基于正交多项式的称重仪表非线性校正算法
其中:
通过以上递推公式,可以将式(2)推导为m次多项式的一般形式:
将q0Q0(x)项展开后累加到式(7),得:
当j=1时,令Q1(x)=t0+t1x,显然,t0=0,t1=1。由递推公式(3)得:
将q1Q1(x)项展开后累加到多项式(7)中,即有:
a0+q1t0?圯a0
q1t1?圯a1
对于j=2,3,…,m,逐步递推Qj(x),根据式(5)有:
3 算法设计
3.1 校正方程参数的数据结构和空间复杂度
由式(7)可知,m阶正交多项式的非线性校正方程常驻内存参数由m+1个多项式系数组成,即a0,a1,…,am,在算法中将这些参数定义为一个数组a[0],a[1],…,a[m]。在称重仪表称重过程中实时用到这些参数进行非线性校正。如果使用3阶正交多项式,只需要4个浮点数,一般的微处理器完全可以支持。
由式(14)可以看到,m阶多项式系数的计算过程中还需要3个长度为m+1的数组(即公式中的s、t、b)作为临时辅助变量,在算法中,分别定义为s[m]、t[m]、 b[m],其中m=0,1,…,m,共需3×(m+1)个浮点数。此外,通过算法优化,可以将式(3)和式(6)中的3个长度为m+1的参数值(即公式中的α、β、q)缩减为3个变量重复使用,在算法中定义为α、β、q三个浮点数。
同时,由递推公式(3)和(6),n个数据采样点也要占用2n个浮点数分别存放采样值x和称重值y作为临时变量。在算法中定义为长度为n的数组x[n]、y[n]。
综上所述,构造n个采样点的m阶正交多项式所需临时变量的空间复杂度为:
2n+3(m+1)+(m+1)+3
由此计算,如果构造10个采样点的3阶正交多项式,构造过程共需39个浮点数,其中,临时变量35个,常驻内存变量4个。如果微处理器的存储内存资源不能达到要求,可以用离线方式构造正交多项式,只将多项式系数保存在称重仪表中在线使用。
3.2 正交多项式校正算法流程和时间复杂度
以下给出m阶正交多项式算法流程,其中m≥3。
算法预备:通过称重仪表静态标定,获取n个采样点(xi,yi)分别存入数组x[n]、y[n],并定义其他上述相关变量。
(1)当j=功率电感0时,依据式(8)求取式(2)中的q0,并且将q0的值放入多项式系数a[0]中保存,依据式(9)计算α0并保存到α中,令b[0]=1。
(2)当j=1时,t[0]=-α0,t[1]=1。依据式(10)~式(12)计算式(2)和式(5)的α1、β1、q1并分别保存到变量α、β、q中。同时,更新多项式系数a[0]=a[0]-α×q,a[1]=q。
(3)当j=2,3,…,m时,依据式(14)和式(15)依次进行以下运算和变量更新:
①s[j]=t[j-1];
②s[j-1]=-α×t[j-1]+t[j-2];
③当j≥3时,依次对k=j-2,j-3,…,1进行如下运算:
s[k]=α×t[k]+t[k-1]-β×b[k];
④s[0]=-α×t[0]-β×b[0];
⑤当k=j-1,j-2,…,0时,由式(3)、式(6)计算当前的αj、βj、qj并分别保存到变量α、β、q中,在下一次循环中使用;
⑥当k=j-1,j-2,…,0时,更新如下变量:b[k]=t[k]; t[k]=s[k];
⑦由式(15),更新多项式系数a[j]=q×s[j];
⑧由式(15),更新当k=j-1,j-2,…,0时多项式系数a[k]=q×s[k]+a[k]。
(4)保存正交多项式系数a[0],a[1],…,a[m]。
可以看出,构造正交多项式的时间复杂度主要集中在步骤(3)。其中,计算①、②、③中s[j]的累计时间复杂度为(m+2)(m-1)/2,⑥、⑦、⑧的计算可放在同一循环中,其时间复杂度为(m+2)(m-1)/2。除此之外,计算⑤中αj、βj、qj还需要n(m+2)(m-1)/2次的运算。总的时间复杂度为:
(n+1大电流电感器)(m+2)(m-1)/2
当用10个采样点构造3阶正交多项式时,其时间复杂度为55,这个值对于一般的微处理器来说完全可以支持。
4 实验结果分析
4.1 实验方案
为了检验正交多项式对称重仪表输入电压值u和重量值x的实际逼近效果,实验分两步进行:大电流电感
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