第2章 输入输出通道及接口技术(陈立功)v52

x(k) x(k) x(k 1) ，是指本次采样值与上次采样值间的增量；
x(k 1) x(k 1) x(k) , 重新采样后的采样值与本次采样值间的增量
含义
若 x(k) X，则认为本次采样有效，取本次采样值x(k)作
为滤波器输出，否则再重新采样一次，得到新的采样值x(k+1)，
若 x(k 1) X ，则表明x(k+1)值接近x(k)，则用x(k+1)作为滤波器
续取M字节数据，即为对应参数Em的Tm值。
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2章28-23
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2.5.2 工程量线性转换
工程量转换（标度变换）
为了进行显示、打印、记录或报警，必须把数字量转换 为具有不同量纲的数值，以使操作人员进行监视和管理。
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2.4.4 程序判断滤波
根据处理方法不同，可分为两种
一、限幅滤波
算法算式
y(k)
x(k ) x(k 1)
， ，
x(k ) x(k )
x(k x(k
1) 1)
X X
含义
若本次采样值x(k)与上次采样值x(k-1)的增量的绝对值
小于或等于最大允许偏差ΔX，则取本次采样值为滤波器输
出，否则认为是干扰造成的，把上次采样值x(k-1)作为本次
滤波器输出。
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2章28-11
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2.4.4 程序判断滤波
二、限速滤波
算法算式 ： x(k)
，
y(k) x(k 1)
，
(x(k) x(k 1)) 2，
式中：
x(k) X x(k) X且 x(k 1) X x(k) X且 x(k 1) X
数字滤波的优点
（1）数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，可 以多个通道“共用”一个滤波程序，各回路间不存在阻抗匹 配等问题。而且可靠性高、稳定性好、还可以节约投资；
（2）数字滤波能对频率很低（如0.01Hz）的信号实现滤波， 而模拟滤波时，则因R或C选得太大而无法实现；
（3）要改变滤波方法只需修改滤波程序，因而灵活方便。
非线性产生原因
受模拟量输入通道中各元器件的影响，使得计算机采 集到的数字量与它所代表的物理量不一定成线性关系。但一 般主要考虑传感器的非线性问题 。
线性化处理
指为了显示和进行数据处理的方便 ，引入非线性补偿， 将非线性关系转化成线性关系的过程。
线性化处理方法
一、数学方程式法（计算法）
二、折线法
三、查表法
X(s) C Y(s) RC滤波器
对应的微分方程为:
Tf
dy(t) dt
y(t)
x(t)
离散化后，得到其差分方程为:
y(k) y(k 1)
Tf
T
y(k) x(k)
整理得一阶惯性滤波的算式： y(k) y(k 1) (1)x(k)
其中:
T Tf T
称为滤波系数，0<α<1； T为采样周期；
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第2章 输入输出通道及接口技术
原因
反映现场工况的信号类型 1.模拟量：连续变化的物理量 2.数字量 ①以二进制或ASCII码形式 ②两个状态的量，通常可用一位二进制数表示 ③脉冲量
计算机能够接受的信号类型 数字量
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2章28-1
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➢ 一般来说，对于变化缓慢的参数，可选用程序判断滤波 及惯性滤波；而对于变化较快的信号，则可选用算术平均滤 波和加权平均滤波；对要求较高的系统可选用复合滤波。在 滤波效果相同的情况下，应选用执行时间短的程序。
➢ 不适当地应用数字滤波（例如把真实的参数波动也滤掉 了）反而会降低控制效果，以至适得其反，造成控制系统不 稳定，因此必须加以注意。
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2章28-5
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数字滤波方法
1 算术平均值滤波 2 中值滤波 3 加权平均滤波 4 程序判断滤波 5 惯性滤波 6 滑动平均值滤波 7 复合滤波 8 小结
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2章28-6
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2.4.1 算术平均值滤波
1.建表
将E0~En划分为n个区域，且Ei= E0 + i*N , i=0,1,2,……n 确定连续内存区S0~Sn 用来存放与E0~En对应的T0~Tn，且
Si= S0 + i*M, i=0,1,2,……n M—每个内存区所占字节数。
2.查表
设有待查参数Em，由i = (Em- E0)/N 可知： Si= S0 + i*M 即从内存Si处连
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2章28-19
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一、数学方程式法（计算法）
前提
参数间的非线性关系可以用数学方程式来表示
例如在一般情况下，常见的温度与热电偶电势的关系
（T—E源自文库系）可用下式表示：
T a0 a1E a2E 2 an E n
式中:T——被测温度； E——热电偶的测量热电势； a0 、a1 …an—热电偶材料系数(不同的热电偶，ai不同)
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输入输出通道
即I/O通道，指在计算机和工业对象(过程)之间所 设置的信息传递和转换的连接装置。
I/O通道的分类
➢ 检测通道 ①模拟量输入通道（AI) ②数字量输入通道（DI)
➢ 控制通道 ①模拟量输出通道（AO) ②数字量输出通道（DO)
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2章28-2
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2.4.4 程序判断滤波
基本思路
根据现场经验或生产工艺机理的分析确定出 两次采样输入信号之间可能出现的最大偏差ΔX， 若超过ΔX，则表明该次输入信号受到严重干扰， 应该去掉；反之，该次采样信号有效。
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2章28-10
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由该线段两端的T、E值及Ex值用上式算出相应的温度。
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2章28-22
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三、查表法
原理
将事先计算好的数据按一定顺序编制成表格存入计算机，
查表程序的任务就是根据被测参数的值（或中间计算结果），
查出最后所需结果。
实现步骤
假设参数E和T存在非线性关系，现根据参数E取T的值
实际应用中，方程所取项数n≤4，即
T a0 a1E a2 E 2 a3 E 3 a4 E 4 将上式修改可得如下形式：
T a0 (a1 (a2 (a3 a4E)E)E)E
根据上式可以方便地用程序实现。
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2章28-20
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二、折线法
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第2章 输入输出通道及接口技术
§ 2.1 模拟量输入通道(AI) § 2.2 模拟量输出通道(AO) § 2.3 数字量输入输出通道(DI、DO) § 2.4 数字滤波技术 § 2.5 数据处理
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2章28-3
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§ 2.4 数字滤波
前提：只能以某种实验方法得到非线性规律的变化曲线。
原理
将该曲线按一定要求分成若干段，然后把相邻分段点用 折线连接起来 ，用此折线拟合该段的曲线，即用多段折线代 替曲线。
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2章28-21
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二、折线法
方法
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某段折线的关系用直线方程来表示
T
Tx 式中：
输出，否则，就以 (x(k) x(k 1)) 2 作为滤波器输出。
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2章28-12
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2.4.4 程序判断滤波
适用场合
变化较慢的参数，对抑制带有随机性的干扰较有效
注意
该滤波方法的关键在于最大允许偏差ΔX的确定， 往往需经大量的观测和实验才能确定。
基本思路
连续采样n次，把n次采样的算术平均值作为本采样时刻 t=kT时滤波器的输出。
算法算式
y(k) 1 n1 x(k i) n i0
式中: y(k) —— 第kT采样时刻滤波器的输出；
x(k-i) —— 第i 次采样;
n——总的采样次数。n↑，平滑度↑，灵敏度↓。 一般
对于流量n=12，压力n=4，温度成分n可取更小。
适用场合
抑制具有周期性干扰信号的变化快的参数，如流量、压力，
其值总在某一数值范围内波动，即周期性脉动信号。
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2章28-7
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2.4.2 中值滤波
基本思路
对某一个被测参数连续采样n次（n为奇数，且一般取3～ 9），然后按大小顺序排列，从中选取一个大小居中的采样值 作为滤波的输出。
滤波
就是从所要测量的信号中除去干扰信号的过程。
数字滤波
它是利用一定的计算程序减少干扰在有用信号中的比重， 消除随机误差，同时对信号进行必要的平滑处理，以保证系 统的正常运行，所以是一种 程序滤波或软件滤波 。
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2章28-4
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§ 2.4 数字滤波
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2.4.3 加权平均值滤波
基本思路
算术平均滤波中，n次采样值在输出结果中所占比重是相同
的，即每次采样均具有相同的加权因子，用这样的滤波算法，对于 时变信号会产生滞后，且n越大，滞后越严重。所以为了增加新采 样数据在结果中的比重，一般对应愈新的采样值，其权值愈大 。
算法算式
n1
y(k ) ai x(k i)
x(k)为本次 采样输入； y(k)、y(k-1)为本次和上次滤波输出。
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2章28-14
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计算机控制技术
2.4.6 滑动平均值滤波
基本思路
先在RAM中建立一个数据缓冲区，依顺序存放N个采
样数据，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数据丢 掉，而后求包括新数据在内的N个数据的算术平均值或加 权平均值。
i0
其中a0、a1、a2、……an-1为加权系数，为常数，且满足以下条件
a0 + a1 + a2 + …… + an-1 = 1
a0 > a1 > a2 > …… > an-1
常系数的选取有多种方法，其中最常用的是加权系数法。
适用场合：较大纯滞后时间常数τ的对象和采样周期较短的系统。
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2章28-9
Ti 1
Ti Ei
Ti1 Ei1
(Ex
Ei1 )
Ti 1
ki
(Ex
Ei1 )
TX——由Ex换算所得的温度；
E
Ex——测量热电势；
Ei，Ei-1——Ex所在折线段两端的热电势；
Ti，Ti-1——Ex所在折线段两端的温度；
Ki——第i个折线段的斜率。
实际应用时，由测量值Ex的大小选择其所在的折线段，
大值和最小值，再把剩余的采样值进行平均，所得的结果为 本次滤波器的输出。
优点
既能防止脉冲干扰的影响，又能使周期性干扰得到平滑 处理，兼具算术平均滤波和中值滤波的优点，对快变和慢变 参数都有抑制干扰的作用。
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2章28-16
电气工程与自动化系----LgcAche
2.4.8 小结
计算机控制技术
种类
根据处理方法不同，可分为两种
1、滑动算术平均值滤波
2、滑动加权平均值滤波
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2章28-15
电气工程与自动化系----LgcAche
计算机控制技术
2.4.7 复合滤波
基本思路
把两种以上的滤波方法结合起来，构成复合滤波。
防脉冲干扰的算术平均滤波:(算术平均滤波+中值 滤波)
对连续采集的多个采样值按大小顺序排序，然后去掉最
算法算式 若n=3 ，则为
适用场合
y(k)= x2
(x1 <x2 <x3)
滤去由于偶然因素引起的波动或由采样开关或A/D转换器 等工作不稳定造成的误码所引起的脉冲干扰。对变化缓慢的被 测参数，如温度、液位、成分等，能收到很好的滤波效果。
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2章28-8
电气工程与自动化系----LgcAche
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2章28-17
电气工程与自动化系----LgcAche
计算机控制技术
§ 2.5 数据处理
2.5.1 线性化处理及非线性补偿 2.5.2 工程量线性转换 2.5.3 越限报警处理 2.5.4 字长的选择
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2章28-18
电气工程与自动化系----LgcAche
计算机控制技术
2.5.1 线性化处理及非线性补偿
2.4.5 惯性滤波（一阶滞后滤波）
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2章28-13
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计算机控制技术
基本思路：动态滤波方法，如一阶惯性方法，该方法是根据
硬件RC低通滤波的特性而确定的一种数字滤波算法。
推导过程
R
硬件RC滤波器的传递函数为
Y (s) 1 X (s) 1 Tf s
其中 Tf = RC，为滤波器的滤波时间常数。