专利名称：一种基于双队列的容错测量方法
技术领域：
本发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种对外部物理量的基于双队列的容 错测量方法。
背景技术：
对外部物理量正确的测量是控制系统正常稳定工作的基础。在实际系统中，任 何物理量的测量往往会伴随有动态随机误差和随机事件的干扰。这些误差和干扰如果不 能正确处理，将会导致错误的测量结果而出现控制系统运行错误。为提高物理量测量的 准确性，现有控制系统中主要采用了三种改进的测量方法
第一种是提高测量电路的精度，比如采用更高精度的转换电路等。该方法可有效改 进由于随机误差导致的精度下降，但是由于测量电路并不判断测量结果的有效性，因此 随机误差和随机错误仍然存在于测量结果中，导致结果的有效性大大降低。第二种则是快速多次测量并取均值。该方法可消除具有正态分布特征的随机误 差带来的干扰，通过多次测量去平均值，使得多个动态随机误差相互消除影响，得到精 确的测量结果。但是该方法不能消除外部随机事件对测量结果的影响，比如外部随机事 件导致的测量结果过大或过小的情况，该方法仅仅通过平均，将随机事件的影响减半， 当随机事件出现时，容易造成测量结果的错误或误差过大。第三种则是间隔采样，并对采样数据进行去除最大最小值，然后取均值。这种 方法可减少由于随机事件造成测量结果错误的概率，对一次随机事件造成测量结果过大 或者过小的情况可以得到正确的测量结果。但是对于测量过程中多次间隔的一次性随机 事件无法处理，连续两次出现随机事件的情况则更加无法排除影响，得到正确的测量结果。以上三种改进的测量方法均不能很好的排除随机误差和随机事件对测量过程和 测量结果的干扰。而在实际的控制系统中进行物理量测量时，随机误差和随机事件的干 扰是始终存在的。随机误差的大小因为不同的物理量特性及测量电路特征而不同，随机 事件出现的概率和频率也各不相同。为消除具有正态分布特征的随机误差，并在出现随 机事件干扰的情况下，得到正确的测量结果，需要一种科学的容错测量方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现在技术中所存在的上述缺陷，提供一种基于双队列的 测量方法。本发明方法包括如下顺序的步骤
(1)首先，针对不同的物理量，设定四个参数
(a)测量的间隔周期T，即多次测量物理量之间等待的时间；
(b)随机误差的范围W，即用于确定测量数据有效性的误差范围；
(c)测量结果确定的次数N，即确定测量结果所需的有效测量次数；(d)最大测量次数M，即测量结果确定前，允许最大的测量物理量的次数； (2)测量开始后，对物理量进行精确测量，对每个测量结果进行如下处理 其一，测量结果首先进行采样队列处理
(a)将前两次测量结果直接进入采样队列；
(b)后续的测量结果首先根据设定的误差容限W，以及采样队列内的测量结果，判 断该测量数据的有效性；
(c)若判断为有效数据，则直接进入采样队列，将有效数据个数加1；若有效数据 个数达到设定的参数N，则结束测量，将采样队列中的有效数据取均值返回；
(d)若不能确定其有效性，则判断该数据与采样队列中数据的兼容性，若与采样队 列中的数据兼容，则更新采样队列中的测量数据；
其二，对于无法判断数据有效性，又与现有采样队列数据不兼容的测量数据，进行 候选测量处理
(a)将前两次候选测量结果直接进入候选队列；
(b)后续的候选测量结果首先根据设定的误差容限W，以及候选队列内数据进行有 效性判断；
(c)若判断为有效数据，则进入候选队列，将候选有效数据个数加1;若候选有效 数据个数达到设定的参数N，则结束测量，将候选队列中的有效数据取均值返回；
(d)若仍不能判断数据的有效性，则判断该数据与候选队列中数据的兼容性，若与 候选队列中数据兼容，则更新候选队列中的测量数据；
其三，若不能确定测量数据的有效性，测量数据又不与所述采样队列和候选队列兼 容，则判断测量次数是否达到设定参数M
(a)若达到设定参数M，则结束测量，根据采样队列和候选队列中有效数据较多的 队列数据取均值，确定测定结果；
(b)若未达到设定参数M，则等待设定参数T的间隔时间后再次进行测量。本方法采用双队列存放测量数据，根据有效性判断和兼容性判断的方法进行测 量。物理量的测量采用高精度快速多次采样取均值的方法消除随机误差，提高测量结果 精度。测量结果进入队列之前进行有效性判断，根据设定的动态随机误差范围，判断结 果是否有效，用于消除一次随机事件干扰。当出现连续两次随机事件干扰并已被采样队 列记录时，测量结果进入候补队列，并最终给出正确的测量结果。该测量方法能够消除 正态分布特征的随机误差，排除一次随机错误，并在容许连续两次随机错误的情况下正 确测量物理量。本发明方法可普遍适用于具有动态随机误差特性的物理量的测量。
图1是本发明方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。本测量方法通过对物理量间隔性多次测量，并取均值的方法得到准确的物理量 测量结果，测量过程如图1所示。针对不同的物理量测量，需要设定四个参数测量的间隔周期T，随机误差的范围W，以及测量结果确定的次数N和最大测量次数M。间隔 周期为多次测量物理量之间等待的时间。随机误差的范围W用于确定测量结果的有效 性。测量结果确定的次数N是指确定测量结果所需的有效测量次数。最大测量次数是指 测量结果确定前，允许最大的测量物理量的次数。本发明测量方法的基础是高精度多次连续采样的均值测量，在测量过程中使用 双队列进行候选测量数据存储，通过测量数据的有效性判断和兼容性判断对测量数据进 行归类，一次达到排除间断的一次性测量错误，容许连续两次测量错误的情况下，测得 正确结果。测量过程在最坏情况下，通过设置最大测量次数M进行算法停机，保证测量 方法的有效性和可用性。测量开始后，对物理量进行精确测量，对每个测量结果进行如下处理 其一，测量结果首先进行采样队列处理
(a)将前两次测量结果直接进入采样队列；
(b)后续的测量结果首先根据设定的误差容限W，以及采样队列内的测量结果，判 断该测量数据的有效性；
(c)若判断为有效数据，则直接进入采样队列，将有效数据个数加1;若有效数据 个数达到设定的参数N，则结束测量，将采样队列中的有效数据取均值返回；
(d)若不能确定其有效性，则判断该数据与采样队列中数据的兼容性，若与采样队 列中的数据兼容，则更新采样队列中的测量数据；
其二，对于无法判断数据有效性，又与现有采样队列数据不兼容的测量数据，进行 候选测量处理
(a)将前两次候选测量结果直接进入候选队列；
(b)后续的候选测量结果首先根据设定的误差容限W，以及候选队列内数据进行有 效性判断；
(c)若判断为有效数据，则进入候选队列，将候选有效数据个数加1；若候选有效 数据个数达到设定的参数N，则结束测量，将候选队列中的有效数据取均值返回；
(d)若仍不能判断数据的有效性，则判断该数据与候选队列中数据的兼容性，若与 候选队列中数据兼容，则更新候选队列中的测量数据；
其三，若不能确定测量数据的有效性，测量数据又不与所述采样队列和候选队列兼 容，则判断测量次数是否达到设定参数M
(a)若达到设定参数M，则结束测量，根据采样队列和候选队列中有效数据较多的 队列数据取均值，确定测定结果；
(b)若未达到设定参数M，则等待设定参数T的间隔时间后再次进行测量。数据有效性的判断可以根据测量物理量的特点进行相应设计。最简单的较为通 用的办法是检验测量数据与所有现有数据的均值误差是否处于误差容限范围内。若对所 测量对象有取值范围的约定，则可以加上数值范围检查。在进行数据有效性判断时，需 要分两种情况进行处理，第一种情况是现有数据有效性未知，第二种情况则是现有数据 有效性已知。第二种情况的处理相对简单，只需要判断误差容限，取值范围等等。但第 一种情况的处理稍微复杂一点。需要根据现有两个数据和待检验数据的相对关系，综合 判断这三个数据的有效性。这三个数据有效性综合判断的标准可以设置为其中两个数据或三个数据的误差小于误差容限，若三个数据之间的误差均大于误差容限，则取其中相 邻较近的两个数据作为参考数据，保存于队列，不设置为有效。数据兼容性的判断则是检测待检验数据与现有数据的大小关系是否兼容。若测 量数据不能判断为有效，但是在现有数据队列中排序处于某两个数据之间，且与这两个 数据的误差小于误差容限，则可以将该数据与队列中在数值上与其相邻的两个数据进行 取均值，把测量数据融合至数据队列。这样做可以在数据不能判断为有效的时候，将实 际上有效的测量结果加入到数据队列，使得数据队列中的测量结果逐渐逼近真实的物理 量，过渡为有效数据。下面以一个实际的测量应用例子说明本方法的使用。测量实例为使用电子称重 设备对活动的猪只进行体重测量。猪只的活动范围限定在较小范围内，电子测量设备通 过多点承重，并桥接传感器实现对重量的精确测量。测量过程中猪只的运动会对测量结 果造成影响，这种运动具有较大的随机特性，可能是几秒钟运动一次，也可能是十几秒 运动一次。而每次运动对测量结果造成影响的时间可能持续一到两秒。因此测量过程中 会产生较多的由于随机运动事件造成的无效数据，简单的测量方法往往会得到错误的测 量结果。为准确测量猪只体重，使用本测量方法设定参数如下测定间隔1秒，测定有 效次数为3次，误差容限5%，最大测量次数10次。测定过程大致如下
前两个测量结果直接进入采样队列，由于只有两个数据，无法判断哪个数据为有效 数据，若两个数据之间的误差小于误差容限，则说明这两个数据具有相同属性，即同为 有效数据或者同为偏大的错误数据。从第三个数据开始，进行有效性判断，若判断为有 效，则测量结束。若无法判断有效性，则进行兼容性判断，若与采样队列中的数据兼 容，则更新采样队列中的数据。否则测量数据将进行候选队列处理。若连续出现四个不 兼容数据，则此时采样队列和候选队列均存储有两个测量数据。当出现第五个或更多不 兼容数据时，将会直接被丢弃。当前两次测量是连续两次随机事件造成的错误数据时， 候选队列将会对后面的测量数据进行正确的有效性检验和结果计算。
权利要求
1.一种基于双队列的容错测量方法，其特征在于包括如下顺序的步骤(1)首先，针对不同的物理量，设定四个参数(a)测量的间隔周期T，即多次测量物理量之间等待的时间；(b)随机误差的范围W，即用于确定测量数据有效性的误差范围；(c)测量结果确定的次数N，即确定测量结果所需的有效测量次数；(d)最大测量次数M，即测量结果确定前，允许最大的测量物理量的次数；(2)测量开始后，对物理量进行精确测量，对每个测量结果进行如下处理其一，测量结果首先进行采样队列处理将前两次测量结果直接进入采样队列；后续的测量结果首先根据设定的误差容限W，以及采样队列内的测量结果，判断该 测量数据的有效性；若判断为有效数据，则直接进入采样队列，将有效数据个数加1;若有效数据个数 达到设定的参数N，则结束测量，将采样队列中的有效数据取均值返回；若不能确定其有效性，则判断该数据与采样队列中数据的兼容性，若与采样队列中 的数据兼容，则更新采样队列中的测量数据；其二，对于无法判断数据有效性，又与现有采样队列数据不兼容的测量数据，进行 候选测量处理将前两次候选测量结果直接进入候选队列；后续的候选测量结果首先根据设定的误差容限W，以及候选队列内数据进行有效性 判断；若判断为有效数据，则进入候选队列，将候选有效数据个数加1 ；若候选有效数据 个数达到设定的参数N，则结束测量，将候选队列中的有效数据取均值返回；若仍不能判断数据的有效性，则判断该数据与候选队列中数据的兼容性，若与候选 队列中数据兼容，则更新候选队列中的测量数据；其三，若不能确定测量数据的有效性，测量数据又不与所述采样队列和候选队列兼 容，则判断测量次数是否达到设定参数M (a)若达到设定参数M，则结束测量，根据采样队列和候选队列中有效数据较多的 队列数据取均值，确定测定结果；(b)若未达到设定参数M，则等待设定参数T的间隔时间后再次进行测量。
2.根据权利要求1所述的基于双队列的容错测量方法，其特征在于所述测量数据 的有效性判断是指(a)当现有数据有效性已知时测量数据与所有现有数据的均值误差是否处于误差 容限范围内，如果是即有效，否则不设置为有效；或者，对所测量对象有取值范围的约 定时，则加上数值范围检查，如在取值范围内即有效，否则不设置为有效；(b)当现有数据有效性未知时根据现有两个数据和待检验数据的相对关系，综合 判断这三个数据的有效性；这三个数据有效性综合判断的标准可以设置为其中两个数据 或三个数据的误差小于误差容限，若三个数据之间的误差均大于误差容限，则取其中相 邻较近的两个数据作为参考数据，保存于队列，不设置为有效。
3.根据权利要求1或2所述的基于双队列的容错测量方法，其特征在于所述测量数据的兼容性判断是指测量数据不能判断为有效，但是在现有数据队列中排序处于某两 个数据之间，且与这两个数据的误差小于误差容限，则为兼容，并可将该数据与队列中 在数值上与其相邻的两个数据进行取均值，把测量数据融合至数据队列。
全文摘要
本发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种对外部物理量的基于双队列的容错测量方法。本方法采用双队列存放测量数据，根据有效性判断和兼容性判断的方法进行测量。物理量的测量采用高精度快速多次采样取均值的方法消除随机误差，提高测量精度。测量结果进入队列之前进行有效性判断，根据设定动态随机误差范围，判断结果是否有效，用于消除一次随机事件干扰。当出现连续两次随机事件干扰并已被采样队列记录时，测量结果进入候补队列，并最终给出正确的测量结果。该测量方法能够消除正态分布特征的随机误差，排除一次随机错误，并在容许连续两次随机错误的情况下正确测量物理量。本发明方法可普遍适用于具有动态随机误差特性的物理量的测量。
文档编号G01D21/00GK102012242SQ20101052178
公开日2011年4月13日 申请日期2010年10月27日 优先权日2010年10月27日
发明者严明, 张跃辉, 杨斌 申请人:湘潭三丰电子科技有限公司