[發(fā)明專利]基于卡爾曼濾波和離散數(shù)值積分計(jì)算示功圖位移的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711325389.7
• 申請日: 2017-12-13
• 公開（公告）號: CN110162803A
• 公開（公告）日: 2019-08-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 嚴(yán)楠;李鈞;戴家樹;朱田
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽工程大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;E21B47/008
• 代理公司: 北京華仲龍騰專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11548
• 代理人: 李靜

1.基于卡爾曼濾波和離散數(shù)值積分計(jì)算示功圖位移的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)引入離散控制過程系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用一個(gè)線性隨機(jī)微分方程表示：

X(k)＝A X(k-1)+B U(k)+W(k) (1)

系統(tǒng)的測量值

Z(k)＝H X(k)+V(k) (2)

式(1)，(2)中，X(k)為k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，U(k)為k時(shí)刻對系統(tǒng)的控制量，A，B為系統(tǒng)參數(shù)；Z(k)為k時(shí)刻的測量值，H為測量系統(tǒng)參數(shù)，W(k)為過程噪聲,V(k)為測量噪聲，假設(shè)其為高斯白噪聲,他們的協(xié)方差分別是Q，R；

(2)預(yù)測現(xiàn)在狀態(tài)，滿足噪聲為高斯白噪聲條件的系統(tǒng)，卡爾曼濾波器是最適合的，下面根據(jù)系統(tǒng)的協(xié)方差進(jìn)行最優(yōu)化輸出估算；根據(jù)系統(tǒng)的上一狀態(tài)可以預(yù)測出現(xiàn)在狀態(tài)，設(shè)k為現(xiàn)在系統(tǒng)狀態(tài)，預(yù)測當(dāng)前估計(jì)值：

X(k|k-1)＝A X(k-1)+B U(k) (3)

式(3)中，上一狀態(tài)預(yù)測結(jié)果X(k|k-1)，上一狀態(tài)最優(yōu)的結(jié)果X(k-1)，現(xiàn)在狀態(tài)的控制量U(k)，無控制量，其值為0；此處更新了系統(tǒng)結(jié)果，但沒有更新X(k|k-1)的協(xié)方差，P為協(xié)方差，預(yù)測當(dāng)前誤差：

P(k|k-1)＝A P(k-1)A^T+Q (4)

式(4)中，X(k|k-1)的協(xié)方差P(k|k-1)，X(k-1)的協(xié)方差P(k-1)，A的轉(zhuǎn)置矩陣A^T，系統(tǒng)過程協(xié)方差為Q；

(3)獲得最優(yōu)化估算值X(k)，當(dāng)前最優(yōu)估算值X(k)(當(dāng)前狀態(tài)k)，結(jié)合測量值與上次的預(yù)測值，使用步驟2中的現(xiàn)在狀態(tài)預(yù)測結(jié)果便可得出：

當(dāng)前最優(yōu)估計(jì)值：

X(k)＝X(k|k-1)+Kg(k)*(Z(k)-H X(k|k-1)) (5)

Kg為卡爾曼增益，

此處，X(k)為k狀態(tài)下最優(yōu)的估算值，此處更新P(k)(X(k)的協(xié)方差)，以使卡爾曼濾波器可以在系統(tǒng)結(jié)束前不斷運(yùn)行：

P(k)＝((I-Kg(k)H)P(k|k-1) (7)

式(7)中矩陣I為1(單模型的單測量，I＝1)，系統(tǒng)更新到k+1的狀態(tài)時(shí)，P(k)＝P(k-1)，以自回歸的方式運(yùn)算下去；

(4)根據(jù)確定的周期對加速度信號進(jìn)行離散型數(shù)值積分求取位移，將一個(gè)完整周期的加速度經(jīng)一次數(shù)值積分求得速度，對速度進(jìn)行積分求得位移，此處采用辛普森公式對加速度進(jìn)行二重積分得到位移，如下式所示：

根據(jù)式(3-2)對加速度進(jìn)行辛普森公式一次積分得速度，對積分后的速度進(jìn)行零點(diǎn)矯正，得到進(jìn)一步要積分的速度，而后對速度再進(jìn)行一次積分：

v(0)速度初始值，該相對位移的起點(diǎn)為零，用辛普森公式積分v(t)可得相對位移：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于卡爾曼濾波和離散數(shù)值積分計(jì)算示功圖位移的方法，其特征在于，RTU的工作流程為：

(1)RTU接受上位機(jī)發(fā)來的喚醒命令或者讀取數(shù)據(jù)的命令，接到數(shù)據(jù)之后，解析相關(guān)命令，根據(jù)相應(yīng)的命令，向下面的各個(gè)子模塊發(fā)送相關(guān)命令，進(jìn)行喚醒，或者索要數(shù)據(jù)。接收到子模塊傳輸回來的狀態(tài)或者數(shù)據(jù)之后，對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，發(fā)送回上位機(jī)。在模塊中用可以完成自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，和自動(dòng)接收上層主機(jī)的定時(shí)詢問檢測；

(2)示功圖模塊在接受到RTU發(fā)送來的喚醒，或讀取數(shù)據(jù)命令之后，對命令進(jìn)行解析，根據(jù)具體的要求，選擇喚醒工作或發(fā)送RTU索要的數(shù)據(jù)(示功圖是測量運(yùn)功一個(gè)周期抽油機(jī)的工作曲線，包括位移和載荷)，并打包上傳；

(3)收到數(shù)據(jù)后，利用卡爾曼濾波后的加速度析出位移周期后的加速度析出位移周期，重力加速度校準(zhǔn)離散型數(shù)值積分求取位移之后根據(jù)示功圖模塊上傳的載荷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制出示功圖。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于卡爾曼濾波和離散數(shù)值積分計(jì)算示功圖位移的方法，其特征在于，針對不同的抽油機(jī)類型，對計(jì)算出的重力加速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于卡爾曼濾波和離散數(shù)值積分計(jì)算示功圖位移的方法，其特征在于，確定的周期對加速度信號進(jìn)行離散型數(shù)值積分求取位移，將一個(gè)完整周期的加速度經(jīng)一次數(shù)值積分求得速度，對速度進(jìn)行積分求得位移。