数据处理方法介绍

第五章数据处理方法

5.1概述

在智能仪表及微型机控制系统中，模拟量经A/D转换器转换后变成数字量送入计算机，此数字量在进行显示、报警及控制计算之前，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、逻辑判断以及非线性补偿等等，以满足各种系统的不同需要。

另外，在实际生产中，有些参数不但与被测量有关，而且是非线性关系，其运算式不但有四则运算，而且有对数、指数、或三角函数运算，这样用模拟电路计算更加复杂，可用计算机通过查表及数值计算等，使问题大为简化。由此可见，用计算机进行数据处理是一种非常方便而有效的方法，因而得到了广泛的应用。

与常规的模拟电路相比，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，甚至完全不需要硬件；

2、可以增加或改变信号处理技术（如数字滤波等），而无需

增加新的硬件；

3、微型机数据处理系统不但精度高，而且稳定可靠，不受外

界温度变化的影响；

4、不但能对数据进行算术运算，而且具有逻辑判断功能。

5.2数字滤波程序的设计

数字滤波器与模拟RC滤波器相比，具有如下优点：

1、不需增加任何硬设备，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要增加硬件设备，所以系统可靠性

高，不存在阻抗匹配问题。

3、模拟滤波器通常是每个通道都有，而数字滤波器则可以多

个通道共用，从而降低了成本。

4、可以对频率很低的信号进行滤波，而模拟滤波器由于受电

容容量的影响，频率不能太低。

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。

正因为数字滤波器具有上述优点，所以在计算机控制系统中得到了广泛的应用。

数字滤波的方法有各种各样，可以根据不同的测量参数进行选择，下面介绍几种常用的数字滤波方法：

1． 程序判断滤波

当采样信号由于随机干扰和误检测或者变送器不稳定而引起严重失真时，可采取程序判断滤波。

程序判断滤波的方法，是根据生产经验，确定出两次采样输入信号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；若小于此片材值，可将信号做为本次采样值。

程序判断滤波根据其方法的不同，可分限幅滤波和限速滤波两种。下边主要介绍限幅滤波。

限幅滤波就是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，如果小于或等于Y ∆，则取本次采样值；如果大于Y ∆，则仍取上次采样值作为本次采样值，即：

()(1)()()()(1)()(1)()(1)Y k Y k Y Y k Y k Y k Y k Y Y k a X k aY k a T

ττ--≤∆=-->∆=-+-=

+()(1)Y k Y k Y

--≤∆

则 ()()Y k Y k =，取本次采样值

()(1)Y k Y k Y

-->∆ 则 ()(1)Y k Y k =-，取

上次采样值

式中，()Y k —第k 次采样值； (1)Y k -—第k-1次采样值；

Y ∆—两次采样值所允许的最大偏差，其大小取决于采样周期

T 及Y 值的变化动态响应。

2．中值滤波程序

所谓中值滤波就是对某一个被测参数连续采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，再取中间值作为本次采样值。 3．算术平均滤波程序

该方法是把N 个采样值相加，然后取其算术平均值作为本次采样值，即

1

1

()()i Y k X i 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。

4．一阶滞后滤波程序

前面的几种滤波方法基本上属于静态滤波，主要适用于变化过程比较快的参数，如压力、流量等。但对于慢速随机变量采用在短时间内连续采样求平均值的方法，其滤波效果不够理想。为了提高滤波效果，通常可采用动态滤波方法，即一阶滞后滤波方法，其表达式为 ()

(1)()(1)Y k a X k aY k =-+-

式中，()X k —第k 次采样值;

(1)Y k -—上次滤波结果输出值； ()Y k —第k 次采样后滤波结果输出值；

a — 滤波平滑系数a T

ττ=

+

τ—滤波环节的时间常数；

T —采样周期

通常采样周期远小于滤波环节的时间常数，也就是输入信号的频率快，而滤波环节时间常数相对地大，这是一般滤波器的概念，所以这种滤波方法相当于RC 滤波器。

τ、T 的选择可根据具体情况确定。一般τ愈大，滤波的截至频率愈低，相当于RC 滤波器的电容增大，但电容的增加是有限的，而这里的τ则可任意选取，这也是数字滤波器能够作为低通滤波器的原因。

5．复合滤波程序

有时为了进一步增强滤波效果，常常采用复合滤波程序，即把两种以上的滤波方法结合起来使用，如把中值滤波和算术平均值滤波两种方法结合起来，则可得到一种复合滤波程序，其方法是把采样值首先按大小进行排队，然后去掉最大值和最小值，再把剩下的值逐个相加，最后取平均值。

也可采用所谓双重滤波。即把采样值经过一次滤波（如低通滤波）后，再经过一次低通滤波，这样，结果将更近于理想值，这实际上相

当于多级RC 滤波器。

对于多级数字滤波，根据式（5—5）可知： 第一级滤波

()(1)()Y k AY k BX k =-+ （5—6）

式中，A 、B 均为与滤波环节的时间常数及采样时间有关的常数。 再进行一次滤波，则

()(1)()z k Az k By k =-+ （5—7）

式中，()z k —数字滤波器的输出值；

z(k-1)—上次数字滤波器的输出值： 将式（13-6）代入(13-7)得 z(k)=Az(k-1)+ABY(k-1)+B 2X(k)

(5-8)

将（13-7）移项，并将k 改为k-1，则 z(k-1)-A(k-2)=BY(k-1) 将BY(k-1)代入式（5-8），得

z(k)=2Az(k-1)-A 2z(k-2)+B 2X(k) (5-9)