；

根据所述第一控制策略、所述第二控制策略和预设的PI控制器参数信息表计算所述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，τ_e为等效纯延迟时间，T_e为等效的时间常数，K为热连接的热导率，所述数学模型参数包括：等效纯延迟时间、等效的时间常数以及热连接的热导率。

优选地，“根据所述温度阶跃响应曲线，确定所述数学模型参数”的步骤包括：选取所述温度阶跃响应曲线的第一时刻对应的第一归一化腔温、第二时刻对应的第二归一化腔温，根据所述第一时刻、第一归一化腔温、第二时刻及第二归一化腔温确定所述数学模型参数，所述数学模型参数为：

其中，τ_e为等效纯延迟时间，T_e为等效的时间常数，y₀(t₁)为第一归一化腔温，y₀(t₂)为第二归一化腔温，t₁为第一时刻，t₂为第二时刻。

优选地，“在辐射观测阶段，在恒定的电加热功率作用下，采用PI控制器调节所述接收腔的温度，直至将初始腔温调回热平衡状态，获取接收腔的灵敏度”的步骤包括：获取接收腔的电加热功率、初始腔温和平衡腔温，根据所述接收腔的电加热功率、初始腔温和平衡腔温获得接收腔的灵敏度。

优选地，灵敏度的计算公式为：

其中，S为接收腔的灵敏度，P_E为电加热功率，D₀为初始腔温，D₁为平衡腔温。

优选地，所述PI控制器参数包括：修正比例因子，积分因子和腔温采样周期。

优选地，所述第一控制策略为：

其中，τ为等效延迟时间，T为腔温采样周期，τ_e为等效纯延迟时间。

优选地，所述第二控制策略为：

K_P′＝K_PS，其中，K_P′为修正比例因子，K_P为比例因子，S为接收腔的灵敏度。

优选地，所述预设的PI控制器参数信息表包括预设控制度，与所述预设控制度对应的第一预设值、第二预设值和第三预设值。

优选地，“根据所述第一控制策略、所述第二控制策略和预设的PI控制器参数信息表计算所述PI控制器参数”的步骤包括：

根据所述第一控制策略和所述第一预设值获得所述PI控制器参数中的腔温采样周期；

根据所述第一控制策略、所述第一预设值和所述第三预设值获得所述PI控制器参数中的积分因子；

根据所述第一控制策略、所述第一预设值、所述第二预设值获得所述比例因子；

根据所述第二控制策略获得所述PI控制器参数中的修正比例因子。

本发明的方法通过辨识接收腔的数学模型，根据PI参数信息表整定PI控制器参数，当PI控制器的工作环境变化时，校正接收腔的数学模型，提高PI控制器的环境适应性，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。

附图说明

图1是本发明实施例的基于扩充响应曲线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S6的流程图。

图4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5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扩充响应曲线法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，该方法通过辨识接收腔的数学模型，根据PI参数信息表整定PI控制器参数，当等效纯延迟时间、等效的时间常数、热导率等参数随工作环境变化时，校正接收腔的数学模型，提高PI控制器的环境适应性，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。

图1示出了一种基于扩充响应曲线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，数学模型包括多个参数；

步骤S2：根据温度阶跃响应曲线，确定数学模型参数；

步骤S3：在辐射观测阶段，在恒定的电加热功率作用下，采用PI控制器调节所述接收腔的温度，直至将初始腔温调回热平衡状态，获取接收腔的灵敏度；

步骤S4：建立数学模型参数与PI控制器参数的关系，获得第一控制策略；

步骤S5：建立PI控制器参数与接收腔的灵敏度的关系，获得第二控制策略；

步骤S6：根据第一控制策略、第二控制策略和预设的PI控制器参数信息表计算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，采用热电堆作为测温元件，通过双腔补偿结构提高接收腔稳定性。在恒定的电加热功率作用下，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，τ_e为等效纯延迟时间，T_e为等效的时间常数，K为热连接的热导率，数学模型参数包括：等效纯延迟时间、等效的时间常数以及热连接的热导率。

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，步骤S2包括选取热电响应曲线中最大斜率的两个点确定数学模型参数，具体为：选取温度阶跃响应曲线的第一时刻对应的第一归一化腔温、第二时刻对应的第二归一化腔温，根据所述第一时刻、第一归一化腔温、第二时刻、第二归一化腔温和上述公式1确定数学模型参数，得到数学模型参数为：

其中，τ_e为等效纯延迟时间，T_e为等效的时间常数，y₀(t₁)为第一归一化腔温，y₀(t₂)为第二归一化腔温，t₁为第一时刻，t₂为第二时刻。

进一步地，步骤S3包括：获取接收腔的电加热功率、初始腔温和平衡腔温，根据接收腔的电加热功率、初始腔温和平衡腔温获得接收腔的灵敏度。

进一步地，灵敏度的计算公式为：

其中，S为接收腔的灵敏度，P_E为电加热功率，D₀为初始腔温，D₁为平衡腔温。

进一步地，PI控制器参数包括：修正比例因子，积分因子和腔温采样周期。

进一步地，第一控制策略为：

其中，τ为等效延迟时间，T为腔温采样周期，τ_e为等效纯延迟时间。

进一步地，第二控制策略为：

K_P′＝K_PS(公式5)，

其中，K_P′为修正比例因子，K_P为比例因子，S为接收腔的灵敏度。

进一步地，预设的PI控制器参数信息表包括预设控制度，与预设控制度对应的第一预设值、第二预设值和第三预设值。

具体地，根据预设的PI控制器参数信息表可以获得如下信息：

T/τ＝A(公式6)，其中，T为腔温采样周期，τ为等效延迟时间，A为第一预设值；

K_P/(T_e/τ)＝B(公式7)，其中，K_P为比例因子，T_e为等效的时间常数，τ为等效延迟时间，B第二预设值；

T_I/τ＝C(公式8)，其中，T_I为积分因子，τ等效延迟时间，C为第三预设值。

进一步地，请参见图3，步骤S6包括如下步骤：

步骤S61：根据第一控制策略和第一预设值获得PI控制器参数中的腔温采样周期；

具体地，根据公式2、公式4和公式6求解，得到等效延迟时间和腔温采样周期。

步骤S62：根据第一控制策略、第一预设值和第三预设值获得PI控制器参数中的积分因子；

具体地，根据公式2、公式4、公式6和公式8求解，得到积分因子。

步骤S63：根据第一控制策略、第一预设值、第二预设值获得比例因子；

具体地，根据公式2、公式4、公式6和公式7求解，得到比例因子。

步骤S64：根据第二控制策略获得PI控制器参数中的修正比例因子。

具体地，在步骤S63的基础上实施步骤S64，根据公式5获得修正比例因子。

从上述步骤中获得在轨整定的PI控制器参数：修正比例因子，积分因子和腔温采样周期。

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监测仪的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，得到：等效的时间常数T_e＝9.74s，等效纯延迟时间τ_e＝1.32s，接收腔的灵敏度S＝0.005750mW/Lsb，进而分别由公式4和公式5获得：

其中，τ为等效延迟时间，T为腔温采样周期；

K_P′＝0.005750K_P(公式10)，其中，K_P′为修正比例因子，K_P为比例因子。

请参见表1，表1为PI控制器参数信息表。

控制度	控制规律	T/τ	K<sub>P</sub>/(T<sub>e</sub>/τ)	T<sub>I</sub>/τ
					1.05	PI	0.10	0.84	3.40
1.20	PI	0.20	0.73	3.60
					1.50	PI	0.50	0.68	3.90
2.00	PI	0.80	0.57	4.20

预设控制度为10.5时，第一预设值为0.10，第二预设值为0.84，第三预设值为3.40。根据表1可以获得如下信息：

T/τ＝0.10(公式11)，其中，T为腔温采样周期，τ为等效延迟时间；

K_P/(T_e/τ)＝0.84(公式12)，其中，K_P为比例因子，T_e为等效的时间常数，τ为等效延迟时间；

T_I/τ＝3.40(公式13)，其中，T_I为积分因子，τ等效延迟时间。

根据公式9和公式11获得：

其中，T为腔温采样周期，τ为等效延迟时间，求解公式14，得到τ＝1.39s，T＝0.139s。

根据公式12得到：

进而根据公式10得到：K_P′＝0.005750×5.886＝0.0338445。

根据公式13得到：T_I＝0.34τ＝0.34×1.39＝0.4726。

综上，在常压环境下，整定得到太阳辐射监测仪的PI控制器参数：K_P′＝0.0338445，T_I＝0.4726，T＝0.139。利用整定后的PI控制器可以使太阳辐射监测仪的腔温稳定到目标温度，如图4所示，图4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，得到：等效的时间常数T_e＝20.70s，等效纯延迟时间τ_e＝1.69s，接收腔的灵敏度S＝0.005151mW/Lsb，进而分别由公式4和公式5获得：

其中，τ为等效延迟时间，T为腔温采样周期；

K_P′＝0.005151K_P(公式16)，其中，K_P′为修正比例因子，K_P为比例因子。

请参见表1，预设控制度为10.5时，第一预设值为0.10，第二预设值为0.84，第三预设值为3.40。根据表1可以获得如下信息：

T/τ＝0.10(公式17)，其中，T为腔温采样周期，τ为等效延迟时间；

K_P/(T_e/τ)＝0.84(公式18)，其中，K_P为比例因子，T_e为等效的时间常数，τ为等效延迟时间；

T_I/τ＝3.40(公式19)，其中，T_I为积分因子，τ等效延迟时间。

根据公式15和公式17获得：

其中，T为腔温采样周期，τ为等效延迟时间，求解公式20，得到τ＝1.779s，T＝0.1779s。

根据公式18得到：

进而根据公式16得到：K_P′＝0.005151×9.774＝0.050345874。

根据公式19得到：T_I＝0.34τ＝0.34×1.779＝0.60486。

综上，在常压环境下，整定得到太阳辐射监测仪的PI控制器参数：K_P′＝0.050345874，T_I＝0.60486，T＝0.1779。利用整定后的PI控制器可以使太阳辐射监测仪的腔温稳定到目标温度，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。

上述实施例均表明了本发明实施例中的基于扩充响应曲线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 (8)

1.一种基于扩充响应曲线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，所述数学模型包括多个参数；

根据所述温度阶跃响应曲线，确定所述数学模型参数；

在辐射观测阶段，在恒定的电加热功率作用下，采用PI控制器调节所述接收腔的温度，直至将初始腔温调回热平衡状态，获取接收腔的灵敏度；

建立所述数学模型参数与PI控制器参数的关系，获得第一控制策略；

建立所述PI控制器参数与所述接收腔的灵敏度的关系，获得第二控制策略；

根据所述第一控制策略、所述第二控制策略和预设的PI控制器参数信息表计算所述PI控制器参数；

所述数学模型为：

其中，G(s)为s的函数，τ_e为等效纯延迟时间，T_e为等效的时间常数，K为热连接的热导率，所述数学模型参数包括：等效纯延迟时间、等效的时间常数以及热连接的热导率；

“根据所述温度阶跃响应曲线，确定所述数学模型参数”的步骤包括：选取所述温度阶跃响应曲线的第一时刻对应的第一归一化腔温、第二时刻对应的第二归一化腔温，根据所述第一时刻、第一归一化腔温、第二时刻及第二归一化腔温确定所述数学模型参数，所述数学模型参数为：

其中，τ_e为等效纯延迟时间，T_e为等效的时间常数，y₀(t₁) 为第一归一化腔温，y₀(t₂)为第二归一化腔温，t₁为第一时刻，t₂为第二时刻。

2.根据权利要求1所述的基于扩充响应曲线法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，“在辐射观测阶段，在恒定的电加热功率作用下，采用PI控制器调节所述接收腔的温度，直至将初始腔温调回热平衡状态，获取接收腔的灵敏度”的步骤包括：获取接收腔的电加热功率、初始腔温和平衡腔温，根据所述接收腔的电加热功率、初始腔温和平衡腔温获得接收腔的灵敏度。

3.根据权利要求2所述的基于扩充响应曲线法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，灵敏度的计算公式为：

其中，S为接收腔的灵敏度，P_E为电加热功率，D₀为初始腔温，D₁为平衡腔温。

4.根据权利要求1所述的基于扩充响应曲线法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，所述PI控制器参数包括：修正比例因子，积分因子和腔温采样周期。

5.根据权利要求4所述的基于扩充响应曲线法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，所述第一控制策略为：

其中，τ为等效延迟时间，T为腔温采样周期，τ_e为等效纯延迟时间。

6.根据权利要求3或5所述的基于扩充响应曲线法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，所述第二控制策略为：

K_P′＝K_PS，其中，K_P′为修正比例因子，K_P为比例因子，S为接收腔的灵敏度。

7.根据权利要求6所述的基于扩充响应曲线法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，所述预设的PI控制器参数信息表包括预设控制度，与所述预设控制度对应的第一预设值、第二预设值和第三预设值。

8.根据权利要求7所述的基于扩充响应曲线法的太阳辐射监测仪在轨自整定方法，其特征在于，“根据所述第一控制策略、所述第二控制策略和预设的PI控制器参数信息表计算所述PI控制器参数”的步骤包括：

根据所述第一控制策略和所述第一预设值获得所述PI控制器参数中的腔温采样周期；

根据所述第一控制策略、所述第一预设值和所述第三预设值获得所述PI控制器参数中的积分因子；

根据所述第一控制策略、所述第一预设值、所述第二预设值获得所述比例因子；

根据所述第二控制策略获得所述PI控制器参数中的修正比例因子。

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