计算机控制系统的数据处理技术

其中Δy0为两次相邻采样值之差的可能最大变化量。Δy0值的 选取，取决于采样周期T及被测参数y应有的正常变化率。
对偶然脉冲干扰信号有良好的滤波效果。但一定要按照实际情 况来确定Δy0 、 yH 及 yL ，否则，非但达不到滤波效果，反而会 降低控制品质。
惯性滤波法
常用的RC滤波器的传递函数是
全自动校准
输入电压V 基准电压VREF 输入及放大电路 A/D转换 计算机
控制
方法：输入部分采用了一个多路开关，在开机时，或每隔 一定的时间，系统进行一次自动校正。
V ( x x0 x1 x 0 ) VR
采用这种方法测得的V与放大器的漂移和增益变化无关，与V和R的 精度也无关。这样可大大提高测量精度，降低对电路器件的要求。
数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，所以 可靠性高，稳定性好。
数字滤波可以对频率很低(如0.01HZ)的信号实现滤波， 克服了模拟滤波器的缺陷。
数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或 滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。
主要数字滤波算法：算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤 波法、惯性滤波法。
9.2.2 开关量的软件抗干扰技术
开关量(数字量)信号输入抗干扰措施 干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用这一特点，我们 在采集某一开关量信号时，可多次重复采集，直到连续两次或 两次以上结果完全一致方为有效。 开关量(数字量)信号输出抗干扰措施 在软件上，最为有效的方法就是重复输出同一个数据。只 要有可能，其重复周期尽可能短些。 输出设备是电位控制型还是同步锁存型，对干扰的敏感性 相差较大。前者有良好的抗“毛刺”干扰能力，后者不耐干扰， 当锁存线上出现干扰时，它就会盲目锁存当前的数据，也不管 此时数据是否有效。
根据上述规定，程序可以实现对被控参数y、偏差e以及控制 量u进行上下限检查。
9.2 软件抗干扰技术
测控系统软件的基本要求 易理解、易维护 指软件系统容易阅读和理解，容易发现和纠正错误，容 易修改和补充。 实时性 要求系统及时响应外部事件的发生，并及时给出处理结果。 可测试性 两方面含义：其一是比较容易制定出测试准则，并根据这 些准则对软件进行测试；其二软件设计完成后，首先在模拟环 境下运行，经过静态分析和动态仿真运行，证明正确无误后才 可投入实际运行。
算术平均值法
算术平均值法是对输入的N个采样数据xi(i=1～N)，寻找 这样一个y，使y与各采样值间的偏差的平方和为最小，使
E min
N

i 1
2 ( y xi )
由一元函数求极值原理可得：
y
x N
i 1
1
N i
例：某压力仪表采样数据如下： 序 号
其中，α称为滤波系数，且0＜α＜1，T为采样周期，Tf为滤 波器时间常数。
根据惯性滤波器的频率特性，若滤波系数α越大， 则带宽越窄，滤波频率也越低。因此，需要根据实际 情况，适当选取α值，使得被测参数既不出现明显的 纹波，反应又不太迟缓。
惯性滤波法适用于高频及低频干扰信号。
说明
如果同时采用几种滤波方法，一般先用中位值滤波或 限幅滤波，然后再用平均值滤波法。如果应用不恰当，非 但达不到滤波效果，反而会降低控制品质。
第九章 计算机控制系统的数据处理技术
9.1
测量数据预处理技术
9.2
软件抗干扰技术
9.1
测量数据预处理技术
传感器把生产过程的信号转换成电信号，然后用A／D转换 器把模拟信号变成数字信号，读入计算机中。 对于这样得到的数据，一般要进行一些预处理，其中最基 本的处理有线性化处理、标度变换和误差自动校准。
m m i0
平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声（如压力、 流量的周期脉动）的信号，但对偶然出现的脉冲干扰信号， 滤波效果尚不理想。
中位值滤波法
中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样m（m为奇数）次 (m≥3) ，并按大小顺序排列；再取中间值作为本次采样的有 效数据。 特点:中位值滤波法对脉冲干扰信号等偶然因素引发的干 扰有良好的滤波效果。如对温度、液位等变化缓慢的被测 参数采用此法会收到良好的滤波效果；对流量、速度等快 速变化的参数一般不宜采用中位值滤波法。
第九章 计算机控制系统的数据处理技术
数据处理
数据处理从一般意义上说应包括三方面内容：一是对传感 器输出的信号进行放大、滤波、I/V转换等处理，通常称为信号 调理；二是对采集到计算机中的信号数据进行进行一些处理， 如进行系统误差校正、数字滤波，逻辑判断、标度变换等处理， 通常称之为一次处理；三是对经过前两步得到的测量数据进行 分析，寻找规律，判断事物性质，生成所需要的控制信号，此 称为二次处理。信号调理都是由硬件完成，而一次和二次处理 一般由软件实现。通常所说的数据处理多指上述的一次处理。 一次处理的主要任务是提高检测数据的可靠性，并使数据格式 化、标准化，以便运算、显示、打印或记录。
采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。
对1、2、3次采样中位值滤波后值：24
对4、5、6次采样中位值滤波后值：27
对7、8、9次采样中位值滤波后值：25
采用去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：25
限幅滤波法
由于大的随机干扰或采样器的不稳定，使得采样数据偏离 实际值太远，为此采用上、下限限幅滤波，即 当y(n)≥yH时，则取y(n)=yH(上限值)； 当y(n)≤yL时，则取y(n)=yL(下限值)； 当yL＜y(n)＜yH时，则取y(n)。 有时采用限速(亦称限制变化率)滤波，即 当|y(n)-y(n-1)|≤Δy0时，则取y(n); 当|y(n)-y(n-1)|＞Δy0时，则取y(n)=y(n-1)。
9.1.1 9.1.2 9.1.3
误差自动校准 标度变换方法 越限报警处理
9.1.1
误差自动校准
定义：系统误差是指在相同条件下，经过多次测量，误
差的数值(包括大小符号)保持恒定，或按某种已知的规 律变化的误差。 特点：在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的， 产生误差的原因一般也是知道的。 方法：偏移校准在实际中应用最多，并且常采用程序来 实现，称为数字调零。 调零电路的实现：在测量时，先把多路输入接到所需测 量的一组输入电压上进行测量，测出这时的输入值为x1, 然后把多路开关的输入接地，测出零输入时A／D转换器 的输出为x0，用x1减去x0即为实际输入电压x。 除了数字调零外，还可以采用偏移和增益误差的自 动校准。
中位值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果 会更好。即在每个采样周期，先用中位值滤波法得到m个 滤波值，再对这m个滤波值进行算术平均，得到可用的被 测参数。也称为去脉冲干扰平均值滤波法。
例：某压力仪表采样数据如下： 序 号 1
2
3
4
5
6
7 24
8 25
9 26
24
采样值
25 20
27 24 60
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9.1.3
越限报警处理
越限报警是工业控制过程常见而又实用的一种报警形式， 它分为上限报警、下限报警及上下限报警。如果需要判断的报 警参数是xn ，该参数的上下限约束值分别是xmax 和xmin ，则上下 限报警的物理意义如下： 上限报警 若xn＞xmax，则上限报警，否则继续执行原定操作。 下限报警 若 xn ＜ xmin ，则下限报警，否则继续执行原定操作。 上下限报警 若xn＞xmax，则上限报警，否则对下式做判别； xn＜xmin否?若是则下限报警，否则继续原定操作。
准确性 算法选择、位数选择等要符合要求。
可靠性
最重要的指标之一，两方面含义：第一是运行参数环 境发生变化时，软件能可靠运行并给出准确结果，即软件 应具有自适应性；第二是工业环境极其恶劣，干扰严重， 软件必须保证在严重干扰条件下也能可靠运行。
软件抗干扰研究的主要内容
采用软件的方法抑制叠加在输入输出信号上噪声影响，如 模拟输入信号的数字滤波技术；
标度变换有各种类型，它取决于被测参数的传感器的类型， 应根据实际要求来选用适当的标度变换方法。
线性变换公式 Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin)／(Nmax-Nmin)+Ymin Y表示参数测量值，Ymax 表示参数量程最大值，Ymin 表示参数 量程最小值，Nmax 表示 Ymax 对应的A／D转换后的输入值，Nmin 表 示量程起点Ymin对应的A／D转换后的输入值，X表示测量值Y对应 的A／D转换值。 公式转换法 有些传感器测出的数据与实际的参数不是线性关系，它们 有着由传感器和测量方法决定的函数关系，并且这些函数关系 可用解析式来表示，这时我们可采用直接按解析式来计算。 其它标度变换法 许多非线性传感器并不象上面讲的传感器那样，可以写出 一个简单的公式，或者虽然能够写出，但计算相当困难。这 时可采用多项式插值法，也可以用线性插值法或查表进行标 度变换。
x
如果在校准时，计算并存放yR／xR的值，则测量校准时， 只需行一次乘法即可。 人工自动校准特别适于传感器特性随时间会发生变化的场 合。如常用的湿敏电容等湿度传感器。
9.1.2 标度变换方法
计算机控制系统在读入被测模拟信号并转换成数字量后， 往往要转换成操作人员所熟悉的工程值。这是因为被测量对 象的各种数据的量纲与A／D转换的输入值是不一样的。例如， 压力的单位为Pa，流量的单位为m3／h，温度的单位为℃等。 这些参数经传感器和A／D转换后得到一系列的数码，这些数 码值并不一定等于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于参 数值的大小，故必须把它转换成带有量纲的数值后才能运算、 显示或打印输出，这种转换就是标度变换。
人工自动校准
人工自动校准的原理是由在需要时人工接入标准的参数进行 校准测量，把测得的数据存贮起来，供后使用。一般人工自动校 准只测一个标准输入信号yR ，零信号的补偿由数字调零来完成。 设数字调零后测出的数据分别为xR(接校准输入yR 时)和x(接被测 输入y时)，则可按下式来计算y。
y
yR xR
由于干扰而使程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环， 采取使程序纳入正规的措施，如指令冗余、软件陷阱、“看 门狗”技术等；
发现程序失控后，解决系统恢复正常运行的方法，如重要 信息的恢复，系统重入的条件等；
9.2.1
数字滤波技术
所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干 扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。 与模拟滤波器相比，有以下几个优点:
1 24
2
3
4
5
6
7 24
8 25
9
10
采样值
25 20
27 24 60
26 23
采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。 采用算术平均值滤波后，其采样值为： Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+ 26+23)/10=28 干扰被平均到采样值中去了
特点：
N值决定了信号平滑度和灵敏度。随着N的增大，平滑度提 高，灵敏度降低。应该视具体情况选择N，以便得到满意的 滤波效果。 对每次采样值给出相同的加权系数，即1/N。在不同采样 时刻采集数据受到同样重视。实际上某些场合需要增加新采 样值在平均值中的比重，可采用加权平均值滤波法。滤波公 1 式为：Y=R0Y0+ R1Y1+ R2Y2+…+ RmYm， R 。
C(s) R(s) 1 1 T S f
其中Tf=RC,它的滤波效果取决于滤波时间常数Tf。因此， RC滤波器不可能对极低频率的信号进行滤波。为此，人们 模仿上式做成一阶惯性滤波器亦称低通滤波器。
Tf c ( n) c ( n 1) T c ( n) r ( n)
稍加整理得
c( n) T Tf T r ( n) Tf Tf T c( n 1) (1 α ) r ( n) c( n 1)