计算机测控技术与系统第4章-计算机测控系统的数据处理课件.ppt

1、2022-7-281第第4 4章章 计算机测控系统的数据处理计算机测控系统的数据处理学习目标：学习目标：l了解测控系统中误差校正和量程切换的基本方了解测控系统中误差校正和量程切换的基本方法法l掌握测控系统中线性标度变化的方法掌握测控系统中线性标度变化的方法l掌握测控系统中常用的数字滤波方法掌握测控系统中常用的数字滤波方法l了解目前工业测控系统中常用的非线性校正方了解目前工业测控系统中常用的非线性校正方法法2022-7-2824.1 4.1 误差校正与量程切换误差校正与量程切换1 1.软件校正方法软件校正方法（1 1）系统误差的全自动校正方法）系统误差的全自动校正方法 校准电路原理如图，其输入部

2、分设有一个多路转换开关，系统在刚上校准电路原理如图，其输入部分设有一个多路转换开关，系统在刚上电时或每隔一定时间，自动校准一次。具体方法是：先将开关接地，测出电时或每隔一定时间，自动校准一次。具体方法是：先将开关接地，测出零输入时的测量输入值零输入时的测量输入值X X0 0；然后将开关接基准电压；然后将开关接基准电压V VR R，测出此时的测量输，测出此时的测量输入值入值X X1 1，注意，注意:X:X0 0、X X1 1是与实际输入值对应的含有误差的输入测量信号。是与实际输入值对应的含有误差的输入测量信号。2022-7-283 如果测量输入信号如果测量输入信号X X与系统实际输入值与系统实际

3、输入值Y Y的关系是线性的，即：的关系是线性的，即：Y=Y=a+bXa+bX ,可得到两个误差方程可得到两个误差方程010bxabxaVR解上面的方程组，有解上面的方程组，有 100 xxxVaR01xxVbR从而可得到对实际输入值的校正公式从而可得到对实际输入值的校正公式010)(xxxxVyR式中式中X X为测控系统正常工作时与实际输入值对应的输入测量信号。校正后的为测控系统正常工作时与实际输入值对应的输入测量信号。校正后的Y Y值与放大器的零点漂移产生的放大电路增益变化无关，与基准电压值与放大器的零点漂移产生的放大电路增益变化无关，与基准电压V VR R的精度的精度也无关，就是测控系统的

4、实际输入值，不含有系统误差。也无关，就是测控系统的实际输入值，不含有系统误差。按照上式编写程序，在每个采样周期都计算按照上式编写程序，在每个采样周期都计算Y Y值，便是不含有系统误差值，便是不含有系统误差的实际采样值。的实际采样值。2022-7-284（2 2）随机误差的软件校正方法）随机误差的软件校正方法 随机误差是测量误差的一部分，虽然不知道其大小和符号，但在相同随机误差是测量误差的一部分，虽然不知道其大小和符号，但在相同条件下对同一稳定被控量的多次重复测量中，它们的分布常常满足一定的条件下对同一稳定被控量的多次重复测量中，它们的分布常常满足一定的统计规律，大多可以用正态分布来描述。因此具

5、有单峰性、对称性、有界统计规律，大多可以用正态分布来描述。因此具有单峰性、对称性、有界性和抵偿性。性和抵偿性。随机误差的抵偿性是指随着测量次数的增加，其正、负误差之和趋近随机误差的抵偿性是指随着测量次数的增加，其正、负误差之和趋近于零。于零。因此用多次测得值的算术平均值作为被控量的实际值，能减小随机误因此用多次测得值的算术平均值作为被控量的实际值，能减小随机误差的影响。差的影响。niiyny11设对同一被控量重复测了设对同一被控量重复测了n n次，一般应使次，一般应使 n6n6，测得值为，测得值为 Y Yi i，平均值为，平均值为2022-7-285（3 3）粗大误差的校正方法）粗大误差的校正

6、方法 既然粗大误差是一种错误，就必须将错误数据删除。但删除错误数据既然粗大误差是一种错误，就必须将错误数据删除。但删除错误数据必须有充分理由，不能随心所欲任意删除。审查数据要借助于误差理论。必须有充分理由，不能随心所欲任意删除。审查数据要借助于误差理论。审查数据时，先计算测量值标准偏差审查数据时，先计算测量值标准偏差s s，再根据测量次数，确定该组，再根据测量次数，确定该组测量值的残差最大限测量值的残差最大限VmaxVmax，若一组测量值中各测量值的残差，若一组测量值中各测量值的残差ViVi中某一个的中某一个的绝对值大于绝对值大于VmaxVmax，那么该数据就是坏数据，应该从测量值中删除，然后

7、再，那么该数据就是坏数据，应该从测量值中删除，然后再重新求平均值、标准偏差，再重新审查数据，直至测量值中无坏数据为止。重新求平均值、标准偏差，再重新审查数据，直至测量值中无坏数据为止。审查数据好坏所依据的准则有拉依达准则、肖维勒准则和格拉布斯准审查数据好坏所依据的准则有拉依达准则、肖维勒准则和格拉布斯准则，由于测量数据少于则，由于测量数据少于1010个时，拉依达准则无效，因此目前很少用该准则。个时，拉依达准则无效，因此目前很少用该准则。肖维勒准则计算最大残差肖维勒准则计算最大残差它给出的残差最大限为它给出的残差最大限为sCvnmax式中式中s为标准偏差为标准偏差Cn称为肖维勒系数，它与测量次数

8、有关，用如下的拟合公式计算：称为肖维勒系数，它与测量次数有关，用如下的拟合公式计算：3300/22.184.2/)69.1ln(nnCn2022-7-286 格拉布斯准则计算最大残差格拉布斯准则计算最大残差它给出的残差最大限为它给出的残差最大限为sCvnmax式中式中s为标准偏差为标准偏差Cn称为格拉布斯系数，它也与测量次数有关，用如下的拟合公式计算：称为格拉布斯系数，它也与测量次数有关，用如下的拟合公式计算：305.131.2)65.2ln(30nGnn时，55036.130.2)3ln(30nnGnn时，式中式中n也为测量次数。也为测量次数。2022-7-2872 2.量程量程自动切换自动

9、切换 在微机测控系统中，往往是多个模拟量输入，由于各路在微机测控系统中，往往是多个模拟量输入，由于各路信号的幅值差别较大，从微伏级到伏级，要想通过一个放大信号的幅值差别较大，从微伏级到伏级，要想通过一个放大器放大到器放大到A/DA/D转换器输入要求的标准电压，就提出了对各路采转换器输入要求的标准电压，就提出了对各路采集信号有不同放大倍数的要求。集信号有不同放大倍数的要求。对于单通道的测控系统，如果放大器的放大倍数相同，对于单通道的测控系统，如果放大器的放大倍数相同，若输入信号变化范围大，则小信号也将得不到有效放大。因若输入信号变化范围大，则小信号也将得不到有效放大。因此最好能根据采集的被控量的

10、信号范围，自动地选择合适的此最好能根据采集的被控量的信号范围，自动地选择合适的放大倍数，以切换到合适的量程。放大倍数，以切换到合适的量程。可以采用可编程增益放大器（可以采用可编程增益放大器（Programmable Gain Programmable Gain AmplifierAmplifier），简称），简称PGAPGA，实现量程的自动切换。，实现量程的自动切换。2022-7-288（1 1）集成）集成PGA102PGA102 PGA102 PGA102是一种高速、数控增益可编程放大器。由三部分组成：是一种高速、数控增益可编程放大器。由三部分组成：3 3通道可通道可转换输入运算放大器；精密

11、电阻网络；增益转换输入运算放大器；精密电阻网络；增益/通道选择电路。通道选择电路。用户可通过程序控制脚用户可通过程序控制脚1 1和脚和脚2 2的电平，来选择增益为的电平，来选择增益为1 1、1010、100100。每种。每种增益均有独立的输入端，通过一个多路开关进行选择。增益均有独立的输入端，通过一个多路开关进行选择。2022-7-289（2 2）AD612/614 AD612/614数控增益测量放大器数控增益测量放大器 AD612/614 AD612/614是美国是美国ADAD公司生产的数控增益测量放大器。它采用三运放结公司生产的数控增益测量放大器。它采用三运放结构，增益控制方式有两种：一是

12、数控增益，二是外接电阻可调增益。构，增益控制方式有两种：一是数控增益，二是外接电阻可调增益。数控增益利用片内的精密电阻网络获得的。当脚数控增益利用片内的精密电阻网络获得的。当脚3 31010分别与脚分别与脚1 1相连时，相连时，按二进制关系建立增益。按二进制关系建立增益。2022-7-2810（3 3）基于）基于PGAPGA的数字电压表的数字电压表 在数字电压表中，其测量电压范围可从几个微伏到几百伏，对于这样大在数字电压表中，其测量电压范围可从几个微伏到几百伏，对于这样大的测量动态范围，要想提高测量精度，必须进行量程转换。在智能化数字电的测量动态范围，要想提高测量精度，必须进行量程转换。在智能

13、化数字电压表中，采用可编程增益放大器和微机，可以很方便地实现量程自动转换。压表中，采用可编程增益放大器和微机，可以很方便地实现量程自动转换。2022-7-28114.2 4.2 标度变换标度变换 在微机测控系统中，各种被测参数都有不同的物理量纲，在微机测控系统中，各种被测参数都有不同的物理量纲，如电压的单位为如电压的单位为V V，电流的单位为，电流的单位为A A，温度的单位为，温度的单位为，压力，压力的单位为的单位为PaPa等。这些参数经过传感器与变送器转换成等。这些参数经过传感器与变送器转换成A/DA/D转换转换器所能接收的器所能接收的0 05V5V统一电压信号，又由统一电压信号，又由A/D

14、A/D转换器转换后得转换器转换后得到一个不带量纲的数字量，该数字量仅表示原参数的大小，到一个不带量纲的数字量，该数字量仅表示原参数的大小，并不带有原参数的物理量纲，为了进一步显示、打印、记录并不带有原参数的物理量纲，为了进一步显示、打印、记录以及报警等，必须把这些数字量转换成带有原参数物理量纲以及报警等，必须把这些数字量转换成带有原参数物理量纲的数据，供操作人员对生产过程进行监视和管理，这种转换的数据，供操作人员对生产过程进行监视和管理，这种转换称为标度变换。称为标度变换。2022-7-28121 1.线性线性参数的标度变换参数的标度变换 所谓线性参数所谓线性参数,是指被测参数与是指被测参数与

15、A/DA/D转换结果之间为线性转换结果之间为线性关系，线性参数标度变换是最常用的变换方法。关系，线性参数标度变换是最常用的变换方法。0000()xxmmNNYYYYNN式中，式中，YxYx表示被测参数值，表示被测参数值，YmYm表示检测被测参数所用仪表的表示检测被测参数所用仪表的最大值，最大值，Y0Y0表示检测被测参数所用仪表的最小值，表示检测被测参数所用仪表的最小值，NmNm表示表示Ym Ym 对应的对应的A/DA/D转换后的数字量，转换后的数字量，N0N0表示表示Y0Y0对应的对应的A/DA/D转换后的数转换后的数字量，字量，NxNx表示表示YxYx对应的对应的A/DA/D转换后的数字量。

16、转换后的数字量。2022-7-28132.2.非线性非线性参数的标度变换参数的标度变换 当传感器检测出的数据与实际被测参数之间不是线性关当传感器检测出的数据与实际被测参数之间不是线性关系时，其标度变换公式应根据具体问题具体分析。系时，其标度变换公式应根据具体问题具体分析。首先应求出它们之间所对应的函数关系，如果这种函数首先应求出它们之间所对应的函数关系，如果这种函数关系可以用解析式来表示，就可以直接求出它所对应的标度关系可以用解析式来表示，就可以直接求出它所对应的标度变换公式来进行计算。变换公式来进行计算。例如，在流量测量中，实际流量例如，在流量测量中，实际流量G G与差压变送器来的差压信号与

17、差压变送器来的差压信号PP之间之间成平方根关系，即：成平方根关系，即：GKP式中，式中，K K为刻度系数，与流体的性质及节流装置的尺寸有关。为刻度系数，与流体的性质及节流装置的尺寸有关。2022-7-2814 由于流体的流量与被测流体流经节流装置时前后的压力差的平方根成由于流体的流量与被测流体流经节流装置时前后的压力差的平方根成正比，于是可以得到测量流量时的标度变换公式为：正比，于是可以得到测量流量时的标度变换公式为：00000000()xxmmxxmmKNKNGGGGKNKNNNGGGGNN式中，式中，GxGx为被测流量；为被测流量；GmGm为流量传感器的上限值；为流量传感器的上限值；G0G

18、0为流量传感器的下限为流量传感器的下限值；值；NxNx为与为与GxGx对应的差压变送器所测得的差压值经对应的差压变送器所测得的差压值经A/DA/D转换后的数字量；转换后的数字量；NmNm为与差压变送器上限对应的为与差压变送器上限对应的A/DA/D转换后的数字量；转换后的数字量；N0N0为与差压变送器下为与差压变送器下限对应的限对应的A/DA/D转换后的数字量。该式为流量测量中标度变换的通用表达式。转换后的数字量。该式为流量测量中标度变换的通用表达式。对于流量测量，一般下限均取对于流量测量，一般下限均取0 0，所以此时，所以此时G0=0G0=0，N0=0N0=0，故上式变为：，故上式变为：mxm

19、xNNGG 2022-7-28154.3 4.3 非线性校正方法非线性校正方法 在数据采集与处理系统中，一般总希望传感器的输出和在数据采集与处理系统中，一般总希望传感器的输出和输入呈简单的线性关系，这样当用仪表来检测和显示测控系输入呈简单的线性关系，这样当用仪表来检测和显示测控系统中的某个物理量时，能得到均匀的刻度，不仅读数看起来统中的某个物理量时，能得到均匀的刻度，不仅读数看起来清楚方便，而且仪表在整个范围内灵敏度一致。但是在实际清楚方便，而且仪表在整个范围内灵敏度一致。但是在实际工程中，计算机从模拟量输入通道得到的现场信号与该信号工程中，计算机从模拟量输入通道得到的现场信号与该信号所代表的

20、被测物理量之间不一定是线性关系，经常存在着非所代表的被测物理量之间不一定是线性关系，经常存在着非线性关系。例如，在温度测量中，热电阻及热电偶与温度之线性关系。例如，在温度测量中，热电阻及热电偶与温度之间就存在着非线性关系；在流量测量中，流经孔板的差压信间就存在着非线性关系；在流量测量中，流经孔板的差压信号与流量之间也是非线性关系。为了保证这些参数能有线性号与流量之间也是非线性关系。为了保证这些参数能有线性输出，需要进行非线性校正，将输出信号与被测物理量之间输出，需要进行非线性校正，将输出信号与被测物理量之间的非线性关系变为线性关系。的非线性关系变为线性关系。2022-7-28161 1.查表查

21、表法法 计算机测控系统中，有一些非线性参数不能用一般算术计算机测控系统中，有一些非线性参数不能用一般算术运算求出，有的还涉及到指数、对数、三角函数以及积分、运算求出，有的还涉及到指数、对数、三角函数以及积分、微分等运算。要用程序实现这些计算，不仅程序长，而且很微分等运算。要用程序实现这些计算，不仅程序长，而且很费机时，影响系统的实时性。对于这种情况，可以将事先计费机时，影响系统的实时性。对于这种情况，可以将事先计算好的结果存放在数据表格中，然后通过查表的方式进行线算好的结果存放在数据表格中，然后通过查表的方式进行线性化处理。性化处理。所谓查表法，就是把事先计算或测得的数据按一定顺序所谓查表法，

22、就是把事先计算或测得的数据按一定顺序编制成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中编制成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果，查出最终所需要的结果。查表是一种非数值计算方间结果，查出最终所需要的结果。查表是一种非数值计算方法，利用这种方法可以完成数据补偿、计算、转换等各种工法，利用这种方法可以完成数据补偿、计算、转换等各种工作，它具有回避复杂数学运算和无规则数学运算等优点。作，它具有回避复杂数学运算和无规则数学运算等优点。2022-7-2817（1 1）顺序查表法）顺序查表法 顺序查表法是针对无序排列表格的一种方法。即按照顺顺序查表法是针对无序排列表格的一种方法。即按照顺

23、序从第一项开始逐项查找，直到找到所要查找的关键字为止。序从第一项开始逐项查找，直到找到所要查找的关键字为止。顺序查表法虽然比较顺序查表法虽然比较“笨笨”，但对无序表格或较短表格而言，但对无序表格或较短表格而言，仍是一种比较常用的方法。仍是一种比较常用的方法。（2 2）计算查表法）计算查表法 计算查表法通常用于要搜索的内容与表格的排列有一定计算查表法通常用于要搜索的内容与表格的排列有一定关系的表格。对于这种表格，为了提高查表速度，可以不采关系的表格。对于这种表格，为了提高查表速度，可以不采用从头至尾逐一进行比较的方法，只要根据所给的元素用从头至尾逐一进行比较的方法，只要根据所给的元素xixi，通

24、过一定的计算，求出元素通过一定的计算，求出元素xixi所对应的数值的地址，然后将所对应的数值的地址，然后将该地址单元的内容取出即可。该地址单元的内容取出即可。2022-7-2818（3 3）对分查表法对分查表法 对分查表法是一种在实际应用中常使用的方法。对于那对分查表法是一种在实际应用中常使用的方法。对于那些表格比较长，满足从大到小或从小到大的排列顺序，且难些表格比较长，满足从大到小或从小到大的排列顺序，且难以用计算查表法进行查找的表格，可以采用对分查表法。对以用计算查表法进行查找的表格，可以采用对分查表法。对于从小到大顺序来说，若元素大于中间值，则下一次取中间于从小到大顺序来说，若元素大于中

25、间值，则下一次取中间值至最大值区间的中间值进行比较，否则，取最小值至中间值至最大值区间的中间值进行比较，否则，取最小值至中间值区间的中间值进行比较。如此下去，直到查找完为止。对值区间的中间值进行比较。如此下去，直到查找完为止。对分查表法的速度要比顺序查表法快很多倍，而且对表格的要分查表法的速度要比顺序查表法快很多倍，而且对表格的要求又不是很严格。实际应用中，大多数表格都能满足从大到求又不是很严格。实际应用中，大多数表格都能满足从大到小或从小到大的排列顺序。因此，这是一种快速而有效的方小或从小到大的排列顺序。因此，这是一种快速而有效的方法。法。2022-7-28192.2.插值插值法法 如果非线

26、性关系不能用数学公式精确表达，还可以根据如果非线性关系不能用数学公式精确表达，还可以根据线性插值原理进行线性化处理。线性插值原理进行线性化处理。假定变量假定变量y和自变量和自变量x的关系如图所示的关系如图所示已知非线性函数已知非线性函数y(x)上的两点上的两点A(x0，y0)、B(x1，y1)，现在用直线，现在用直线AB代代替弧线替弧线AB，由此可得直线方程，由此可得直线方程baxxy)(根据插值条件，应满足：根据插值条件，应满足：baxybaxy1100解上面方程组，可求出直线方程的解上面方程组，可求出直线方程的参数参数a和和b。由此可求出该直线方程的表达式为由此可求出该直线方程的表达式为0

27、0000101)()()()()(yxxKyxxxxyyxy式中，式中，K为直线的斜率。为直线的斜率。2022-7-2820 由上图可以看出，插值点由上图可以看出，插值点A A和和B B之间的距离越小，之间的距离越小，y(x)y(x)与与y(x)y(x)之间的之间的误差越小。因此在实际应用中，为了提高精度，经常采用几条直线来代替误差越小。因此在实际应用中，为了提高精度，经常采用几条直线来代替曲线，此方法称为分段插值法。曲线，此方法称为分段插值法。分段插值法的基本思想是将被逼近的函数分段插值法的基本思想是将被逼近的函数(或测量结果或测量结果)根据其变化情根据其变化情况分成几段，各段采用线性插值法

28、来进行处理。况分成几段，各段采用线性插值法来进行处理。例如，设例如，设x在在(xi，xi+1)区间内，则其对应的逼近值为：区间内，则其对应的逼近值为：11()()iiiiiiiiiyyyyxxxxyyk xx11iiiiiyykxx 对于这种方法，只要对于这种方法，只要n取得足够大，即分段足够多，就可获得良好的非线取得足够大，即分段足够多，就可获得良好的非线性转换精度。性转换精度。2022-7-28213.3.拟合拟合法法 传感器输出的电信号与被测物理参数之间的非线性关系，传感器输出的电信号与被测物理参数之间的非线性关系，也可以用一个非线性特性来校正，以对测量结果进行补偿。也可以用一个非线性特

29、性来校正，以对测量结果进行补偿。校正用的这个非线性特性一般用一个特定的连续函数来拟合，校正用的这个非线性特性一般用一个特定的连续函数来拟合，如用多项式、解析函数等。如用多项式、解析函数等。（1 1）热电偶的热电势与温度的关系）热电偶的热电势与温度的关系 热电偶的热电势与所测温度之间是非线性关系。例如，铁热电偶的热电势与所测温度之间是非线性关系。例如，铁康铜康铜热电偶，在热电偶，在0 0400 400 范围内，当允许误差范围内，当允许误差 11，热电偶的热电势，热电偶的热电势E(mV)E(mV)与测量的温度与测量的温度T()T()之间的关系为：之间的关系为：EaEaEaEaT1223344式中式

30、中,aiai为已知的热电偶的材料系数。为已知的热电偶的材料系数。2022-7-2822（2 2）铂电阻的阻值与温度的关系）铂电阻的阻值与温度的关系 以以Pt100Pt100铂电阻为例，其适用于铂电阻为例，其适用于-200-200 850 850 范围内测温，主范围内测温，主要特点是测温精度高，稳定性好。要特点是测温精度高，稳定性好。Pt100Pt100铂热电阻的阻值与温度的关系铂热电阻的阻值与温度的关系为为在在-200-200 00范围内，范围内，)100(1 3020tCtCBtAtRRt在在0 0 850850范围内，范围内，)1(20BtAtRRt1310908023C.A2710802

31、5C.B41210273504C.C时的电阻值）（CR01000 若已知铂电阻的阻值若已知铂电阻的阻值RtRt，便可按上面式子计算温度，便可按上面式子计算温度t t。常常先离线。常常先离线计算出温度与铂热电阻阻值的对应关系，制成表格，然后用查表法求计算出温度与铂热电阻阻值的对应关系，制成表格，然后用查表法求取温度值。取温度值。2022-7-2823（3 3）孔板差压与流量的关系）孔板差压与流量的关系 用孔板测量液体或气体的流量，差压变送器输出的孔板差压信号用孔板测量液体或气体的流量，差压变送器输出的孔板差压信号P P同实际流量同实际流量Q Q之间成平方根关系之间成平方根关系式中式中K K是刻度

32、系数。是刻度系数。PKQ为了计算平方根，可采用牛顿迭代法。设为了计算平方根，可采用牛顿迭代法。设xy 0 x则则)1()1(21)(nyxnyny或或)1()1(21)1()(nynyxnyny2022-7-28244.4 4.4 数字滤波数字滤波 由于工业测控对象的环境比较恶劣，干扰源较多，如强由于工业测控对象的环境比较恶劣，干扰源较多，如强电磁场干扰、噪声干扰、环境温度变化较大等，当干扰作用电磁场干扰、噪声干扰、环境温度变化较大等，当干扰作用于模拟信号之后，会使于模拟信号之后，会使A/DA/D转换结果偏离真实值，如果仅采样转换结果偏离真实值，如果仅采样一次，无法确定该结果是否可信，因此为了

33、减少对采样值的一次，无法确定该结果是否可信，因此为了减少对采样值的干扰，提高系统的性能，一般在进行数据处理之前先要对采干扰，提高系统的性能，一般在进行数据处理之前先要对采样值进行数字滤波。样值进行数字滤波。所谓数字滤波，就是通过执行一定的计算程序来对采样所谓数字滤波，就是通过执行一定的计算程序来对采样信号进行平滑加工，以降低干扰信号在有用信号中的比重，信号进行平滑加工，以降低干扰信号在有用信号中的比重，提高计算机测控系统的可靠性。提高计算机测控系统的可靠性。2022-7-2825 数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比有以下几个优点：

34、比有以下几个优点：1.1.数字滤波是用程序实现的，不需增加任何硬件设备，很数字滤波是用程序实现的，不需增加任何硬件设备，很容易实现容易实现。同时，多个输入通道还可以共用一个滤波程序，同时，多个输入通道还可以共用一个滤波程序，降低了成本降低了成本。2.2.由于数字滤波不需要硬件设备，因而由于数字滤波不需要硬件设备，因而可靠性高可靠性高,稳定性好稳定性好，各回路，各回路之间不存在阻抗匹配等问题。之间不存在阻抗匹配等问题。3.3.数字滤波可以对频率很低的信号进行滤波，而模拟滤波器由于受电数字滤波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，因此容容量的影响，频率不能太

35、低，因此在低频段滤波难以取得好的滤波效果在低频段滤波难以取得好的滤波效果。4.4.通过修改数字滤波程序，可以实现不同的滤波方法或调整滤波参数，通过修改数字滤波程序，可以实现不同的滤波方法或调整滤波参数，它比改变模拟滤波器的硬件方便得多，因此它比改变模拟滤波器的硬件方便得多，因此使用灵活、方便。使用灵活、方便。2022-7-28261.1.平均平均滤波滤波（1 1）算术平均值滤波）算术平均值滤波 在一个采样周期内，对被测信号在一个采样周期内，对被测信号x x的的N N次采样值进行算术平均，作次采样值进行算术平均，作为采样时刻为采样时刻k k的有效采样值。的有效采样值。NiixNkx11 N N值

36、决定了信号平滑度和灵敏度。随着值决定了信号平滑度和灵敏度。随着N N的增大，平滑度提高，灵的增大，平滑度提高，灵敏度降低。应视具体情况选取敏度降低。应视具体情况选取N N，以便得到满意的滤波效果。，以便得到满意的滤波效果。算术平均值滤波主要用于对压力、流量等算术平均值滤波主要用于对压力、流量等周期性脉动周期性脉动的采样值进的采样值进行平滑加工，但行平滑加工，但对偶然出现的脉冲性干扰的平滑作用尚不理想对偶然出现的脉冲性干扰的平滑作用尚不理想，因而，因而它不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。它不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。2022-7-2827（2 2）加权算术平均值滤波）加权算术平均值滤波 有

37、时为了提高滤波效果，将各次采样值取不同的比重，然后再相有时为了提高滤波效果，将各次采样值取不同的比重，然后再相加，此方法称为加权平均值法。加，此方法称为加权平均值法。其中其中C0C0，C1C1，CN-1CN-1为各次采样值的系数，它体现了各次采样为各次采样值的系数，它体现了各次采样值在平均值中所占的比重。它可根据具体情况而定，一般采样次数愈值在平均值中所占的比重。它可根据具体情况而定，一般采样次数愈靠后，取的比例愈大，这样可增加新的采样值在平均值中的比重。这靠后，取的比例愈大，这样可增加新的采样值在平均值中的比重。这种滤波方法适用于纯滞后较大的被控对象。种滤波方法适用于纯滞后较大的被控对象。1

38、0NiiNixCkY其中：其中：110NiiC2022-7-2828（3 3）滑动算术平均值滤波）滑动算术平均值滤波 把把N N个采样数据看成一个队列，队列的长度固定为个采样数据看成一个队列，队列的长度固定为N N，每进行一次，每进行一次新的采样，就把新采样值放入队尾，而去掉原来队首的一个数据，这新的采样，就把新采样值放入队尾，而去掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有样在队列中始终有N N个个“最新最新”的数据，然后把队列中的的数据，然后把队列中的N N个数据再进个数据再进行算术平均运算，就可获得最新的滤波结果。行算术平均运算，就可获得最新的滤波结果。滑动平均值滤波滑动平均值滤波对周期性干

39、扰有良好的抑制作用对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵平滑度高，灵敏度低敏度低；但；但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差，不易消除由于脉，不易消除由于脉冲干扰引起的采样值的偏差，因此它冲干扰引起的采样值的偏差，因此它不适用于脉冲干扰比较严重的场不适用于脉冲干扰比较严重的场合合，而适用于高频振荡系统。，而适用于高频振荡系统。2022-7-28292.2.中值滤波中值滤波 这种滤波法是将被测参数连续采样这种滤波法是将被测参数连续采样N N次次(一般一般N N取奇数取奇数)，然，然后把采样值按大小顺序排列好，再取中间值作为本次的采样值。后把采样值按大小顺序排列

40、好，再取中间值作为本次的采样值。中值滤波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，。若变量变化比较缓慢，采用中值滤波效果比较好，但对快速变化的参数，如流量，则采用中值滤波效果比较好，但对快速变化的参数，如流量，则不宜采用。一般不宜采用。一般N N取取3-53-5次。次。3.3.程序程序判断滤波判断滤波 程序判断滤波的方法，便是根据实际经验，确定出相邻两程序判断滤波的方法，便是根据实际经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差。若超过此偏差值，则表次

41、采样信号之间可能出现的最大偏差。若超过此偏差值，则表明此次采样信号是干扰信号，应该去掉；如小于此偏差值，可明此次采样信号是干扰信号，应该去掉；如小于此偏差值，可将此次采样信号作为本次采样值。将此次采样信号作为本次采样值。2022-7-2830（1 1）限幅滤波法）限幅滤波法 Y(k)-Y(k-1)Y(k)-Y(k-1)YY，则，则Y(k)=Y(k)Y(k)=Y(k)，取本次采样值；，取本次采样值；Y(k)-Y(k-1)Y(k)-Y(k-1)YY，则，则Y(k)=Y(k-1)Y(k)=Y(k-1)，取上次采样值。，取上次采样值。其中，其中，Y(k)Y(k)是第是第k k次采样值；次采样值；Y(k

42、-1)Y(k-1)是第是第(k-1)(k-1)次采样值；次采样值；YY是相邻是相邻两次采样值可能的最大偏差，其大小取决于采样周期两次采样值可能的最大偏差，其大小取决于采样周期T T及及Y Y值的动态响值的动态响应。应。限幅滤波法限幅滤波法主要用于变化比较缓慢的参数主要用于变化比较缓慢的参数，如温度、液位等。使，如温度、液位等。使用时关键问题是最大允许误差用时关键问题是最大允许误差YY的选取：的选取：YY太大，各种干扰信号将太大，各种干扰信号将“乘机而入乘机而入”，使系统误差增大；，使系统误差增大；YY太小，又会使某些有用信号被太小，又会使某些有用信号被“拒之门外拒之门外”，使计算机采样效率变低

43、。通常可根据经验数据获取，使计算机采样效率变低。通常可根据经验数据获取，必要时，也可由实验得出。必要时，也可由实验得出。2022-7-2831（2 2）限速滤波法）限速滤波法 当当Y(k)-Y(k-1)Y(k)-Y(k-1)Y Y时，取时，取Y(k)Y(k)输入计算机；输入计算机；当当Y(k)-Y(k-1)Y(k)-Y(k-1)Y Y时，时，Y(k)Y(k)不采用，但仍保留，继续采不采用，但仍保留，继续采样取得样取得Y(k+1)Y(k+1)；当当Y(k+1)-Y(k)Y(k+1)-Y(k)Y Y时，取时，取Y(k+1)Y(k+1)输入计算机；输入计算机；当当Y(k+1)-Y(k)Y(k+1)-

44、Y(k)Y Y时，取时，取Y(k)=Y(k)+Y(k+1)/2Y(k)=Y(k)+Y(k+1)/2输入输入计算机。计算机。限速滤波是一种折衷方法，既照顾了采样的实时性，又顾及了采限速滤波是一种折衷方法，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：第一是样值变化的连续性。但这种方法也有明显的缺点：第一是YY的确定不的确定不够灵活，必须根据现场的情况不断更换新值；第二是不能反映采样点够灵活，必须根据现场的情况不断更换新值；第二是不能反映采样点数数N N3 3时各采样值受干扰情况。因此，它的应用受到一定的限制。时各采样值受干扰情况。因此，它的应用受到一定的限制。202

45、2-7-2832 程序判断法程序判断法对偶然脉冲干扰信号有良好的滤波效果对偶然脉冲干扰信号有良好的滤波效果，适用于如大功率，适用于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，以及变送器不稳用电设备的启动或停止，造成电流的尖峰干扰或误检测，以及变送器不稳定而引起的严重失真，使得采样数据偏离实际值太远的场合。定而引起的严重失真，使得采样数据偏离实际值太远的场合。4.4.低低通滤波通滤波 仿照模拟系统仿照模拟系统RCRC低通滤波器的方法，将普通硬件低通滤波器的方法，将普通硬件RCRC低通滤波器的微分低通滤波器的微分方程用差分方程来表示，便可以用软件来模拟硬件滤波器的功能。方程用差分方程

46、来表示，便可以用软件来模拟硬件滤波器的功能。一阶低通滤波器的传递函数为一阶低通滤波器的传递函数为11)()()(sTsXsYsG离散化后，有离散化后，有 Yn=(1-)Xn+Yn-1 式中，式中，Xn为第为第n次采样值；次采样值；Yn-1为上次滤波输出值；为上次滤波输出值；Yn为第为第n次采样后的滤波输次采样后的滤波输出值；出值；为滤波平滑系数，为滤波平滑系数，T/(T+T)；T为滤波环节的时间常数；为滤波环节的时间常数；T为采样周为采样周期。期。一阶低通滤波方法能一阶低通滤波方法能很好地消除周期性干扰很好地消除周期性干扰，适用于波动频繁的被测，适用于波动频繁的被测参数滤波，但对于频率高于采样

47、频率二分之一的干扰信号无法滤除。参数滤波，但对于频率高于采样频率二分之一的干扰信号无法滤除。2022-7-28335.5.复合复合滤波滤波 为了进一步提高滤波效果，改善控制精度，可以把两种或为了进一步提高滤波效果，改善控制精度，可以把两种或两种以上有不同滤波效果的数字滤波器组合起来，形成复合数两种以上有不同滤波效果的数字滤波器组合起来，形成复合数字滤波器，或称多级数字滤波器。字滤波器，或称多级数字滤波器。例如：把中值滤波的思想与算术平均的方法结合起来，就例如：把中值滤波的思想与算术平均的方法结合起来，就是一种常用的复合滤波法。是一种常用的复合滤波法。具体方法是首先将采样值按大小排队，采用中值滤

48、波，去具体方法是首先将采样值按大小排队，采用中值滤波，去掉最大的和最小的，然后再把剩下的取算术平均值作为滤波后掉最大的和最小的，然后再把剩下的取算术平均值作为滤波后的采样值。这样显然比单纯的平均值滤波的效果要好。的采样值。这样显然比单纯的平均值滤波的效果要好。这种方法兼容了算术平均值法和中值滤波法的优点。它既这种方法兼容了算术平均值法和中值滤波法的优点。它既可以去掉脉冲干扰，又可以对采样进行平滑加工，在快、慢速可以去掉脉冲干扰，又可以对采样进行平滑加工，在快、慢速系统中它都能削弱干扰，提高控制质量。系统中它都能削弱干扰，提高控制质量。2022-7-2834数字滤波方法的总结 一般来说，对于一般

49、来说，对于变化缓慢的参数变化缓慢的参数(如温度如温度)，可选，可选用程序判断滤波和一阶惯性滤波；用程序判断滤波和一阶惯性滤波；而对而对变化较快的信号变化较快的信号(如压力、流量等如压力、流量等)，则可选，则可选用算术平均值滤波；用算术平均值滤波；对对要求较高的系统可选用复合滤波要求较高的系统可选用复合滤波。如果不适当地应用数字滤波如果不适当地应用数字滤波(例如把真实的参数波例如把真实的参数波动也滤掉了动也滤掉了)，反而会降低控制效果，以致适得其反。，反而会降低控制效果，以致适得其反。如果同时采用几种滤波方法，一般先用如果同时采用几种滤波方法，一般先用中位值滤中位值滤波波或或限幅滤波限幅滤波，然后再用平均值滤波法然后再用平均值滤波法。如果应用不。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。恰当，非但达不到滤波效果，反而会降低控制品质。本章内容结束2022-7-2835