第五章 数据预处理技术

提示：在滑动平均值滤波开始Βιβλιοθήκη Baidu，要先 提示：在滑动平均值滤波开始时， 采集N个数据存放在缓冲区中， 采集N个数据存放在缓冲区中，然后再 做滑动平均值滤波。 做滑动平均值滤波。
特点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高， 特点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵 敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰抑制作用差， 敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰抑制作用差，不易 消除由于脉冲干扰引起的采样值偏差。所以不适合脉冲 消除由于脉冲干扰引起的采样值偏差。所以不适合脉冲 干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡系统。 干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡系统。
2．中值滤波法
中值滤波法的原理是对被测参数连续采样m (m≥3)且是奇数， 中值滤波法的原理是对被测参数连续采样m次(m≥3)且是奇数， 且是奇数 作为本次采样的有效数据。 并按大小顺序排列； 取中间值作为本次采样的有效数据 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:中值滤波法对脉冲干扰信号等偶然因素引发的干扰有 特点:中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、 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、 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值滤波法 中值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果会 中值滤波法和平均值滤波法结合起来使用， 中值滤波法和平均值滤波法结合起来使用 更好。即在每个采样周期，先用中值滤波法得到m 更好。即在每个采样周期，先用中值滤波法得到m个滤波 再对这m个滤波值进行算术平均， 值，再对这m个滤波值进行算术平均，得到可用的被测参 也称为去脉冲干扰平均值滤波法 去脉冲干扰平均值滤波法. 数。也称为去脉冲干扰平均值滤波法.
N值设定的工程经验值为： 值设定的工程经验值为：
参数 N值
流量 12
压力 4
液面 4～12
温度 1～ 4
4．程序判断滤波法
（1）限幅滤波 是滤掉采样值变化过大的信号。 限幅滤波 是滤掉采样值变化过大的信号。 是把相邻两次的采样值相减， 限幅滤波的方法 是把相邻两次的采样值相减，求出其增 量（绝对值），然后与两次采样允许的最大差值（据情况而 绝对值），然后与两次采样允许的最大差值（ ），然后与两次采样允许的最大差值 进行比较，若小于或等于⊿ 则取本次的采样值； 定）⊿Y进行比较，若小于或等于⊿Y ，则取本次的采样值； 若大于⊿ 则仍取上次的采样值作为本次的采样值。 若大于⊿Y ，则仍取上次的采样值作为本次的采样值。即 Y(k-1)|≤⊿ Y(k)=Y(k)， 若|Y(k) - Y(k-1)|≤⊿Y ，则Y(k)=Y(k)，取本次采样值 Y(kY(k)=Y(k-1)， 若|Y(k) - Y(k-1)| > ⊿Y ，则Y(k)=Y(k-1)，取上次采样值 说明： 的大小取决于采样周期T 值的变化动态响应。 说明：1）⊿Y 的大小取决于采样周期T及Y值的变化动态响应。 主要用于变化比较缓慢的参数， 2）限幅滤波的应用系统 是主要用于变化比较缓慢的参数， 如温度、液位等测量系统。 如温度、液位等测量系统。 使用时最大允许误差⊿ 的选取， 3）使用时最大允许误差⊿Y的选取，可根据经验数据或实验 得出。 太大，各种干扰信号将“乘机而入” 得出。 ⊿Y 太大，各种干扰信号将“乘机而入”，使系统误 差增大； 太小，又会使一些有用信号“拒之门外” 差增大； ⊿Y 太小，又会使一些有用信号“拒之门外”，使 计算机采样效率变低。 计算机采样效率变低。
第五章 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 传感器把生产过程的信号转换成电信号，然后用A 把模拟信号变成数字信号，读入计算机中，完成数据的采集。 把模拟信号变成数字信号，读入计算机中，完成数据的采集。 对于这样得到的数据，一般要进行一些预处理，其中最基本 对于这样得到的数据，一般要进行一些预处理， 的处理有数字滤波 线性化处理、标度变换和 数字滤波、 的处理有数字滤波、线性化处理、标度变换和系统误差的自动校 准。
1、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～ 算术平均值法是对输入的N个采样数据xi(i=1～ xi(i=1 N)，寻找这样一个y 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， 方和为最小，使
N 2 E = min ( y xi ) i=1
在RAM区中设置一个先进先出的循环队列作测量数据缓冲 RAM区中设置一个先进先出的循环队列作测量数据缓冲 区中设置一个先进先出 其长度固定为N 每采样一个新数据，就将其存入队尾， 区，其长度固定为N，每采样一个新数据，就将其存入队尾， 而丢掉原来队首的一个数据，而后求出包括新数据在内的N 而丢掉原来队首的一个数据，而后求出包括新数据在内的N个 数据的算术平均值。这样每进行一次采样， 数据的算术平均值。这样每进行一次采样，就可计算出一个新 的平均值，从而提高了系统响应速度和测量精度。 的平均值，从而提高了系统响应速度和测量精度。
3.
滑动平均值法滤波 算术平均值滤波与加权平均值滤波的缺点， 算术平均值滤波与加权平均值滤波的缺点， 都需要连续采样N个数据， 都需要连续采样N个数据，然后求算术平均值 或加权平均值。 或加权平均值。这种方法适合于有脉动式干扰 的场合。但由于采样N个需要的时间较长，故 采样N 的场合。但由于采样 个需要的时间较长， 检测速度较慢。滑动平均值滤波可克服此缺点。 检测速度较慢。滑动平均值滤波可克服此缺点。
5.1
数字滤波
所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序 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 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。 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: 与模拟滤波器相比，有以下几个优点: 1、数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以 数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备， 可靠性高，稳定性好。 可靠性高，稳定性好。 2、数字滤波可以对频率很低(如0.01HZ)的信号实现滤波， 数字滤波可以对频率很低( 0.01HZ)的信号实现滤波， 的信号实现滤波 克服了模拟滤波器的缺陷。 克服了模拟滤波器的缺陷。 3 、 数字滤波器可以根据信号的不同 ， 采用不同的滤波方 数字滤波器可以根据信号的不同， 法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。 法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。 可以多个通道共享。 4、可以多个通道共享。 主要数字滤波算法：算术平均值法、中值滤波法、 主要数字滤波算法：算术平均值法、中值滤波法、滑动 平均值滤波、程序判断滤波法、惯性滤波法 平均值滤波、程序判断滤波法、
∑
N
由一元函数求极值原理可得： 由一元函数求极值原理可得：
1 y= N
∑
i =1
xi
例：某压力仪表采样数据如下： 某压力仪表采样数据如下： 序 号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
采样值
24 25 20
27 24 60
24 25 26 23
采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。 采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。 被干扰现象 采用算术平均值滤波后，其采样值为： 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 26+23)/10=28 干扰被平均到采样值中去了
（2）限速滤波 限速滤波 也是滤掉采样值变化过大的信号 限速滤波有时需要三次采样值来决定采样结果 1）限速滤波的方法 当|Y(2) - Y(1)| > ⊿Y 时，不是取 Y(1)作为本次的采样值 而是再采样一次， Y(3)， 作为本次的采样值， Y(1)作为本次的采样值，而是再采样一次，取Y(3)，然后根据 的大小关系，来决定本次的采样值。 |Y(3) - Y(2)| 与⊿Y 的大小关系，来决定本次的采样值。 设顺序采样时刻t1 t2、t3所采集到的数据分别为Y(1)、 t1、 所采集到的数据分别为Y(1) 设顺序采样时刻t1、t2、t3所采集到的数据分别为Y(1)、 Y(2)、 Y(2)、Y(3) Y(1)|≤⊿ 采用Y(2) 当|Y(2) - Y(1)|≤⊿Y 时，采用Y(2) 当|Y(2) - Y(1)| > ⊿Y 时，不采用Y(2) ，但保留，继续采样取 不采用Y(2) 但保留， 得Y(3) Y(2)|≤⊿ 采用Y(3) 当|Y(3) - Y(2)|≤⊿Y 时， 采用Y(3) 则取(Y(3) Y(2))/2为采样值 当|Y(3) - Y(2)| > ⊿Y 时，则取(Y(3) + Y(2))/2为采样值 既照顾了采样的实时性， 2）限速滤波的特点 既照顾了采样的实时性，又顾及了采 样值变化的连续性。不足之处：一是不够灵活， 样值变化的连续性。不足之处：一是不够灵活，二是不能反映采 样点数大于3时各采样数值受干扰情况。故应用受到限制。 样点数大于3时各采样数值受干扰情况。故应用受到限制。
例：某压力仪表采样数据如下： 某压力仪表采样数据如下： 序 号 1
2
3
4
5
6
7
8
9
24 25 20
采样值
27 24 60
24 25 26
采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。 采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。 被干扰现象 对1、2、3次采样中值滤波后值：24 次采样中值滤波后值： 对4、5、6次采样中值滤波后值：27 次采样中值滤波后值： 对7、8、9次采样中值滤波后值：25 次采样中值滤波后值： 采用去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：25 采用去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：
特点： 特点： 1）N值决定了信号平滑度和灵敏度。随着N的增大，平滑度 值决定了信号平滑度和灵敏度。随着N的增大， 提高，灵敏度降低。应该视具体情况选择N 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。 的滤波效果。 2）对每次采样值给出相同的加权系数，即1/N。在不同采样 对每次采样值给出相同的加权系数， 1/N。 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 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。 样值在平均值中的比重，可采用加权平均值滤波法。滤波公 式为： 式为：Y=R0Y0+ R1Y1+ R2Y2+…+ RmYm。 + 3）平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号， 平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号， 但对偶然出现的脉冲干扰信号，滤波效果尚不理想。 但对偶然出现的脉冲干扰信号，滤波效果尚不理想。
5.1 5.2 5.3
数字滤波 线性化处理和非线性补偿 标度变换
概
述
微机进行数据处理是一项基本工作。在控制系统及智能 微机进行数据处理是一项基本工作。 化仪器中，用微机进行数据处理是必须的、并且是大量的。 化仪器中，用微机进行数据处理是必须的、并且是大量的。 微机处理数据的基本内容：数字滤波、数值计算、 微机处理数据的基本内容：数字滤波、数值计算、标度 变换、非线性补偿、数据修正、数据分析、逻辑判断，以及 变换、非线性补偿、数据修正、数据分析、逻辑判断， 数据查询、数据统计、数据交换、数据利用等。 数据查询、数据统计、数据交换、数据利用等。 微机处理数据较模拟电路有许多优点： 微机处理数据较模拟电路有许多优点： 可实现硬件电路的各种运算。如四则运算、滤波等。 1、可实现硬件电路的各种运算。如四则运算、滤波等。 能进行误差修正、信号处理。如线性补偿、温度误差、 2、能进行误差修正、信号处理。如线性补偿、温度误差、 零点漂移、随机误差等。 零点漂移、随机误差等。 能进行复杂的运算。如开方、各种复杂函数的计算、 3、能进行复杂的运算。如开方、各种复杂函数的计算、 各种方程的求解等。 各种方程的求解等。 能够进行逻辑判断、错误处理。如错误检测、 4、能够进行逻辑判断、错误处理。如错误检测、故障判 并做出相应处理、报警，甚至能够修改结构参数， 断，并做出相应处理、报警，甚至能够修改结构参数，带故 障工作等。 障工作等。 精度高、稳定可靠、不受干扰。 5、精度高、稳定可靠、不受干扰。