一种PID控制数据手绘识别和参数整定的方法技术

本发明专利技术公开了一种PID控制数据手绘识别和参数整定的方法，由PID曲线绘制、PID曲线数据化和PID参数整定三部分组成；PID曲线绘制部分建立了一套适用于后续识别过程的图片绘制方法；PID曲线数据化部分则采用了机器视觉、坐标变换等方法，实现了由像素点到数据值的转换；PID参数整定部分则是利用数据化部分得到的数据投入到PID整定系统中进行PID参数整定。用户可以依据此方法对观察DCS系统中得到的PID曲线进行数据化以及完成PID参数整定过程获取整定后的PID参数。利用上述方法能够实现不经过数据接口完成PID整定工作，其核心的意义是将DCS系统与PID参数整定系统实现了物理隔离，使得两者之间没有数据上的物理传输，保证系统之间数据的安全性，以及本身系统的安全性。

A Method of Hand-drawn Recognition and Parameter Tuning for PID Control Data

The invention discloses a method for hand-drawn recognition and parameter tuning of PID control data, which consists of three parts: PID curve drawing, PID curve digitalization and PID parameter tuning; a set of picture drawing method suitable for subsequent recognition process is established in the part of PID curve drawing; machine vision, coordinate transformation and other methods are used in the part of PID curve digitalization to realize from pixel point to data value. Conversion; PID parameter tuning part is to use the data obtained from the data part to put into the PID tuning system for PID parameter tuning. According to this method, users can observe the PID curve in DCS system and complete the process of PID parameter tuning to obtain the tuned PID parameters. The core meaning of this method is to physically isolate the DCS system from the PID parameter setting system, so that there is no physical transmission of data between the two systems, so as to ensure the security of data between the systems and the security of the system itself.

【技术实现步骤摘要】
一种PID控制数据手绘识别和参数整定的方法
本专利技术属于曲线识别和参数整定
，尤其涉及一种PID控制数据手绘识别和参数整定的方法。
技术介绍
PID控制是控制学科中核心的内容之一，如今闭环自动系统技术都是基于反馈的环节减少不确定性。反馈理论中要素三个部分：测量、比较和执行。测量部分中最为关键的是将控制变量的实际值与期望值进行比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。在工程的实际中应用最广泛的调节器控制规律为比例、积分和微分控制，简称PID控制，又称PID调节。到现在PID控制器的问世已经有几十年的历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，系统控制器的结构与参数必须依靠经验与现场数据测量调试进行确定。这时应用PID控制技术最为方便。PID控制是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。其中，PID控制中一个至关重要的问题就是控制器参数整定问题，即三参数(比例系数、积分时间、微分时间)的整定，整定的好坏不仅影响控制质量，而且还会影响控制器的鲁棒性。PID控制器参数的整定方法有很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。PID整定需要PID曲线的具体参数，如今许多公司以及实验室会有这样问题：PID曲线参数的导出由于各种问题需要层层审核，往往效率很低且浪费时间。此时只有DCS系统中的PID曲线，并没有曲线的数据，这对PID整定造成了较大的阻碍与困扰。然而，市面上对于该问题的解决方案甚少。尽管存在一些有关曲线识别的软件，但都是很久之前的软件。所采用的均为传统的坐标变换方法以及鼠标点击曲线进行位置确定等方法，这都使得其效率低下，且数据不达标，进而严重影响PID参数整定的质量，也将会影响系统的整体鲁棒性。因此希望能够通过将手绘PID曲线的图片数据化来获得PID整定前的数据进而利用PID参数整定系统进行PID参数整定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种PID控制数据手绘识别和参数整定的方法，在工业生产等DCS系统屏幕中所观察到的PID曲线依照本专利技术方法进行绘制并进行处理，即可得到其在测量时间段内的PID曲线数据，并可通过参数整定的方法获取整定效果好的PID参数。该方法的实施由PID曲线绘制、PID曲线数据化和PID参数整定三部分组成。PID曲线绘制主要是建立了一套标准化的图片绘制方法，主要包括曲线区域位置的标定，以及曲线的描绘方法。曲线区域位置的标定采用圆形标记的方法，在曲线所在矩形区域的四个边角位置绘制小的圆形代替点的位置；曲线的描绘方法则是在矩形区域中利用不同的颜色绘制三条PID曲线。PID曲线数据化的核心在于将图片中的代表曲线的像素点转换为实际的曲线数据，主要包括有效像素点的提取以及坐标空间转换。有效像素点的提取是利用上述的曲线绘制过程中所标记的特征对曲线所在的有效区域提取以及对应各条曲线的提取；利用光学字符识别的方法获取手绘图片中坐标轴的标记；得到像素点之后利用坐标变换的方法将像素点与实际数据点进行对应。PID参数整定的主要内容是利用上述数据化得到的结果，利用PID参数整定系统进行参数整定。该方法的具体实现方案如下：(1)对DCS系统屏幕中观察到的PID曲线进行手绘：绘制PID曲线所在矩形区域的边界；采用圆形标记的方法，在矩形区域的四个边角位置绘制圆形代替点的位置；将矩形区域通过分割线从上至下分为三个部分，分别绘制三条颜色不同的PID曲线：SV(设定值)曲线、MV(控制器输出)曲线、PV(过程变量)曲线；将坐标轴的数值标记在矩形区域的外侧附近，三个部分分别进行标记；(2)PID曲线数据化：拍摄手绘PID曲线，利用步骤(1)曲线绘制过程中标记的特征，提取手绘图片中曲线所在的矩形有效区域以及对应的各条曲线；利用光学字符识别的方法获取手绘图片中坐标轴的标记，得到时间长度与每条对应曲线的值的范围；对所有的像素点进行按列的位置统计；根据值的范围与像素点统计的结果进行坐标空间上的变换，将原有的像素空间转换为实际的曲线空间，由此得到数据点信息；(3)PID参数整定：利用PID参数整定系统对步骤(2)数据化后的结果进行参数整定。进一步地，所述步骤(1)中，整体曲线绘制在以白色为底色的A4纸上，矩形区域边界采用黑色线条，三个部分的分割线采用黑色线条，绘制的三条PID曲线的颜色分别为红色、绿色、蓝色。进一步地，所述步骤(2)中，曲线所在的矩形有效区域的提取具体为：将手绘图片从彩色空间转换为灰度空间；通过霍夫圆变换进行圆检测，得到四个边界区域圆的圆心，从而得到有效区域的边界位置；并利用四个边界点将有效区域截割，得到彩色空间和灰度空间下的曲线所在位置的有效区域；对拍照过程带来的畸变进行图像矫正，利用图像放缩的原理对像素点所在每一行进行适当的放大或缩小，得到矩形有效区域。进一步地，所述步骤(2)中，曲线的提取具体为：对矩形有效区域中的灰度图片进行霍夫直线检测，通过直线检测得到分割线的位置，从而将图像进行分割，分别得到三条曲线的位置有效图片部分，对该部分的图片进行滤波处理去除噪点，对滤波后的图片进行灰度级的直方图统计，以代表曲线的灰度级作为阈值进行灰度二值化处理；对每条曲线所在部分的图片经过上述操作后，在图片的视野中仅有曲线数据以及部分噪点，从而完成曲线初步提取。进一步地，所述步骤(2)中，在曲线初步提取后再进行一次去噪，具体为：利用每个像素点周围的3×3范围内的点进行处理，如果周围有超过一半的点都为1，那么判定该点为曲线上的点，否则为噪点；三条曲线均完成上述操作后，在图片的视野中仅有曲线数据以及少许噪点。进一步地，所述步骤(2)中，对所有的像素点进行按列的位置统计过程中，由于曲线具有一定的宽度，因此对出现多个点的位置进行全部统计并取均值作为最终的结果。进一步地，所述步骤(2)中，将坐标空间变换后得到的数据点进行分段的异常值检测：将数据点按长度进行区间的划分，异常值认为是该点与区间内数据点的均值相差很大，差距超过0.5倍均值的点；为了数据点的连续性，去除点的数据利用线性插值拟合的方法补全，由此得到灰度图像下的所有数据点。进一步地，所述步骤(3)中，PID参数整定系统需要能够完成多种类型DCS系统的PID参数整定过程。进一步地，所述步骤(3)中，根据PID参数整定系统对于采样时间的要求，对步骤(2)得到的数据进行重采样以及插值操作。进一步地，所述步骤(3)中，将数据导入到参数整定系统中，利用数据来源的DCS类型以及PID类型，同时根据数据点的间隔选择采样时间进行PID参数整定，最终得到整定好的PID参数。本专利技术的有益效果是：本专利技术方法的实施由PID曲线绘制、PID曲线数据化和PID参数整定三部分组成；PID曲线绘制部分建立了一套适用于后续识别过程的图片绘制方法，为后续数据化过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种PID控制数据手绘识别和参数整定的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)对DCS系统屏幕中观察到的PID曲线进行手绘：绘制PID曲线所在矩形区域的边界；采用圆形标记的方法，在矩形区域的四个边角位置绘制圆形代替点的位置；将矩形区域通过分割线从上至下分为三个部分，分别绘制三条颜色不同的PID曲线：SV曲线、MV曲线、PV曲线；将坐标轴的数值标记在矩形区域的外侧附近，三个部分分别进行标记；(2)PID曲线数据化：拍摄手绘PID曲线，利用步骤(1)曲线绘制过程中标记的特征，提取手绘图片中曲线所在的矩形有效区域以及对应的各条曲线；利用光学字符识别的方法获取手绘图片中坐标轴的标记，得到时间长度与每条对应曲线的值的范围；对所有的像素点进行按列的位置统计；根据值的范围与像素点统计的结果进行坐标空间上的变换，将原有的像素空间转换为实际的曲线空间，由此得到数据点信息；(3)PID参数整定：利用PID参数整定系统对步骤(2)数据化后的结果进行参数整定。

【技术特征摘要】
1.一种PID控制数据手绘识别和参数整定的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)对DCS系统屏幕中观察到的PID曲线进行手绘：绘制PID曲线所在矩形区域的边界；采用圆形标记的方法，在矩形区域的四个边角位置绘制圆形代替点的位置；将矩形区域通过分割线从上至下分为三个部分，分别绘制三条颜色不同的PID曲线：SV曲线、MV曲线、PV曲线；将坐标轴的数值标记在矩形区域的外侧附近，三个部分分别进行标记；(2)PID曲线数据化：拍摄手绘PID曲线，利用步骤(1)曲线绘制过程中标记的特征，提取手绘图片中曲线所在的矩形有效区域以及对应的各条曲线；利用光学字符识别的方法获取手绘图片中坐标轴的标记，得到时间长度与每条对应曲线的值的范围；对所有的像素点进行按列的位置统计；根据值的范围与像素点统计的结果进行坐标空间上的变换，将原有的像素空间转换为实际的曲线空间，由此得到数据点信息；(3)PID参数整定：利用PID参数整定系统对步骤(2)数据化后的结果进行参数整定。2.根据权利要求1所述的一种PID控制数据手绘识别和参数整定的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，整体曲线绘制在以白色为底色的A4纸上，矩形区域边界采用黑色线条，三个部分的分割线采用黑色线条，绘制的三条PID曲线的颜色分别为红色、绿色、蓝色。3.根据权利要求1所述的一种PID控制数据手绘识别和参数整定的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，曲线所在的矩形有效区域的提取具体为：将手绘图片从彩色空间转换为灰度空间；通过霍夫圆变换进行圆检测，得到四个边界区域圆的圆心，从而得到有效区域的边界位置；并利用四个边界点将有效区域截割，得到彩色空间和灰度空间下的曲线所在位置的有效区域；对拍照过程带来的畸变进行图像矫正，利用图像放缩的原理对像素点所在每一行进行适当的放大或缩小，得到矩形有效区域。4.根据权利要求1所述的一种PID控制数据手绘识别和参数整定的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，曲线的提取具体为：对矩形有效区域中的灰度图片进行霍夫直线检测，通过直线检测得到分割线的位置，从而将图像进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵之江，赵宝锋，朱豫才，赵均，徐祖华，纪彭，张抗抗，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33