第5章 过程控制数据处理的方法

Nm 式(7-15)、(7-16)、(7-17)即为在不同情况下的线性参数的 标度变换公式。
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Ax Am
7.2.1
线性参数标度变换
［例］某压力测量仪表的量程为400～1200Pa，采用 8位A/D转换器，设某采样周期计算机中经采样及数 字滤波后的数字量为ABH，求此时的压力值。 解：根据题意，已知A0=400Pa，Am=1200Pa， N x=ABH=(171)D，选Nm=FFH=255D，N0=0，所以 采用公式(7-16)，则
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7.1.8
各种数字滤波性能的比较
2．滤波时间
在考虑滤波效果的前提下，应尽量采用执行时间 比较短的程序，若计算机时间允许，可采用效果更好 的复合滤波程序。
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7.2
标度变换
1.为什么要进行标度变换？ 生产中的各个参数都有着不同的数值和量纲，如测温元件用 热电偶或热电阻，温度单位为℃，如 铂铑-铂热电偶 镍铬-镍铬热电偶 0～17.677mV 0～48.87mV 变送器：1～5V 1～5V A/D: 00～FFH 00～FFH 0～1600 ℃ 0～1200℃
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7.1.7
复合数字滤波
为进一步提高滤波效果，可以把两种或两种以上不 同滤波功能的数字滤波器组合起来，组成复合数字滤
波器，或称多级数字滤波器。
[例如] • 算术平均滤波/加权平均滤波只能对周期性的脉动采样值进行 平滑加工。 • 中值滤波可以解决随机的脉冲干扰(电网的波动，变送器的 临 时故障等)。 • 将二者组合起来，形成多功能的复合滤波。
第7章 过程控制数据处理的方法
7.1 数字滤波技术
7.2 标度变换
7.3 越限报警处理
7.1
数字滤波技术
引言：
• 环境需要滤波。
• 目的：提高信/噪这就是数字滤波。
• 方法：① 模拟滤波 ② 数字滤波
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1． 数字滤波器的优点
（1）无需增加任何硬设备。
（2）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。 （3）可多通道共享，从而降低了成本。 （4）可以对频率很低(如0.01Hz)的信号进行滤波。 （5）使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤 波方法，或改变滤波器的参数。 在计算机控制系统中得到广泛的应用。
1 N 1 X (i ) N 2 (7-10) N 2 i 2
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7.1.8
各种数字滤波性能的比较
以上介绍了七种数字滤波方法，读者可根据需要 设计出更多的数字滤波程序。每种滤波程序都有其各 自的特点，可根据具体的测量参数进行合理的选用。
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7.1.8
1. 滤波效果
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7.2.1
线性参数标度变换
线性参数标度变换子程序
change(float Am, float A0,uchar Nm,uchar N0,uchar Nx) { float a1,b1,Ax;
a1=(Am-A0)/(Nm-N0); b1=A0-a1N0; Ax=(float)a1Nx+b1;
当系统在进行显示、记录、打印以及报警等操作，必须把这 些测得的数字量还原为相应量纲的物理量，以便操作人员对生 产过程进行监视和管理，这就是所谓的标度变换。
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7.2
标度变换
下图为一个温度测控系统，某种热电偶传感器把现场中 的温度 0~1200℃转变为0~48mV信号，经输入通道中的运算 放大器放大到0~5V，再由8位A/D转换成00~FFH的数字量， 这一系列的转换过程是由输入通道的硬件电路完成的。
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7.1.3
加权平均值滤波
在算术平均滤波程序中，n次采样值在最后的结果中所占 的比重是相等的，这样虽然消除了随机干扰，但有用信号的 灵敏度也随之降低。
为了提高滤波效果，将各个采样值取不同的比重，求其 和作为滤波结果，这种方法称为加权平均滤波。 一个n项加权平均式为：
式中：
Ci为各次采样值的系数项，它体现了各次采样值在平均值中 所占的比例。应满足如下关系：
程序判断滤波 算术平均值滤波 加权平均值滤波 滑动平均值滤波 RC低通数字滤波 复合数字滤波 各种数字滤波性能的比较
7.1.1 程序判断滤波
（1）方法：
① 根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最 大允许偏差 △Y。 ② 若两次采样信号之间的偏差 超过△Y ：则表明该输入信号是干扰信号，去掉。 小于△Y ：将信号作为本次采样值。
(7-1)
式中：Y（k）——第 k 次采样值； Y(k-1)——第(k-1)次采样值； △Y——相邻两次采样值允许的最大偏差。 （其大小取决于采样周期T及Y值的变化动态响应）。
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7.1.1 程序判断滤波
用途：
• 主要用于变化比较缓慢的参数，（温度、物位等） • 门限值△Y的选取： △ Y太大，增大了系统误差允许的程度； △ Y太小，又会使计算机采样效率变低。 （根据经验数据获得， 必要时，也可由实验得出）。
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7.1.7
复合数字滤波
即把采样值先按从大到小的顺序排列起来，然后将 最大值和最小值去掉，再把余下的部分求和并取其平 均值。 上述滤波方法的原理可由下式表示： 若 X(1)≤X(2)≤…≤X(N), 3≤ N≤14
X ( 2) X (3) X ( N 1) Y (k )
（2）应用场合：
当采样信号由于随机干扰，如大功率用电设备的启动或停止， 造成电流的尖峰干扰或误检测，以及变送器不稳定而引起的严 重失真等，可采用程序判断法进行滤波。
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滤波方法——限幅滤波 和 限速滤波
1．限幅滤波 作法： • |Y（k）-Y(k-1)|≤△Y,则取Y（k）= Y（k） • |Y（k）-Y(k-1)| ＞△Y,则Y（k）= Y（k-1）
}
return(Ax);
7.2.1
线性参数标度变换
为使程序设计简单，一般把一次测量仪表的下限A0所对应的 A／D转换值N0置为0，也即使N0=0。 这样式（7-15）可写成 Nx Ax ( Am A0 ) A0 （7-16） Nm 在很多测量系统中，仪表下限值A0=0，此时对应的N0=0， 式（7-16）可进一步简化为 （7-17） Nx
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7.1.1 程序判断滤波
• 特点:限速滤波是一种折衷的方法，既照顾了采样的 实时性，又顾及了采样值变化的连续性。
• 注意：比较限幅滤波与限速滤波的不同。
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7.1.2
算术平均值滤波
开 始 现场保护
所谓算术平均滤波就是对某一 被测参数连续采样N次，把N个采样 值相加，然后取其算术平均值作为 本次有效的采样信号，即：
设置数据区首址
设置数据个数
读 数据排序
否
排序 完成否？
据
是 取中值
现场恢复
返 回
7.1.5
中值滤波
适用范围： 能有效地滤去由于偶然因素引起的波动或采样开关 和A/D等工作不稳定造成的误差所引起的脉冲干扰。 对变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果，但不适宜 于快速变化的过程参数（如流量）。 一般来讲，n值越大滤波效果越好，但总的采样 控制时间会增长。所以n值也不能太大，一般取5～9 即可。
设置数据区首址
设置循环次数
读数据
累加求和
否
所有数据 加完否？ 是
其中：N为采样次数；x(i)为第i次采样值；
求平均值
恢复现场
返
回
7.1.2
说明：
算术平均值滤波
• 算术平均滤波主要用于对周期性脉动的采样值进行 平滑加工（如压力、流量等）
• 对脉冲性干扰的平滑作用尚不理想。
• 随着 N值的增大，平滑度将提高，灵敏度降低。 • 经验数据：流量参数滤波时，N取12次， 压力取4次， 如无噪声干扰，温度可不取平均值。
7.2
标度变换
7.2.1 线性参数标度变换 7.2.2 非线性参数标度变换
7.2.1
线性参数标度变换
线性参数标度变换---最常用的标度变换方式 前提条件---传感器输出信号与被测参数间呈线性关系
（即被测参数值与A／D转换结果为线性关系）
工程量 Am Ax A0 N0 Nx Nm 数字量
7.2.1
。 0~1200 C 0~48mV 放大 0~5V A/D 00~FFH CPU 。 0~1200 C 显示
热电偶
转换过程由硬件完成
图 8-11 标度变换原理图
标度变换过程由软件完成
CPU 读入该数字信号在送到显示器进行显示以前，必须 把这一无量纲的二进制数值再还原变换成原量纲为℃的温度信 号。比如，最小值00H应变换对应为0℃、最大值FFH应变换 对应为1200℃。
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7.1.4
滑动平均值滤波
• 算术平均值滤波，加权平均值滤波，适合于有脉动 式干扰的场合。 • 采用滑动平均值滤波法，可加快平均滤波的速度。 作法：在RAM中建立一个数据缓冲区， 依顺序存放N次采样数据，每采集进一个新数据就 将最早采集的那个数据丢掉，而后求包括新数据在 内的N个数据的算术平均值或加权平均值。 这样每一次采样，就可计算出一个新的平均值。
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2．数字滤波的方法
数字滤波的几种常用方法： （1）程序判断滤波 （2）中值滤波 （3）算术平均值滤波 （4）加权平均值滤波 （5）滑动平均值滤波 （6）RC低通数字滤波 （7）复合数字滤波
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7.1
数字滤波技术
7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.1.6 7.1.7
Y (s)

s 1
Y k 1 Y k 1 X k (7-7)
式中，X(k)——第k次采样值； Y(k-1)——第k-1次滤波结果输出值；
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7.1.6 RC低通数字滤波
Y(k)——第k次滤波结果输出值； 1 e T ——滤波平滑系数， T——采样周期。 式(7-7)即为模拟RC低通滤波器的数字滤波器，可 用程序来实现。
7.1.6 RC低通数字滤波
• 前面讲的几种滤波方法基本上属于静态滤波， 适用于变化过程比较快的参数，如压力、流量等；
对于慢速随机变量，其滤波效果往往不够理想。
• 仿照模拟系统RC低通滤波器的方法，用数字形式
实现低通滤波，可以提高滤波效果。
如图7-3所示。
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7.1.6 RC低通数字滤波
Nx Ax ( Am A0) A0 Nm (1200 400) 171 400 255 936Pa
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7.1.4
滑动平均值滤波
滑动平均值滤波程序有两种： 一种是滑动算术平均值滤波，
一种是滑动加权平均值滤波。
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7.1.5
中值滤波
开 始 现场保护
所谓中值滤波法就是对某一 被测参数连续采样n次（n一般取 奇数），然后把n次采样值按顺 序排列，取其中间值做为本次采 样值。 中值滤波程序的流程框图,如 图所示。
线性标度变换的公式为：
线性参数标度变换
Nx N0 Ax ( Am A 0) ） A0 （ 7-15 Nm N0
式中， A0 ：一次测量仪表的下限； Am：一次测量仪表的上限； Ax：实际测量值（工程量）； N 0：仪表下限所对应的数字量； Nm：仪表上限所对应的数字量； Nx ：测量值所对应的数字量。
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7.来自百度文库.1 程序判断滤波
2．限速滤波 基本原理
设在顺序采样时刻 t1、t2、t3 所采集的数据分别为：Y(1)、Y (2)、Y(3)，则当
|Y(2)-Y(1)|≤△Y ，则 Y(2)作为采样值；
|Y(2)-Y(1)|＞△y， 则保留Y2，但不作为采样值，继续采 样取得 Y(3)：
如果
|Y(3)-Y(2)|≤△Y时，则Y3作为采样值； |Y(3)-Y(2)|＞△Y时，则取（Y3+Y2）/2作为采样值。
图7-3 RC低通滤波器
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7.1.6 RC低通数字滤波
由图7-3，写出模拟低通滤波器的传递函数，即 X ( s) 1 (7-6)
Gs
其中， 为 RC滤波器的时间常数，＝RC。 由公式（7-6）可以看出，RC低通滤波器实际上是一 个一阶滞后滤波系统。 将式(7-6)离散后，可得
各种数字滤波性能的比较
（1）变化比较慢的参数，如温度，用程序判断滤波及
一阶滞后滤波方法。 （2）变化比较快的脉冲参数，如压力、流量等，则可
选择算术平均和加权平均滤波法，特别是加权平
均滤波法更好。 （3）要求比较高的系统，需要用复合滤波法。
（4）在算术平均滤波和加权平均滤波中，其滤波效果
与所选择的采样次数N有关。N越大，则滤波效果 越好，但花费的时间也愈长。 （5）RC低通滤波程序是比较特殊的滤波程序，使用时 定要根据其特点选用。 一