第六章 过程控制数据处理方法

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第六章 过程控制数据处理方法
一、顺序查表法
是针对无序排列表格的一种方法。因为无序表格中所有各项 的排列均无一定的规律，所以，只能按照顺序从第一项开始逐项 寻找，直到找到所要查找的关键字为止。 程序设计方法主要用CMP比较指令，将要查找的关键字放 在KEYWORD单元中，被查找的数据放在以TABLE为首地址的 内存单元中。首先取出关键字，然后逐一与表中的数进行比较。 如果没找到，则修改地址，继续比较下一个数，直到查找完整个 表为止。若找到关键字，则把此关键字的地址放到BX寄存器 中，否则，将把BX寄存器置为0FFFFH。
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第六章 过程控制数据处理方法
一、顺序查表法
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第六章 过程控制数据处理方法
二、计算查表法
在微型机数据处理系统中，一般使用的表都是线性表——若干个数 据元素x1、x2、…、xn 的集合，各数据元素在表中的排列方法及所占用 的存储器单元个数都是一样的。因此，只要根据所给的元素xi，通过一 定的计算，求出元素xi所对应的数值的地址，然后将该地址单元的内容 取出即可。 这种有序表格要求各元素在表中排列格式及所占用的空间必须一 致，而且各元素是严格按顺序排列的。它适用于某些数值计算程序，功 能键地址转移程序以及数码转换程序等。 例如，求函数y＝x！（x＝0，1，2．…，7）的值。每一个x值所对 应的y值在表中地址可按计算出来。 y地址＝函数表基地址＋x×2
n −1
式中C1、C2、…、Cn，均为常数项，应满足下列关系：
∑C
G=K ∆p ⋅ p T
3、非线性关系，其运算式不但包含四则运算，而且有对数、指数 或三角函数运算。 计算机可通过查表及数值计算等，使问题大为简化。
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第六章 过程控制数据处理方法
微型机数据处理系统具有如下优点：
（1）可用各种程序代替硬件电路，完成多种运算。 （2）能自动地修正误差。如非线性误差、温度误差、零点漂移误 差等，找出这些误差的规律，就可以用软件加以修正。对于随机误差， 也可根据其统计模型进行有效的修正。 （3）能对被测参数进行较复杂、精确的计算和处理，因而大大提 高了测量精度。 （4）能对被测参数进行进行逻辑判断，一旦发生故障，能及时进 行报警（或采取容错技术)。 （5）微型机数据处理系统不但精度高，而且稳定可靠，不受外界 干扰。
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一、程序判断滤波
经验说明，许多物理量的变化都需要一定的时间，相邻两次采样 值之间的变化有一定的限度。程序判断滤波的方法，是根据生产经验， 确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差△Y。若超过此偏差 值，则表明该输入信号是干扰信号，应该去掉；如小于此偏差值，可将 该信号作为本次采样值。 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，可采用程序判断法进行滤波。 程序判断滤波根据滤波方法的不同，可分为限幅滤波和限速滤波两 种。
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第一节 查表技术
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在微型机控制系统中，有些参数的计算是非常复杂的，还有 一些非线性参数，它们的计算往往要涉及到指数、对数、三角函 数、以及积分、微分等运算。所有这些运算用汇编语言编写程序 都比较复杂，有些甚至无法建立相应的数学模型。为了解决这些 问题，可以采用查表法。 查表法——把事先计算或测得的数据按一定顺序编制成表 格，由查表程序根据被测参数的值或者中间结果，查出最终所需 要的结果。 查表的方法有： (1)顺序查表法；(2)计算查表法；(3)对分搜索法等。
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1．限幅起波
把两次相邻的采样值相减，求出其增量(以绝对值表示)，然后与两 次采样允许的最大差值(由被控对象的实际情况决定) △Y进行比较，若 小于或等于△Y，则取本次采样值；若大于△Y，则仍取上次采样值作为 本次采样值，即； |Y(k)－Y(k-1)|≤△Y， |Y(k)－Y(k-1)|＞△Y， 则Y(k)＝Y(k)，取本次采样值； 则Y(k)＝Y(k-1)，取上次采样值。
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第六章 过程控制数据处理方法
二、计算查表法
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三、对分查表法
顺序查表法速度比较慢，计算查表法对表格的要求比较挑剔，因而 都具有一定的局限性。 在实际应用中，很多表格都比较长，且难以用计算查表法进行查 找，但它们一般都能满足从大到小或从小到大的排列顺序。对于这样的 表格，可以采用对分查表法，这是一种快速而有效的方法。 对分查表法的速度要比顺序查表法快很多倍。设一个线性表字节长 度为n，若采用顺序查表法，平均查找次数m近似等于n／2次，而对分 查表法的最多查找次数约为log2n－1次。例如当n＝2048时，顺序查表法 平均查找次数为1024次，而采用对分查表法最多只需查找9次即可。
第六章 过程控制数据处理方法
主讲老师：胡汉春
西南交通大学机械工程学院
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在微型机控制系统及智能化仪表中，模拟量经A／D转换器转换后 变成数字量送入计算机，这些数字量在进行显示、报警及控制之前，还 必须根据需要进行一些加工处理，如数字滤波、标度变换、数值计算、 逻辑判断及非线性补偿等，以满足各种不同系统的需要。 在数据处理系统中，被测参数与变量的关系： 1、线性关系，如温度只与热电偶的mV值成比例。 2、参数与几个需测变量相关，经过一定的数学运算才能得到被测 参数，如流量计算公式：
这种程序滤波方法，主要用于变化比较缓慢的参数，如温度、物位 等测量系统。使用时关键问题是最大允许误差△Y的选取，△Y太大，各 种干扰信号将“乘机而入”，使系统误差增大：△Y太小，又会使某些有 用信号被“拒之门外”，使计算机采样效率变低。
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2．限速滤波
设 顺 序 采 样 时 刻 t1、t2、t3， 所 采 集 的 参 数 分 别 为 Y(1)、Y(2)、 Y(3)，那么 当|Y(2)—Y(1)|≤△Y时，Y(2)输入计算机； 当|Y(2)—Y(1)|＞△Y时，Y(2)不采用，但仍保留，继续采样取得 Y(3)； 当|Y(3)—Y(2)| ≤△Y时，则取Y(3)输入计算机； 当|Y(3)—Y(2)|＞△Y时，则取(Y(3)+Y(2))／2输入计算机。 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。但这种方法也有明显的缺点，第一是△Y的确定不 够灵活，不能根据现场的情况不断更换新值；第二是不能反应采样点数 N＞3时各采样数值受干扰情况。因此，它的应用受到一定的限制。
1 Y (k ) = N
∑ x(i)
iwenku.baidu.com=1
N
式中， Y (k ) ——第 k 次N个采样值的算术平均值； x（i）——第i次采样值；N——采样次数。
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三、算术平均值滤波
算术平均滤波主要用于对压力、流量等周期脉动的参数采样 值进行平滑加工，但对脉冲性干扰的平滑作用尚不理想，因而它 不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。 采样次数N，取决于对参数平滑度和灵敏度的要求。随着N值 的增大，平滑度将提高，灵敏度降低。通常对流量参数滤波时， N取12次，对压力取4次，至于温度，如无噪声干扰可不用平均滤 波。
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用来完成上述数据处理任务的主要靠软件。在工业过程控制系统 中，最常用的软件设计方法有：汇编语言、C语言、及工业控制组态软 件。 汇编语言编程灵活，实时性好，便于实现控制； C语言是一种功能很强的语言，特别是Visual C++是一种面向对象 的语言，用它编写程序非常方便，而且它还能很方便的与汇编语言进行 接口； 工业控制组态软件是专门为工业过程控制开发的软件，使用这种软 件将给程序设计者带来极大的方便。 通常，在智能化仪器或小型控制系统中大多数都采用汇编语言，在 使用工业PC的大型控制系统中多使用VC++；在某些专用大型工业控制 系统中，常常带有工业控制组态软件。
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第六章 过程控制数据处理方法
中值滤波程序设计
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三、算术平均值滤波
算术平均值滤波是要寻找一个Y(k)，使该值与各采样值间误差的平 方和为最小，即
S = min[∑ e 2
i =1 N
N
= min ∑ [Y (u ) − X (i )]
i =1
2
由一元函数求极值原理，得
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中值滤波程序设计
将N个数据按大小顺序排队作法：数据两两进行比较，设[BX] 存放数据区首地址，先将[BX]与[(Bx)+1]进行比较，若是[BX]＜ [(Bx)+1]，则不交换存放位置，否则将两数位置对调。继而再取 [(Bx)+1]与[(Bx)+2]比较，判断方法亦然，直到最大数沉底为 止。然后再重新进行比较，把次大值放到N－1位，……如此做下 去，则可将N个数从小到大顺序排列。 设从A／D转换器的采样值输入SAMP为首地址的内存单元中， 采样次数存放在N单元中，其流程图如图6-4所示。
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第六章 过程控制数据处理方法 数字滤波器与模拟RC滤波器相比，具有如下优点：
(1)无需增加任何硬设备，只要在程序进入数据处理和控制算法之 前，附加一段数字滤波程序即可。 (2)由于数字滤波器不需增加硬设备，所以系统可靠性高，不存在 阻抗匹配问题。 (3)模拟滤波器通常是各通道专用，而数字滤波器则可多通道共 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，而模拟滤波器由 于受电容的限制，频率不可能太低。 (5)使用灵活、方便，对根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤 波器的参数。
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三、对分查表法
对分查表法的具体方法——先取数组的中间值D＝n／2进行 查找，与要搜索的x值进行比较，若相等，则查到。若不等，则 继续查找：（设数据从小到大的顺序存储） 如果x＞n／2项，则下一次取n／2～n间的中值，即3/4n进行 比较； 若x＜n／2项，则取0～n／2 的中值，即ｎ／4进行比较。 如此比较下去，则可逐次逼近要搜索的关键字，直到找到为 止。
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第六章 过程控制数据处理方法 对分查表法子程序的设计步骤如下：
（1）表的长度放在CX寄存器中。 （2）设表的首地址为TABLEl，并存放在DI寄存器中。 （3）要搜索的关键字放在AX寄存器中。 （4）计算中点元素的地址，放在BX寄存器中。 （5）将关键字AX与中点元素的值进行比较 若(AX)＜[BX]，则选取低值的半个表(即DI为首地址)，并转第(4)步； 若(Ax)＞[BX]，则选取高值的半个表(即BX为首地址)，并转第(4)步； 若(AX)＝[BX]，则找到，使CF＝l，并将该元素的首地址放在BX寄存 器中。
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第六章 过程控制数据处理方法 对分查表法子程序的设计
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第二节 数字滤波技术
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在工业过程控制系统中，由于被控对象所处环境比较恶 劣，常存在干扰源，如环境温度、电场、磁场等，使采样值偏 离真实值。 对于各种随机出现的干扰信号，在微型机组成的自动检测 系统中，常通过一定的计算程序，对多次采样信号构成的数据 系列进行平滑加工——数字滤波，以提高其有用信号在采样值 中所占的比例，减少乃至消除各种干扰及噪音，从而保证系统 工作的可靠性。
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第六章 过程控制数据处理方法
2．限速滤波
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第六章 过程控制数据处理方法
二、中值滤波
中值滤波是对某一参数连续采样n次(一般n取奇数)，然后把 n次的采样值从小到大，或从大到小排队，再取其中间值作为本 次采样值。 中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造 成的误差所引起的脉动干扰比较有效。若变量变化比较缓慢，采 用中值滤波效果比较好，但对快速变化过程的参数，如流量，则 不宜采用。
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四、加权平均值滤波
算术平均值，对于N次以内所有的采样值来说，所占的比例是相同 的。亦即滤波结果取每次采样值的1／N。但有时为了提高滤波效果， 将各采样值取不同的比例，然后再相加。此方法称为加权平均法。一 个n项加权平均式为：
Y = ∑ Ci X n −1
i =0
n −1 i =0