專利名稱：一種基于雙隊列的容錯測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對外部物理量的基于雙隊列的容 錯測量方法。
背景技術(shù)：
對外部物理量正確的測量是控制系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。在實際系統(tǒng)中，任 何物理量的測量往往會伴隨有動態(tài)隨機誤差和隨機事件的干擾。這些誤差和干擾如果不 能正確處理，將會導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果而出現(xiàn)控制系統(tǒng)運行錯誤。為提高物理量測量的 準確性，現(xiàn)有控制系統(tǒng)中主要采用了三種改進的測量方法
第一種是提高測量電路的精度，比如采用更高精度的轉(zhuǎn)換電路等。該方法可有效改 進由于隨機誤差導(dǎo)致的精度下降，但是由于測量電路并不判斷測量結(jié)果的有效性，因此 隨機誤差和隨機錯誤仍然存在于測量結(jié)果中，導(dǎo)致結(jié)果的有效性大大降低。第二種則是快速多次測量并取均值。該方法可消除具有正態(tài)分布特征的隨機誤 差帶來的干擾，通過多次測量去平均值，使得多個動態(tài)隨機誤差相互消除影響，得到精 確的測量結(jié)果。但是該方法不能消除外部隨機事件對測量結(jié)果的影響，比如外部隨機事 件導(dǎo)致的測量結(jié)果過大或過小的情況，該方法僅僅通過平均，將隨機事件的影響減半， 當隨機事件出現(xiàn)時，容易造成測量結(jié)果的錯誤或誤差過大。第三種則是間隔采樣，并對采樣數(shù)據(jù)進行去除最大最小值，然后取均值。這種 方法可減少由于隨機事件造成測量結(jié)果錯誤的概率，對一次隨機事件造成測量結(jié)果過大 或者過小的情況可以得到正確的測量結(jié)果。但是對于測量過程中多次間隔的一次性隨機 事件無法處理，連續(xù)兩次出現(xiàn)隨機事件的情況則更加無法排除影響，得到正確的測量結(jié)果。以上三種改進的測量方法均不能很好的排除隨機誤差和隨機事件對測量過程和 測量結(jié)果的干擾。而在實際的控制系統(tǒng)中進行物理量測量時，隨機誤差和隨機事件的干 擾是始終存在的。隨機誤差的大小因為不同的物理量特性及測量電路特征而不同，隨機 事件出現(xiàn)的概率和頻率也各不相同。為消除具有正態(tài)分布特征的隨機誤差，并在出現(xiàn)隨 機事件干擾的情況下，得到正確的測量結(jié)果，需要一種科學(xué)的容錯測量方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)在技術(shù)中所存在的上述缺陷，提供一種基于雙隊列的 測量方法。本發(fā)明方法包括如下順序的步驟
(1)首先，針對不同的物理量，設(shè)定四個參數(shù)
(a)測量的間隔周期T，即多次測量物理量之間等待的時間；
(b)隨機誤差的范圍W，即用于確定測量數(shù)據(jù)有效性的誤差范圍；
(c)測量結(jié)果確定的次數(shù)N，即確定測量結(jié)果所需的有效測量次數(shù)；(d)最大測量次數(shù)M，即測量結(jié)果確定前，允許最大的測量物理量的次數(shù)； (2)測量開始后，對物理量進行精確測量，對每個測量結(jié)果進行如下處理 其一，測量結(jié)果首先進行采樣隊列處理
(a)將前兩次測量結(jié)果直接進入采樣隊列；
(b)后續(xù)的測量結(jié)果首先根據(jù)設(shè)定的誤差容限W，以及采樣隊列內(nèi)的測量結(jié)果，判 斷該測量數(shù)據(jù)的有效性；
(c)若判斷為有效數(shù)據(jù)，則直接進入采樣隊列，將有效數(shù)據(jù)個數(shù)加1；若有效數(shù)據(jù) 個數(shù)達到設(shè)定的參數(shù)N，則結(jié)束測量，將采樣隊列中的有效數(shù)據(jù)取均值返回；
(d)若不能確定其有效性，則判斷該數(shù)據(jù)與采樣隊列中數(shù)據(jù)的兼容性，若與采樣隊 列中的數(shù)據(jù)兼容，則更新采樣隊列中的測量數(shù)據(jù)；
其二，對于無法判斷數(shù)據(jù)有效性，又與現(xiàn)有采樣隊列數(shù)據(jù)不兼容的測量數(shù)據(jù)，進行 候選測量處理
(a)將前兩次候選測量結(jié)果直接進入候選隊列；
(b)后續(xù)的候選測量結(jié)果首先根據(jù)設(shè)定的誤差容限W，以及候選隊列內(nèi)數(shù)據(jù)進行有 效性判斷；
(c)若判斷為有效數(shù)據(jù)，則進入候選隊列，將候選有效數(shù)據(jù)個數(shù)加1;若候選有效 數(shù)據(jù)個數(shù)達到設(shè)定的參數(shù)N，則結(jié)束測量，將候選隊列中的有效數(shù)據(jù)取均值返回；
(d)若仍不能判斷數(shù)據(jù)的有效性，則判斷該數(shù)據(jù)與候選隊列中數(shù)據(jù)的兼容性，若與 候選隊列中數(shù)據(jù)兼容，則更新候選隊列中的測量數(shù)據(jù)；
其三，若不能確定測量數(shù)據(jù)的有效性，測量數(shù)據(jù)又不與所述采樣隊列和候選隊列兼 容，則判斷測量次數(shù)是否達到設(shè)定參數(shù)M
(a)若達到設(shè)定參數(shù)M，則結(jié)束測量，根據(jù)采樣隊列和候選隊列中有效數(shù)據(jù)較多的 隊列數(shù)據(jù)取均值，確定測定結(jié)果；
(b)若未達到設(shè)定參數(shù)M，則等待設(shè)定參數(shù)T的間隔時間后再次進行測量。本方法采用雙隊列存放測量數(shù)據(jù)，根據(jù)有效性判斷和兼容性判斷的方法進行測 量。物理量的測量采用高精度快速多次采樣取均值的方法消除隨機誤差，提高測量結(jié)果 精度。測量結(jié)果進入隊列之前進行有效性判斷，根據(jù)設(shè)定的動態(tài)隨機誤差范圍，判斷結(jié) 果是否有效，用于消除一次隨機事件干擾。當出現(xiàn)連續(xù)兩次隨機事件干擾并已被采樣隊 列記錄時，測量結(jié)果進入候補隊列，并最終給出正確的測量結(jié)果。該測量方法能夠消除 正態(tài)分布特征的隨機誤差，排除一次隨機錯誤，并在容許連續(xù)兩次隨機錯誤的情況下正 確測量物理量。本發(fā)明方法可普遍適用于具有動態(tài)隨機誤差特性的物理量的測量。


圖1是本發(fā)明方法的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述。本測量方法通過對物理量間隔性多次測量，并取均值的方法得到準確的物理量 測量結(jié)果，測量過程如圖1所示。針對不同的物理量測量，需要設(shè)定四個參數(shù)測量的間隔周期T，隨機誤差的范圍W，以及測量結(jié)果確定的次數(shù)N和最大測量次數(shù)M。間隔 周期為多次測量物理量之間等待的時間。隨機誤差的范圍W用于確定測量結(jié)果的有效 性。測量結(jié)果確定的次數(shù)N是指確定測量結(jié)果所需的有效測量次數(shù)。最大測量次數(shù)是指 測量結(jié)果確定前，允許最大的測量物理量的次數(shù)。本發(fā)明測量方法的基礎(chǔ)是高精度多次連續(xù)采樣的均值測量，在測量過程中使用 雙隊列進行候選測量數(shù)據(jù)存儲，通過測量數(shù)據(jù)的有效性判斷和兼容性判斷對測量數(shù)據(jù)進 行歸類，一次達到排除間斷的一次性測量錯誤，容許連續(xù)兩次測量錯誤的情況下，測得 正確結(jié)果。測量過程在最壞情況下，通過設(shè)置最大測量次數(shù)M進行算法停機，保證測量 方法的有效性和可用性。測量開始后，對物理量進行精確測量，對每個測量結(jié)果進行如下處理 其一，測量結(jié)果首先進行采樣隊列處理
(a)將前兩次測量結(jié)果直接進入采樣隊列；
(b)后續(xù)的測量結(jié)果首先根據(jù)設(shè)定的誤差容限W，以及采樣隊列內(nèi)的測量結(jié)果，判 斷該測量數(shù)據(jù)的有效性；
(c)若判斷為有效數(shù)據(jù)，則直接進入采樣隊列，將有效數(shù)據(jù)個數(shù)加1;若有效數(shù)據(jù) 個數(shù)達到設(shè)定的參數(shù)N，則結(jié)束測量，將采樣隊列中的有效數(shù)據(jù)取均值返回；
(d)若不能確定其有效性，則判斷該數(shù)據(jù)與采樣隊列中數(shù)據(jù)的兼容性，若與采樣隊 列中的數(shù)據(jù)兼容，則更新采樣隊列中的測量數(shù)據(jù)；
其二，對于無法判斷數(shù)據(jù)有效性，又與現(xiàn)有采樣隊列數(shù)據(jù)不兼容的測量數(shù)據(jù)，進行 候選測量處理
(a)將前兩次候選測量結(jié)果直接進入候選隊列；
(b)后續(xù)的候選測量結(jié)果首先根據(jù)設(shè)定的誤差容限W，以及候選隊列內(nèi)數(shù)據(jù)進行有 效性判斷；
(c)若判斷為有效數(shù)據(jù)，則進入候選隊列，將候選有效數(shù)據(jù)個數(shù)加1；若候選有效 數(shù)據(jù)個數(shù)達到設(shè)定的參數(shù)N，則結(jié)束測量，將候選隊列中的有效數(shù)據(jù)取均值返回；
(d)若仍不能判斷數(shù)據(jù)的有效性，則判斷該數(shù)據(jù)與候選隊列中數(shù)據(jù)的兼容性，若與 候選隊列中數(shù)據(jù)兼容，則更新候選隊列中的測量數(shù)據(jù)；
其三，若不能確定測量數(shù)據(jù)的有效性，測量數(shù)據(jù)又不與所述采樣隊列和候選隊列兼 容，則判斷測量次數(shù)是否達到設(shè)定參數(shù)M
(a)若達到設(shè)定參數(shù)M，則結(jié)束測量，根據(jù)采樣隊列和候選隊列中有效數(shù)據(jù)較多的 隊列數(shù)據(jù)取均值，確定測定結(jié)果；
(b)若未達到設(shè)定參數(shù)M，則等待設(shè)定參數(shù)T的間隔時間后再次進行測量。數(shù)據(jù)有效性的判斷可以根據(jù)測量物理量的特點進行相應(yīng)設(shè)計。最簡單的較為通 用的辦法是檢驗測量數(shù)據(jù)與所有現(xiàn)有數(shù)據(jù)的均值誤差是否處于誤差容限范圍內(nèi)。若對所 測量對象有取值范圍的約定，則可以加上數(shù)值范圍檢查。在進行數(shù)據(jù)有效性判斷時，需 要分兩種情況進行處理，第一種情況是現(xiàn)有數(shù)據(jù)有效性未知，第二種情況則是現(xiàn)有數(shù)據(jù) 有效性已知。第二種情況的處理相對簡單，只需要判斷誤差容限，取值范圍等等。但第 一種情況的處理稍微復(fù)雜一點。需要根據(jù)現(xiàn)有兩個數(shù)據(jù)和待檢驗數(shù)據(jù)的相對關(guān)系，綜合 判斷這三個數(shù)據(jù)的有效性。這三個數(shù)據(jù)有效性綜合判斷的標準可以設(shè)置為其中兩個數(shù)據(jù)或三個數(shù)據(jù)的誤差小于誤差容限，若三個數(shù)據(jù)之間的誤差均大于誤差容限，則取其中相 鄰較近的兩個數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)，保存于隊列，不設(shè)置為有效。數(shù)據(jù)兼容性的判斷則是檢測待檢驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)的大小關(guān)系是否兼容。若測 量數(shù)據(jù)不能判斷為有效，但是在現(xiàn)有數(shù)據(jù)隊列中排序處于某兩個數(shù)據(jù)之間，且與這兩個 數(shù)據(jù)的誤差小于誤差容限，則可以將該數(shù)據(jù)與隊列中在數(shù)值上與其相鄰的兩個數(shù)據(jù)進行 取均值，把測量數(shù)據(jù)融合至數(shù)據(jù)隊列。這樣做可以在數(shù)據(jù)不能判斷為有效的時候，將實 際上有效的測量結(jié)果加入到數(shù)據(jù)隊列，使得數(shù)據(jù)隊列中的測量結(jié)果逐漸逼近真實的物理 量，過渡為有效數(shù)據(jù)。下面以一個實際的測量應(yīng)用例子說明本方法的使用。測量實例為使用電子稱重 設(shè)備對活動的豬只進行體重測量。豬只的活動范圍限定在較小范圍內(nèi)，電子測量設(shè)備通 過多點承重，并橋接傳感器實現(xiàn)對重量的精確測量。測量過程中豬只的運動會對測量結(jié) 果造成影響，這種運動具有較大的隨機特性，可能是幾秒鐘運動一次，也可能是十幾秒 運動一次。而每次運動對測量結(jié)果造成影響的時間可能持續(xù)一到兩秒。因此測量過程中 會產(chǎn)生較多的由于隨機運動事件造成的無效數(shù)據(jù)，簡單的測量方法往往會得到錯誤的測 量結(jié)果。為準確測量豬只體重，使用本測量方法設(shè)定參數(shù)如下測定間隔1秒，測定有 效次數(shù)為3次，誤差容限5%，最大測量次數(shù)10次。測定過程大致如下
前兩個測量結(jié)果直接進入采樣隊列，由于只有兩個數(shù)據(jù)，無法判斷哪個數(shù)據(jù)為有效 數(shù)據(jù)，若兩個數(shù)據(jù)之間的誤差小于誤差容限，則說明這兩個數(shù)據(jù)具有相同屬性，即同為 有效數(shù)據(jù)或者同為偏大的錯誤數(shù)據(jù)。從第三個數(shù)據(jù)開始，進行有效性判斷，若判斷為有 效，則測量結(jié)束。若無法判斷有效性，則進行兼容性判斷，若與采樣隊列中的數(shù)據(jù)兼 容，則更新采樣隊列中的數(shù)據(jù)。否則測量數(shù)據(jù)將進行候選隊列處理。若連續(xù)出現(xiàn)四個不 兼容數(shù)據(jù)，則此時采樣隊列和候選隊列均存儲有兩個測量數(shù)據(jù)。當出現(xiàn)第五個或更多不 兼容數(shù)據(jù)時，將會直接被丟棄。當前兩次測量是連續(xù)兩次隨機事件造成的錯誤數(shù)據(jù)時， 候選隊列將會對后面的測量數(shù)據(jù)進行正確的有效性檢驗和結(jié)果計算。
權(quán)利要求
1.一種基于雙隊列的容錯測量方法，其特征在于包括如下順序的步驟(1)首先，針對不同的物理量，設(shè)定四個參數(shù)(a)測量的間隔周期T，即多次測量物理量之間等待的時間；(b)隨機誤差的范圍W，即用于確定測量數(shù)據(jù)有效性的誤差范圍；(c)測量結(jié)果確定的次數(shù)N，即確定測量結(jié)果所需的有效測量次數(shù)；(d)最大測量次數(shù)M，即測量結(jié)果確定前，允許最大的測量物理量的次數(shù)；(2)測量開始后，對物理量進行精確測量，對每個測量結(jié)果進行如下處理其一，測量結(jié)果首先進行采樣隊列處理將前兩次測量結(jié)果直接進入采樣隊列；后續(xù)的測量結(jié)果首先根據(jù)設(shè)定的誤差容限W，以及采樣隊列內(nèi)的測量結(jié)果，判斷該 測量數(shù)據(jù)的有效性；若判斷為有效數(shù)據(jù)，則直接進入采樣隊列，將有效數(shù)據(jù)個數(shù)加1;若有效數(shù)據(jù)個數(shù) 達到設(shè)定的參數(shù)N，則結(jié)束測量，將采樣隊列中的有效數(shù)據(jù)取均值返回；若不能確定其有效性，則判斷該數(shù)據(jù)與采樣隊列中數(shù)據(jù)的兼容性，若與采樣隊列中 的數(shù)據(jù)兼容，則更新采樣隊列中的測量數(shù)據(jù)；其二，對于無法判斷數(shù)據(jù)有效性，又與現(xiàn)有采樣隊列數(shù)據(jù)不兼容的測量數(shù)據(jù)，進行 候選測量處理將前兩次候選測量結(jié)果直接進入候選隊列；后續(xù)的候選測量結(jié)果首先根據(jù)設(shè)定的誤差容限W，以及候選隊列內(nèi)數(shù)據(jù)進行有效性 判斷；若判斷為有效數(shù)據(jù)，則進入候選隊列，將候選有效數(shù)據(jù)個數(shù)加1 ；若候選有效數(shù)據(jù) 個數(shù)達到設(shè)定的參數(shù)N，則結(jié)束測量，將候選隊列中的有效數(shù)據(jù)取均值返回；若仍不能判斷數(shù)據(jù)的有效性，則判斷該數(shù)據(jù)與候選隊列中數(shù)據(jù)的兼容性，若與候選 隊列中數(shù)據(jù)兼容，則更新候選隊列中的測量數(shù)據(jù)；其三，若不能確定測量數(shù)據(jù)的有效性，測量數(shù)據(jù)又不與所述采樣隊列和候選隊列兼 容，則判斷測量次數(shù)是否達到設(shè)定參數(shù)M (a)若達到設(shè)定參數(shù)M，則結(jié)束測量，根據(jù)采樣隊列和候選隊列中有效數(shù)據(jù)較多的 隊列數(shù)據(jù)取均值，確定測定結(jié)果；(b)若未達到設(shè)定參數(shù)M，則等待設(shè)定參數(shù)T的間隔時間后再次進行測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙隊列的容錯測量方法，其特征在于所述測量數(shù)據(jù) 的有效性判斷是指(a)當現(xiàn)有數(shù)據(jù)有效性已知時測量數(shù)據(jù)與所有現(xiàn)有數(shù)據(jù)的均值誤差是否處于誤差 容限范圍內(nèi)，如果是即有效，否則不設(shè)置為有效；或者，對所測量對象有取值范圍的約 定時，則加上數(shù)值范圍檢查，如在取值范圍內(nèi)即有效，否則不設(shè)置為有效；(b)當現(xiàn)有數(shù)據(jù)有效性未知時根據(jù)現(xiàn)有兩個數(shù)據(jù)和待檢驗數(shù)據(jù)的相對關(guān)系，綜合 判斷這三個數(shù)據(jù)的有效性；這三個數(shù)據(jù)有效性綜合判斷的標準可以設(shè)置為其中兩個數(shù)據(jù) 或三個數(shù)據(jù)的誤差小于誤差容限，若三個數(shù)據(jù)之間的誤差均大于誤差容限，則取其中相 鄰較近的兩個數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)，保存于隊列，不設(shè)置為有效。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于雙隊列的容錯測量方法，其特征在于所述測量數(shù)據(jù)的兼容性判斷是指測量數(shù)據(jù)不能判斷為有效，但是在現(xiàn)有數(shù)據(jù)隊列中排序處于某兩 個數(shù)據(jù)之間，且與這兩個數(shù)據(jù)的誤差小于誤差容限，則為兼容，并可將該數(shù)據(jù)與隊列中 在數(shù)值上與其相鄰的兩個數(shù)據(jù)進行取均值，把測量數(shù)據(jù)融合至數(shù)據(jù)隊列。
全文摘要
本發(fā)明屬于自動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對外部物理量的基于雙隊列的容錯測量方法。本方法采用雙隊列存放測量數(shù)據(jù)，根據(jù)有效性判斷和兼容性判斷的方法進行測量。物理量的測量采用高精度快速多次采樣取均值的方法消除隨機誤差，提高測量精度。測量結(jié)果進入隊列之前進行有效性判斷，根據(jù)設(shè)定動態(tài)隨機誤差范圍，判斷結(jié)果是否有效，用于消除一次隨機事件干擾。當出現(xiàn)連續(xù)兩次隨機事件干擾并已被采樣隊列記錄時，測量結(jié)果進入候補隊列，并最終給出正確的測量結(jié)果。該測量方法能夠消除正態(tài)分布特征的隨機誤差，排除一次隨機錯誤，并在容許連續(xù)兩次隨機錯誤的情況下正確測量物理量。本發(fā)明方法可普遍適用于具有動態(tài)隨機誤差特性的物理量的測量。
文檔編號G01D21/00GK102012242SQ20101052178
公開日2011年4月13日 申請日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者嚴明, 張躍輝, 楊斌 申請人:湘潭三豐電子科技有限公司