【正文】 ?miikymky1)(1)(第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 25 數(shù)字濾波 平均值濾波法 ? 實現(xiàn)方法 – 可以在一個采樣瞬間對一個測點多次采樣后 , 計算出其平均值 – 也可對多個采樣周期的平均采樣值作遞推濾波 ? 遞推算式 – 為加快運算速度 ,可利用上一次計算值 ,通過遞推平均濾波算式得到當(dāng)前采樣時刻的遞推平均值。 mmkymkyyy )1()1()1k()k( ?????＝第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 26 數(shù)字濾波 平均值濾波法 ? (2)加權(quán)平均濾波 ? 算術(shù)平均值濾波對每個采樣值給出相同的權(quán)重系數(shù) 1/m ? 若要增加新采樣值在平均值中比重 , 提高系統(tǒng)對當(dāng)前所受干擾的靈敏度 , 可采用加權(quán)平均濾波 , 算式為 ? ai 為加權(quán)系數(shù)，體現(xiàn)各次采樣值在平均值中所占比例。這種濾波方法可根據(jù)需要突出信號某一部分，抑制信號另一部分。適用于純滯后較大、采樣周期短的過程。 ?????10)()(mii ikyaky1,10 10??? ???miii aa第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 27 數(shù)字濾波 中值濾波法 ? 中值濾波的基本原理 – 對某一參數(shù)連續(xù)采樣 n次 ,把 n次的采樣值從小到大或從大到小排隊 ,再取中間值作為本次采樣值。 ? 適用范圍 – 對于去掉由于偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定造成的誤差所引起的脈動干擾比較有效 . – 若變量變化比較慢，則采用中值濾波效果比較好 ? 實際使用時 ， n值要選擇適當(dāng)，若選擇過小，可能起不到去除干擾的作用， n過大，會造成采樣數(shù)據(jù)的時延過大，造成系統(tǒng)性能變差。一般取 n為 35次。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 28 數(shù)字濾波 中值濾波法 ? 平均值濾波 對具有周期性干擾噪聲的信號比較有效 ,中值濾波法 對偶然出現(xiàn)的脈沖干擾信號有良好的濾波效果 ,結(jié)合使用濾波效果會更好 . ? 方法是連續(xù)采樣 m次，并按大小排序，從首尾各舍掉 1/3個大數(shù)和小數(shù)，再將剩余的 1/3個大小居中的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，作為本次采樣的有效數(shù)據(jù)；亦可去掉采樣值中的最大值和最小值，將余下的（ m2）個采樣值算術(shù)平均。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 29 數(shù)字濾波 慣性濾波法 ? 慣性濾波法基本概念 – 用軟件實現(xiàn) RC低通濾波器功能 , 動態(tài)方程為 – 其中 Tf =RC，稱為濾波時間常數(shù) – 離散化后動態(tài)方程， T為采樣周期 , 得 0＜ a＜ 1, 稱為濾波系數(shù)。 xydtdyT f ??)()1()1()( kxakayky ????)/( TTTa ff ??第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 30 數(shù)字濾波 程序判斷濾波法 ? 基本概念 – 根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，確定兩次采樣輸入信號可能出現(xiàn)的最大偏差 Δy – 當(dāng)采樣信號由于隨機(jī)干擾，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實際值較遠(yuǎn)，可以采用程序判斷濾波。 ? 一般分兩類 – 限幅濾波 – 限速濾波 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 31 數(shù)字濾波 程序判斷濾波法 ? 限幅濾波 – 把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量（以絕對值表示），然后與兩次采樣允許的最大偏差 Δy 比較，若小于或等于 Δy 取本次采樣值，若大于 Δy 仍取上次采樣值。 – 即 |y(k)y(k1)| ≤Δy0, 則 y(k)=y(k) Δy0, 則 y(k)=y(k1) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 32 數(shù)字濾波 程序判斷濾波法 ? 限速濾波 – 限幅濾波用兩次采樣值來決定采樣結(jié)果，而限速濾波可用三次采樣值來決定采樣結(jié)果。 – 當(dāng) |y(k)y(k1)|Δy 時，再采樣一次，取得 y(k+1) – 根據(jù) |y(k+1)y(k)|與 Δy 的關(guān)系決定本次采樣值 ?????????????????????????????????2)1k(y)k(y)1k(yy)1k(y)1k(yy)k(y1)y ( k)1k(yy)k(y)k(yy)1k(yy ( k )0000則，則，取樣，則，第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 33 數(shù)字濾波 ? 各種濾波方法的特點與應(yīng)用 – 平均值濾波 適用于周期性干擾； – 加權(quán)平均遞推濾波 適用于純滯后較大的過程； – 中值濾波 和 程序判斷濾波 適用于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾； – 慣性濾波 適用于高頻干擾。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 34 ? 目的 – 經(jīng)過處理后，可直接引用采樣數(shù)據(jù)。 ? 常見數(shù)據(jù)處理方法 –線性化處理： –校正運算 –標(biāo)度變換 –越限報警處理 –死區(qū)處理 數(shù)據(jù)處理 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 35 數(shù)據(jù)處理 線性化處理 ? 概述 – 計算機(jī)從模擬量輸入通道得到的檢測信號與該信號所代表的物理量之間不一定成線性關(guān)系。 – 線性化處理后，方便運算并且便于數(shù)字顯示。 ? 計算法 – 孔板差壓與流量 熱電偶的熱電勢與溫度 PkF ?＝]1)y(k x1)[y(k21)(y ?＝k01223344T aEaEaEaEa ????＝? ? 01234 ])[T aEaEaEaEa ????＝第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 36 數(shù)據(jù)處理 線性化處理 ? 插值法 – 實質(zhì)是找出一種簡單、便于計算處理的近似表達(dá)式代替非線性參數(shù)。 – 常用的插值公式有多項式插值公式、拉格朗日插值公式、線性插值公式等 。 ? 折線法 – 上述兩法都可能會帶來大量運算 ， 為簡單起見 ，可分段進(jìn)行線性化 ， 即用多段折線代替曲線 。 – 過程：先判斷測量數(shù)據(jù)處于哪一折線段內(nèi) ， 然后按相應(yīng)段的線性化公式計算出線性值 。 折線段分法不是惟一的 ， 可視具體要求定 。 一般折線段數(shù)越多 ， 線性化精度越高 。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 37 ℃ Pt100 ℃ Pt100 ℃ Pt100 50 10 80 40 20 90 30 30 100 20 40 150 20 50 200 10 60 0 70 熱電阻分度表 數(shù)據(jù)處理 線性化處理 ? 查表法 為提高運算速度，可將非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為表格形式 存在計算機(jī)內(nèi)，在線工作量僅是根據(jù)采樣值查表 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 38 數(shù)據(jù)處理 校正運算 ? 有時來自被控對象的某些檢測信號與真實值有偏差，這時需要對這些檢測信號進(jìn)行補償，力求補償后的檢測值能反映真實情況。 ? 用孔板測氣體體積流量的溫度、壓力補償 01100 PTPTFF ＝第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 39 數(shù)據(jù)處理 標(biāo)度變換 ? 概述 – 生產(chǎn)中各個參數(shù)有不同的數(shù)值和量綱 ,如 Pa、 ℃ 等 – 參數(shù)經(jīng)變送器 轉(zhuǎn)換成 A/D能接收的 0~ 5V電壓信號，又由 A/D轉(zhuǎn)換成 00~FFH的數(shù)字量，不帶量綱，僅代表參數(shù)值相對大小。 – 為方便操作及運算、顯示和打印的要求，須把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值 ? 標(biāo)度變換方法 – 線性參數(shù)標(biāo)度變換 – 非線性參數(shù)標(biāo)度變換 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 40 數(shù)據(jù)處理 標(biāo)度變換 ? 線性參數(shù)標(biāo)度變換 – 一次儀表測量值與 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果具有線性關(guān)系 ? 非線性參數(shù)標(biāo)度變換 – 一次儀表測量值與 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是非線性關(guān)系 – 根據(jù)差壓變送器信號 △ P與流量 F的關(guān)系 ， 可得測量流量時的標(biāo)度變換式 即 0m0x0m0x NNNN)AA(AA?????0000()xxmmNNG G G GNN?? ? ??0m0xxmxxNkNkNkNkGGGG?????第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 41 數(shù)據(jù)處理 越限報警處理 ? 概述 – 把計算機(jī)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上、下限給定值進(jìn)行比較。若高于 (或低于 )上限 (或下限 )，則進(jìn)行報警，以便進(jìn)行顯示和控制。 – 聲光報警、報警記錄 ? 設(shè)計方法 – 全軟件報警程序 – 直接報警程序 （ 硬件申請中斷 ） 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 42 數(shù)據(jù)處理 越限報警處理 ? 如圖所示鍋爐水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖中鍋爐正常工作的主要指標(biāo)是汽包水位：液面太高會影響汽包的蒸汽產(chǎn)量；水位過低則有爆炸的危險。 H H J 變送器 c b a ? ? 預(yù)熱管 水 傳感器 傳感器 蒸汽 蒸汽流量 b a c 液面高度 汽包 水流量 變速器 變送器 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 43 數(shù)據(jù)處理 越限報警處理 ? 為及時監(jiān)視鍋爐情況，系統(tǒng)有三個參數(shù)報警系統(tǒng)，即水位上下限，爐膛溫度上下限，蒸汽壓力下限報警，如下圖所示。當(dāng)系統(tǒng)各個參數(shù)全部正常時，綠燈亮；若有不正常參數(shù)，則發(fā)出聲光報警信號。 正常運轉(zhuǎn) 蒸汽壓力下限報警 爐膛溫度下限報警 爐膛溫度下限報警 水位下限報警 水位上限報警 1 LED GN 1 LED RD 1 LED RD 1 LED RD 7 PB A 8255 1 LED RD 1 LED RD 6 PB 5 PB 3 PB 2 PB 1 PB 0 PB 4 PB 1 電笛 06 74 LS 3 X 2 X 1 X 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 44 數(shù)據(jù)處理 死區(qū)處理 ? 從工業(yè)現(xiàn)場采集到的信號往往會在一定范圍內(nèi)波動，或者有頻率較高、能量不大的干擾疊加在信號上，此時采集到的數(shù)據(jù)有效值的最后一位不停的波動，難以穩(wěn)定。 ? 這種情況可以采取死區(qū)處理，把不停波動的值進(jìn)行死區(qū)處理，只有當(dāng)變化超出某值時才認(rèn)為該值發(fā)生了變化。比如編程時可以先對數(shù)據(jù)除以 10，然后取整，去掉波動項。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計算機(jī)控制技術(shù) 45 數(shù)控技術(shù)