【正文】 它是一種非數(shù)值計(jì)算方法，利用這種方法可以完成數(shù)據(jù)的補(bǔ)償、計(jì)算、轉(zhuǎn)換等各種工作。 ② 分段線性插值法（分段線性化法） 上例 熱敏電阻溫度與電阻值的插值多項(xiàng)式，其計(jì)算量較大，程序也較復(fù)雜。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 舉例： 熱敏電阻具有靈敏度高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，但是熱敏電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系是 如表所示 的非線性 關(guān)系。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 1．線性參數(shù)標(biāo)度變換 )( m i nm a xm i nm a xm i nm i n YYNNNNYY x ????? 為了使程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，一般把一次測(cè)量?jī)x表的下限 Ymin所對(duì)應(yīng)的 A/D轉(zhuǎn)換值置為 0，即 Nmin=0，則 )( m i nm a xm a xm i n YYNNYY x ???在許多測(cè)量系統(tǒng)中，儀表下限值 Ymin=0，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的 Nmin=0，則 線性標(biāo)度變換公式 m a xm a xYNNY x? 【 例 】 某壓力測(cè)量?jī)x表的測(cè)量范圍為 400～ 1200Pa，采用8位 A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)某采樣周期計(jì)算機(jī)經(jīng)采樣及數(shù)字濾波后的數(shù)字量為 ABH，求此時(shí)的壓力值。 設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)采樣周期與截止頻率適當(dāng)選取 α 值，使得濾波器的輸出既無 明顯 波紋，又不太滯后。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 7．一階滯后濾波法 一階滯后濾波法是模擬硬件 RC低通濾波器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)。 限速濾波就是限制變化率 ，即 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 6．限幅及限速濾波法 這種濾波方法，主要用于變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度、物位等。若參數(shù)變化比較緩慢，則采用中值濾波效果比較好，但對(duì)快速變化的參數(shù)，如流量，則不宜采用。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 )4()3()2()1()( 4321 xxxxky ???? ????Re ?? 31?? Re ?? 22?? Re ?? ??3 R14 ????? 321 ??? ???? eeeR例： 某純遲延較大的被控對(duì)象，采用四次采樣值加權(quán)平均的算式為 τ為被控對(duì)象的純遲延時(shí)間。 與 模擬濾波裝置相比，數(shù)字濾波有以下優(yōu)點(diǎn)： ⑴ 通過程序?qū)崿F(xiàn)，不需硬件設(shè)備，系統(tǒng)的可靠性較高； ⑵ 數(shù)字濾波子程序可多通道共用； ⑶ 可對(duì)極低頻率的信號(hào)（如 ）進(jìn)行濾波； ⑷ 采用不同的算法和參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同信號(hào)的濾波，使用靈活、方便。 脈沖量輸入 /輸出板卡可以實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)字量的輸出和采集 ， 并可以通過跳線器選擇計(jì)數(shù) 、 定時(shí) 、 測(cè)頻等不同工作方式 ， 計(jì)算機(jī)可以通過該板卡方便地讀取脈沖計(jì)數(shù)值 ， 也可測(cè)量脈沖的頻率或產(chǎn)生一定頻率的脈沖 。 在抗干擾方面 ， A/D板卡通常采取光電隔離技術(shù) ， 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離 。 (4) 當(dāng)需要多通道采集或輸出時(shí)，根據(jù)工程的具體要求決定是否需要通道間的同步輸入或同步輸出。 由于輸出設(shè)備往往需要大電壓 (或電流 )來控制，而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸出的開關(guān)量大都為 TTL(或 CMOS)電平，一般不能直接驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備開啟或關(guān)閉。 ⑵ 整形電路 將混有毛刺之類干擾的輸入雙值邏輯信號(hào)或其信號(hào)前后沿不符合要求的輸入信號(hào)整形為接近理想狀態(tài)的方波或矩形波，而后再根據(jù)系統(tǒng)要求變換為相應(yīng)形狀的脈沖信號(hào)。所謂開關(guān)量控制就是通過控制設(shè)備的 “ 開 ”或 “ 關(guān) ” 狀態(tài)的時(shí)間來達(dá)到控制的目的。 含單個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器： 與計(jì)算機(jī)接口時(shí)可以不外加數(shù)據(jù)鎖存器。 ??? 12 10n 由于大多數(shù)執(zhí)行器只能接受模擬量，為了驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)還必須再轉(zhuǎn)換成模擬量（即 D/A轉(zhuǎn)換）。 而且從轉(zhuǎn)換結(jié)束到下一次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換也需要一段休止時(shí)間 (或稱復(fù)位時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間、準(zhǔn)備時(shí)間等).因此， A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率應(yīng)由轉(zhuǎn)換時(shí)間和休止時(shí)間二者共同決定。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) ⑵ A／ D轉(zhuǎn)換器的分類 (根據(jù)轉(zhuǎn)換原理分 ) ① 逐次比較式 ② 積分式 ③ 并行比較式 ④ 改進(jìn)型 轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在 μs 級(jí)，轉(zhuǎn)換精度一般在 ％左右，適于一般場(chǎng)合。 其大小取決于 A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，所以習(xí)慣上以數(shù)字量的位數(shù)來表示。 ?雙端輸入 : CD4052是雙 4通道 。它的核心部件是 A/D轉(zhuǎn)換器及其微處理機(jī)的接口。 模塊式 —— 主機(jī)模塊與模擬量輸入 /輸出模塊、數(shù)字量輸入 /輸出模塊通過總線連接。 總線 內(nèi)部總線 計(jì)算機(jī)內(nèi)部模板之間進(jìn)行通信的總線，也指組成系統(tǒng)各種機(jī)箱的底板總線。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) 模擬量輸入通道 模擬量輸入通道一般包括：信號(hào)調(diào)理電路、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器、 A/D轉(zhuǎn)換器等幾個(gè)組成部分。 ?多路輸入多路輸出 :CD8816等。 量化誤差 是由 A/D 轉(zhuǎn)換器有限字長(zhǎng)數(shù)字量對(duì)輸入模擬量進(jìn)行離散取樣（量化）引起的誤差，其大小在理論上為一個(gè)單位（ 1LSB ）。 轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在 ms級(jí)或更長(zhǎng)，但抗干擾性能強(qiáng)，轉(zhuǎn)換精度可達(dá) ％或更高。選擇時(shí)應(yīng)該注意。此外，在模擬量輸出通道中，為了實(shí)現(xiàn)多回路控制，需要通過多路開關(guān)將控制量分配到各條支路上。 含雙數(shù)據(jù)鎖存器： 可用于多個(gè) D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入數(shù)字信號(hào)來自于現(xiàn)場(chǎng)的傳感器，輸出數(shù)字信號(hào)又送回現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) ⑶ 電平變換電路 將輸入的雙值邏輯電平轉(zhuǎn)換為與 CPU兼容的邏輯電平。另 外 ，許多外部設(shè)備，如大功率直流電機(jī)、接觸器等在開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾信號(hào)，如不加以隔離，可能會(huì)造成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)誤動(dòng)作甚至損壞。 (5) 考慮價(jià)格因素、可靠性、耐用性、配套軟件等綜合因素。 板卡模擬信號(hào)采集的精度和速度指標(biāo)通常由板卡所采用的 A/D轉(zhuǎn)換芯片決定 。 考慮到現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電的干擾 ， 該類型板卡多采用光電隔離技術(shù) ， 使計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間全部隔離 ， 來提高板卡測(cè)量的抗干擾能力 。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 把 N個(gè)采樣值相加，然后取其算術(shù)平均值作為本次有效的采樣值 . 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 對(duì) 于 隨機(jī)干擾信號(hào)，多采用算術(shù)平均值濾波法加以抑制。 權(quán)系數(shù)為 先在 RAM中建立一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，依順序存放 N個(gè)采樣數(shù)據(jù)，每采進(jìn)一個(gè)新數(shù)據(jù)，就將最早采集的數(shù)據(jù)丟掉，而后求包括新數(shù)據(jù)在內(nèi)的 N個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。 n值一般取 35即可。使用時(shí)，關(guān)鍵問題是 Δy 的選取，其大小取決于采樣周期 T和信號(hào) y的正常變化率。常用的 RC低通濾波器的傳遞函數(shù)為 算術(shù)平均值濾波法屬于靜態(tài)濾波，主要適用于變化比較快的參數(shù)，如壓力、流量等。 該算法比較簡(jiǎn)單，比起平均值濾波法要快，能很好地消除周期性干擾和較寬頻率的隨機(jī)干擾信號(hào)。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 解： 根據(jù)題意，已知 Ymin=400Pa， Ymax=1200Pa， Nx=ABH=171D，選 Nmax=FFH=255D， Nmin=0，則 由 公式 )(936)4001200(255171400)( m i nm a xm a xm i n PaYYNNYY x ???????答： 此時(shí)的壓力值 為 936Pa. 一般而言，非線性參數(shù)的變化規(guī)律各不相同，故標(biāo)度變換公式亦需根據(jù)各自的具體情況建立。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)構(gòu)造一個(gè)三階多項(xiàng)式 P3(x)來逼近這種函數(shù)關(guān)系。為了計(jì)算簡(jiǎn)單，提高實(shí)時(shí)性，可采用分段線性插值公式或稱分段線性化法，即用多段折線代替曲線進(jìn)行計(jì)算。 ③ 查表法 使用查表法 一般 需要較大的存儲(chǔ)空間 ，要考慮硬件配置，此外還 要考慮查表速度。在本例中的線性化公式為 )( 1111 ???? ?????iiiiixix ttNNNNtt ixi NNN ??? 1第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 若采用 m段折線逼近傳感器非線性特性曲線，則其 線性化及標(biāo)度變換程序流程圖 為 線 性 化 及 標(biāo) 度 變 換 子 程 序讀 入 A / D 采 樣 值 N xN x = N1?N x = N2?N x = N