具有pid指數(shù)因子的自適應(yīng)慣性濾波方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種具有PID指數(shù)因子的自適應(yīng)慣性濾波方法。具有指數(shù)因子的濾波系數(shù)用于對當(dāng)前時刻的采樣值和上一時刻的濾波值進(jìn)行加權(quán)求和以得到當(dāng)前時刻的濾波值，其指數(shù)因子根據(jù)采樣值的一階差分以及一階差分的積分、微分實時變化，從而實現(xiàn)濾波系數(shù)可以自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)。該方法在保證濾波值與真實值之間的偏差收斂的前提下，經(jīng)過優(yōu)化算法對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以后，能夠靈活地自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)濾波系數(shù)，達(dá)到兼顧濾波效果準(zhǔn)確性與平穩(wěn)性的目的。
【專利說明】具有PID指數(shù)因子的自適應(yīng)慣性濾波方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于信號監(jiān)測的慣性濾波方法，特別是一種濾波系數(shù)具有PID指數(shù)因子的自適應(yīng)慣性濾波方法。
【背景技術(shù)】
[0002]實際工程中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均會受到高頻噪聲的影響，為了獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，需要有效手段濾除高頻噪聲。在模擬電路中使用一階RC低通濾波器是濾除高頻噪聲的一種方法，但是，存在空間復(fù)雜程度高及電磁干擾的問題，而且也不能夠?qū)崿F(xiàn)高精度濾波效果。慣性濾波是一種實現(xiàn)模擬電路RC低通濾波器功能的數(shù)字濾波手段，即通過程序方式濾除高頻噪聲，克服了模擬低通濾波器存在阻抗匹配、電磁干擾等一系列問題的缺點。
[0003]傳統(tǒng)慣性濾波算法公式為:
[0004]y ⑴=(1- α ).y (i_l) + α.x ⑴，i e N* ( I)
[0005](I)式中，
[0006]x(i):i時刻的輸入采樣值；
[0007]Hi):1時刻的輸出濾波值；
[0008]α:濾波系數(shù)；
[0009]傳統(tǒng)慣性濾波算法采用本次輸入采樣值與上次輸出濾波值加權(quán)求和，作為當(dāng)前輸出濾波值，使得輸出對輸入具有反饋作用，能夠?qū)Ω哳l噪聲起到一定濾除作用。
[0010]傳統(tǒng)慣性濾波存在固有的缺陷，即不能夠完美地兼顧濾波效果的準(zhǔn)確性與平穩(wěn)性:如果濾波系數(shù)較小，則濾波效果準(zhǔn)確性好、平穩(wěn)性差，反之則平穩(wěn)性好、準(zhǔn)確性差。
[0011]改進(jìn)慣性濾波的濾波效果可以從調(diào)節(jié)濾波系數(shù)入手。專利申請?zhí)枮?01010520713.2的發(fā)明專利申請文件中公開了一種“采集數(shù)據(jù)濾波處理方法及裝置”，所提出的濾波方法中包括慣性濾波算法，目的是對數(shù)據(jù)變化趨勢進(jìn)行判斷，該專利根據(jù)采樣信號進(jìn)行多重判斷，以確定信號變化趨勢，進(jìn)而調(diào)節(jié)濾波系數(shù)，缺乏自適應(yīng)性；專利申請?zhí)枮?01210049019.6的發(fā)明專利申請文件中公開了一種“防止變負(fù)荷過程中鍋爐給煤量過量調(diào)節(jié)的控制方法”，采用四個變參數(shù)的慣性環(huán)節(jié)對主汽壓力設(shè)定值進(jìn)行慣性濾波。這一專利采用四個時間常數(shù)可變的慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)，構(gòu)成慣性濾波器，雖然濾波器的參數(shù)可以改變，但是參數(shù)改變的機制單一，缺乏靈活性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:為了減小系統(tǒng)硬件方面的空間復(fù)雜程度和成本開銷，并且進(jìn)一步改善軟件慣性濾波方法的濾波效果，提供一種具有PID指數(shù)因子的自適應(yīng)慣性濾波方法，可以靈活地動態(tài)調(diào)節(jié)濾波系數(shù)，從而增強自適應(yīng)性，兼顧濾波效果的準(zhǔn)確性與平穩(wěn)性。
[0013]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:采用一個帶有指數(shù)因子的濾波系數(shù)對當(dāng)前輸入采樣值和上次輸出濾波值加權(quán)求和，作為當(dāng)前輸出濾波值，使輸出濾波值對輸入采樣值具有反饋作用，并通過改變指數(shù)因子動態(tài)調(diào)節(jié)濾波系數(shù)。
[0014]擬實現(xiàn)的期望濾波效果是:第一，輸出濾波值對輸入采樣值的跟進(jìn)趨勢能夠根據(jù)輸入采樣值的變化情況及時而有效地動態(tài)調(diào)整，兼顧濾波效果的準(zhǔn)確性與平穩(wěn)性，即當(dāng)輸入采樣值變化較快時，以準(zhǔn)確性優(yōu)先，使輸出濾波值及時跟進(jìn)輸入采樣值；當(dāng)輸入采樣值趨于穩(wěn)定時，以平穩(wěn)性優(yōu)先，輸出濾波值能夠趨于平穩(wěn)。第二，在信號監(jiān)測初始階段，對所監(jiān)測的信號變化趨勢把握不準(zhǔn)的情況下，注重考慮先前采樣值的累積效應(yīng)，加強輸出濾波值對輸入采樣值的反饋作用；隨著監(jiān)測時間的增長，輸出濾波值較初始階段應(yīng)該有明顯變化，受到之前輸出濾波值的反饋作用應(yīng)該減弱。
[0015]基于以上考慮，本發(fā)明中以采樣值一階差分、采樣值一階差分的積分以及采樣值一階差分的微分的加權(quán)和的絕對值的相反數(shù)作為濾波系數(shù)指數(shù)因子的次數(shù)，這樣，指數(shù)因子可以根據(jù)采樣值一階差分、采樣值一階差分的積分和微分動態(tài)變化，從而實現(xiàn)對濾波系數(shù)的自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)。
[0016]具有PID指數(shù)因子的自適應(yīng)慣性濾波方法所包含的參數(shù)有:靜態(tài)濾波系數(shù)α O(O ^ I)、采樣值一階差分比例系數(shù)kp (kp >0)、采樣值一階差分積分系數(shù)ki(ki>0)和米樣值一階差分微分系數(shù)kd (kd>0),其中α O表不米樣值一階差分以及米樣值一階差分的積分和微分均為零時所對應(yīng)的濾波系數(shù)，kp、ki和kd分別表征采樣值一階差分、采樣值一階差分的積分和微分在指數(shù)因子的次數(shù)中所占的權(quán)重。該方法的公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種具有PID指數(shù)因子的自適應(yīng)慣性濾波方法，其特征是:自適應(yīng)慣性濾波系數(shù)帶有PID指數(shù)因子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有PID指數(shù)因子的自適應(yīng)慣性濾波方法，其特征是:濾波系數(shù)的指數(shù)因子的次數(shù)是采樣值一階差分、采樣值一階差分的積分和采樣值一階差分的微分的加權(quán)和的絕對值的相反數(shù)，指數(shù)因子根據(jù)采樣值一階差分、采樣值一階差分的積分和微分動態(tài)變化，從而自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)濾波系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有PID指數(shù)因子的自適應(yīng)慣性濾波方法，其特征是:方法所涉及的參數(shù)(包括:靜態(tài)濾波因子、采樣值一階差分比例系數(shù)、采樣值一階差分積分系數(shù)、采樣值一階差分微分系數(shù))按如下方式確定:進(jìn)行一次實驗，記錄一組采樣值和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值(通過一種精度能夠達(dá)到實際工作要求的手段得到)，以備選參數(shù)(包括:靜態(tài)濾波因子、采樣值一階差分比例系數(shù)、采樣值一階差分積分系數(shù)、采樣值一階差分微分系數(shù))對采樣值進(jìn)行具有PID指數(shù)因子的自適應(yīng)慣性濾波得到濾波值，以濾波值和標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差作為代價函數(shù)，應(yīng)用優(yōu)化算法得到經(jīng)過優(yōu)化的一組參數(shù)，在實際監(jiān)測工作中以經(jīng)過優(yōu)化算法優(yōu)化的參數(shù)對采樣值進(jìn)行具有PID指數(shù)因子的自適應(yīng)慣性濾波，達(dá)到兼顧濾波效果準(zhǔn)確性與平穩(wěn)性的目的。
【文檔編號】H03H21/00GK103684351SQ201310689843
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】徐健, 張耕實, 李本銀, 汪慢, 周佳加, 嚴(yán)浙平 申請人:哈爾濱工程大學(xué)