数据处理与滤波

2012-4-26 第4章 数据采集系统设计 13
—计算机控制技术—
1 采样数据的合理性判别及报警(1) 采样数据的合理性判别及报警(1)
• 越限的限幅与报警 设某通道当前采样值为y(k) 设某通道当前采样值为
yL ≤y(k)≤yH 时; y(k)为当前采样有效值 为当前采样有效值
y(k)>yH , 取 y(k)= yH (上限值 ，报警 )>y 上限值)， 上限值 y(k)<yL , 取 y(k)= yL (下限值 ，报警 下限值)， 下限值
• 有解析表达式，直接计算对应结果 有解析表达式，
– 例，流量测量中，从差压变送器来的信号 流量测量中， ∆P与实际流量 成平方根关系 与实际流量G成平方根关系 与实际流量
G = K ∆P
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—计算机控制技术—
二． 标度变换 • 非线性参数的标度变换
– 测量流量时的标度变换公式为： 测量流量时的标度变换公式为：
• 加权递推平均滤波(滑动平均值滤波) 加权递推平均滤波(滑动平均值滤波)
基本思想： 基本思想：算术平均值滤波对每个采样值给出相 同的权重系数, 同的权重系数 即1/m。若要增加新采样值在有 。 效信号中的比重, 效信号中的比重 提高系统对当前所受干扰的 灵敏度, 实际应用时, 可采用加权递推平均滤波, 加权递推平均滤波 灵敏度 实际应用时 可采用加权递推平均滤波 其算式为
• 常见的数据处理内容
– 线性化处理： 线性化处理：
• (1)孔板差压与流量 孔板差压与流量
• (2)热电偶的热电势与温度 热电偶的热电势与温度
– 校正运算：如温度补偿 校正运算： – 测量值与工程量的转换： 测量值与工程量的转换：
• (1)线性值公式； 线性值公式； 线性值公式 • (2)开方值转换公式； 开方值转换公式； 开方值转换公式 • (3)热电偶与热电阻公式 热电偶与热电阻公式
• 适用范围
–能有效地去除由于偶然因素引起的波动或因采样器 能有效地去除由于偶然因素引起的波动或因采样器 的不稳定造成的误码等脉冲性干扰。 的不稳定造成的误码等脉冲性干扰。
• 平均值滤波对具有周期性干扰噪声的信号比较 平均值滤波对具有周期性干扰噪声的信号比较 有效，中值滤波法对偶然出现的脉冲干扰信号 有效，中值滤波法对偶然出现的脉冲干扰信号 有良好的滤波效果，可结合使用。 有良好的滤波效果，可结合使用。
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第4章 数据采集系统设计
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2 数字滤波—平均值滤波法（1） 数字滤波—平均值滤波法（ 算术平均值滤波
1 m y (k ) = ∑ y (k − i ) m i =1
其中算术平均的次数m值决定了信号的平滑度和灵 其中算术平均的次数 值决定了信号的平滑度和灵 敏度。适用于对流量、 敏度。适用于对流量、压力及沸腾状液面一类信 号作平滑处理。 号作平滑处理。
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1 采样数据的合理性判别及报警(2) 采样数据的合理性判别及报警(2)
• 对采样数据进行分析判断 • 分析判断的根据
– 过程机理等客观规律和操作经验 – 根据运算模块进行检查
• 常见的处理方法
– 一般通道：有限次数后报警，停止在线程序 一般通道：有限次数后报警， – 重要通道：设计故障诊断系统甚至容错系统 重要通道：
Gx − G0 K N x − K N 0 = Gm − G0 K N m − K N 0 Gx = N x − N0 Nm − N0 (Gm − G0 ) + G0
对于流量测量仪表，一般下限均取0 对于流量测量仪表，一般下限均取0，所以此 =0， 时G0=0，N0=0 Nx
Gx = Gm
Nm
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N x − N0 Yx = Y0 + (Ym − Y0 ) Nm − N0 Nx Yx = Y0 + (Ym − Y0 ) Nm
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(4―8) (4―9)
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二． 标度变换 • 例已知某热处理炉温度测量仪表的量程 为200～800℃，在某一时刻计算机经采 ～ ℃ 数字滤波后得到的数字量为CDH。 样、数字滤波后得到的数字量为 。 设该仪表的量程是线性的， 设该仪表的量程是线性的，在Y0=200℃ ℃ 时，N0为0；Ym=800℃时， ； ℃ Nm=FFH=(255)10 ；x=CDH=(205)10 。 因此，根据公式(4―9)，此时的温度为： 因此，根据公式 ，此时的温度为：
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第4章 数据采集系统设计
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2 数字滤波—惯性滤波法(一阶滞后滤波) 数字滤波—惯性滤波法(一阶滞后滤波)
• 惯性滤波法基本概念
用软件实现RC低通滤波器功能 动态方程为 用软件实现 低通滤波器功能, 低通滤波器功能 dy 其中 Tf =RC，称为滤 ， T f + y = x dt 波时间常数 离散化后动态方程， 为采样周期 为采样周期, 离散化后动态方程， T为采样周期 得
|y(k)-y(k-1)| ≤∆y0, 则 y(k)=y(k) >∆y0, 则 y(k)=y(k-1)
• 关键
– 正确选择 0。故该法又叫限速 变化率 滤波法 正确选择∆y 故该法又叫限速(变化率 变化率)滤波法
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三． 数字滤波 • 数字滤波
– 通过一定的计算程序减少干扰信号在有用信 号中的比重
• 进行数字滤波的必要性
–计算机控制系统是采样系统 计算机控制系统是采样系统 –提高信号的可靠性 提高信号的可靠性
• 主要内容
–合理性的判别与滤波 合理性的判别与滤波 –软测量的基本思想 软测量的基本思想
y (k ) = ay (k − 1) + (1 − a ) x(k )
＜ ＜ 称为滤波系数。 a = T f /(T f + T ) , 0＜a＜1, 称为滤波系数。
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2 数字滤波—程序判断滤波 数字滤波—
• 基本概念 克服偶然的、大幅度的跳码干扰 克服偶然的、 – 比较两个相邻采样瞬间采样值的大小
Nx 205 Yx = Y0 + (Ym −Y0 ) = 200 + (800 − 200) × = 682C Nm 255
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二． 标度变换 • 非线性参数的标度变换
– 传感器测出的数据与实际被测参数之间不 是线性关系 – 求出它们之间所对应的函数关系
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2 数字滤波（又称软件滤波） 数字滤波（又称软件滤波） • 数字滤波的必要性及优点 数字滤波的必要性及优点
–与RC滤波器结合使用，可抑制大多数引入过程的 与 滤波器结合使用 滤波器结合使用， 干扰 –不需要增加硬设备 不需要增加硬设备 –稳定性好, 且一种滤波程序可以反复调用 稳定性好, 稳定性好 –使用灵活、方便, 便于修改 使用灵活、 使用灵活 方便,
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一． 线性化处理 2. 线性插值的计算机实现步骤
① ②
• •
用实验法测量输入输出的非线性关系曲线 y=f(x)。 。 将测量得到的曲线进行分段，选择插值基点。 将测量得到的曲线进行分段，选择插值基点。
等距分段法 非等距分段法
③ ④ ⑤
确定并计算出各插值点的x 确定并计算出各插值点的 i、yi值及两相邻插 值点间拟合直线段的斜率k 值点间拟合直线段的斜率 i。 通过查表找出x所在的区间，取出该段直线的 通过查表找出 所在的区间， 所在的区间 斜率k 和基点值x 斜率 i和基点值 i、yi 根据插值公式y=y 根据插值公式 i+ki(x-xi)，计算出 点所对应 ，计算出x点所对应 的y值。 值
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—计算机控制技术—
一． 线性化处理 • 线性化处理 为了保证这些参数能有线 线性化处理—为了保证这些参数能有线 性输出，需要引入非线性补偿， 性输出，需要引入非线性补偿，将输出 信号与被测物理量之间的非线性转化为 线性关系，这种转化过程称为~。 线性关系，这种转化过程称为 。 • 方法
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2 数字滤波—平均值滤波法（2） 数字滤波—平均值滤波法（
• 实现方法
–可以在一个采样瞬间对一个测点多次采样后, 计算 可以在一个采样瞬间对一个测点多次采样后, 可以在一个采样瞬间对一个测点多次采样后 出其平均值 –也可以对多个采样周期的平均采样值作递推滤波使 也可以对多个采样周期的平均采样值作递推滤波使 用
y (k ) =
∑
m −1 i=0
a i y (k − i)
的选取是多种多样的， 常数 ai 的选取是多种多样的，满足
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∑
m −1 i=0
ai = 1
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2 数字滤波—中值滤波法（1） 数字滤波—中值滤波法（
• 中值滤波的基本原理
–在某采样瞬间对被测参数连续采样3次,选择大小居 在某采样瞬间对被测参数连续采样3 在某采样瞬间对被测参数连续采样 中的数据作为有效信号。
– 直接计算法：可以用解析式明确表示的非 直接计算法： 线性函数关系； 线性函数关系； – 查表法：将事先计算好的结果存放在数据 查表法： 表中； 表中； – 线性插值法：非线性关系不能用数学公式 线性插值法： 精确表达。 精确表达。