具有pid指数因子的自适应惯性滤波方法
【专利摘要】本发明提出一种具有PID指数因子的自适应惯性滤波方法。具有指数因子的滤波系数用于对当前时刻的采样值和上一时刻的滤波值进行加权求和以得到当前时刻的滤波值，其指数因子根据采样值的一阶差分以及一阶差分的积分、微分实时变化，从而实现滤波系数可以自适应动态调节。该方法在保证滤波值与真实值之间的偏差收敛的前提下，经过优化算法对参数进行优化以后，能够灵活地自适应动态调节滤波系数，达到兼顾滤波效果准确性与平稳性的目的。
【专利说明】具有PID指数因子的自适应惯性滤波方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种适用于信号监测的惯性滤波方法，特别是一种滤波系数具有PID指数因子的自适应惯性滤波方法。
【背景技术】
[0002]实际工程中的数据采集系统均会受到高频噪声的影响，为了获得准确数据，需要有效手段滤除高频噪声。在模拟电路中使用一阶RC低通滤波器是滤除高频噪声的一种方法，但是，存在空间复杂程度高及电磁干扰的问题，而且也不能够实现高精度滤波效果。惯性滤波是一种实现模拟电路RC低通滤波器功能的数字滤波手段，即通过程序方式滤除高频噪声，克服了模拟低通滤波器存在阻抗匹配、电磁干扰等一系列问题的缺点。
[0003]传统惯性滤波算法公式为:
[0004]y ⑴=(1- α ).y (i_l) + α.x ⑴，i e N* ( I)
[0005](I)式中，
[0006]x(i):i时刻的输入采样值；
[0007]Hi):1时刻的输出滤波值；
[0008]α:滤波系数；
[0009]传统惯性滤波算法采用本次输入采样值与上次输出滤波值加权求和，作为当前输出滤波值，使得输出对输入具有反馈作用，能够对高频噪声起到一定滤除作用。
[0010]传统惯性滤波存在固有的缺陷，即不能够完美地兼顾滤波效果的准确性与平稳性:如果滤波系数较小，则滤波效果准确性好、平稳性差，反之则平稳性好、准确性差。
[0011]改进惯性滤波的滤波效果可以从调节滤波系数入手。专利申请号为201010520713.2的发明专利申请文件中公开了一种“采集数据滤波处理方法及装置”，所提出的滤波方法中包括惯性滤波算法，目的是对数据变化趋势进行判断，该专利根据采样信号进行多重判断，以确定信号变化趋势，进而调节滤波系数，缺乏自适应性；专利申请号为201210049019.6的发明专利申请文件中公开了一种“防止变负荷过程中锅炉给煤量过量调节的控制方法”，采用四个变参数的惯性环节对主汽压力设定值进行惯性滤波。这一专利采用四个时间常数可变的惯性环节串联，构成惯性滤波器，虽然滤波器的参数可以改变，但是参数改变的机制单一，缺乏灵活性。
【发明内容】
[0012]本发明要解决的技术问题是:为了减小系统硬件方面的空间复杂程度和成本开销，并且进一步改善软件惯性滤波方法的滤波效果，提供一种具有PID指数因子的自适应惯性滤波方法，可以灵活地动态调节滤波系数，从而增强自适应性，兼顾滤波效果的准确性与平稳性。
[0013]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:采用一个带有指数因子的滤波系数对当前输入采样值和上次输出滤波值加权求和，作为当前输出滤波值，使输出滤波值对输入采样值具有反馈作用，并通过改变指数因子动态调节滤波系数。
[0014]拟实现的期望滤波效果是:第一，输出滤波值对输入采样值的跟进趋势能够根据输入采样值的变化情况及时而有效地动态调整，兼顾滤波效果的准确性与平稳性，即当输入采样值变化较快时，以准确性优先，使输出滤波值及时跟进输入采样值；当输入采样值趋于稳定时，以平稳性优先，输出滤波值能够趋于平稳。第二，在信号监测初始阶段，对所监测的信号变化趋势把握不准的情况下，注重考虑先前采样值的累积效应，加强输出滤波值对输入采样值的反馈作用；随着监测时间的增长，输出滤波值较初始阶段应该有明显变化，受到之前输出滤波值的反馈作用应该减弱。
[0015]基于以上考虑，本发明中以采样值一阶差分、采样值一阶差分的积分以及采样值一阶差分的微分的加权和的绝对值的相反数作为滤波系数指数因子的次数，这样，指数因子可以根据采样值一阶差分、采样值一阶差分的积分和微分动态变化，从而实现对滤波系数的自适应动态调节。
[0016]具有PID指数因子的自适应惯性滤波方法所包含的参数有:静态滤波系数α O(O ^ I)、采样值一阶差分比例系数kp (kp >0)、采样值一阶差分积分系数ki(ki>0)和米样值一阶差分微分系数kd (kd>0),其中α O表不米样值一阶差分以及米样值一阶差分的积分和微分均为零时所对应的滤波系数，kp、ki和kd分别表征采样值一阶差分、采样值一阶差分的积分和微分在指数因子的次数中所占的权重。该方法的公式为:
【权利要求】
1.一种具有PID指数因子的自适应惯性滤波方法，其特征是:自适应惯性滤波系数带有PID指数因子。
2.根据权利要求1所述的具有PID指数因子的自适应惯性滤波方法，其特征是:滤波系数的指数因子的次数是采样值一阶差分、采样值一阶差分的积分和采样值一阶差分的微分的加权和的绝对值的相反数，指数因子根据采样值一阶差分、采样值一阶差分的积分和微分动态变化，从而自适应动态调节滤波系数。
3.根据权利要求2所述的具有PID指数因子的自适应惯性滤波方法，其特征是:方法所涉及的参数(包括:静态滤波因子、采样值一阶差分比例系数、采样值一阶差分积分系数、采样值一阶差分微分系数)按如下方式确定:进行一次实验，记录一组采样值和相应的标准值(通过一种精度能够达到实际工作要求的手段得到)，以备选参数(包括:静态滤波因子、采样值一阶差分比例系数、采样值一阶差分积分系数、采样值一阶差分微分系数)对采样值进行具有PID指数因子的自适应惯性滤波得到滤波值，以滤波值和标准值之间的偏差作为代价函数，应用优化算法得到经过优化的一组参数，在实际监测工作中以经过优化算法优化的参数对采样值进行具有PID指数因子的自适应惯性滤波，达到兼顾滤波效果准确性与平稳性的目的。
【文档编号】H03H21/00GK103684351SQ201310689843
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】徐健, 张耕实, 李本银, 汪慢, 周佳加, 严浙平 申请人:哈尔滨工程大学