1、 引言引言1.1.测量数据的预处理技术测量数据的预处理技术2.2.常用的几种数字滤波方法常用的几种数字滤波方法3.3.标度变换算法标度变换算法4.4.查表方法查表方法5.5.本章小结本章小结6.6.思考题思考题 在计算机控制系统中，在计算机控制系统中，数据采集数据采集是最基本的一是最基本的一种模式。一般是通过种模式。一般是通过传感器传感器、变送器变送器把生产过程的把生产过程的各种物理参数转换成电信号，然后经各种物理参数转换成电信号，然后经A/D通道或通道或DI通道，把数字量送入计算机中。计算机在对这些数通道，把数字量送入计算机中。计算机在对这些数字量进行显示和控制之前，还必须根据需要进行相字量
2、进行显示和控制之前，还必须根据需要进行相应的应的数据处理数据处理。 数据处理数据处理离不开数值计算，而最基本的数值计离不开数值计算，而最基本的数值计算为四则运算。由于控制系统中遇到的现场环境不算为四则运算。由于控制系统中遇到的现场环境不同，采集的数据种类与数值范围不同，精度要求也同，采集的数据种类与数值范围不同，精度要求也不一样，各种数据的输入方法及表示方法也各不相不一样，各种数据的输入方法及表示方法也各不相同。因此，为了满足不同系统的需要，设计出了许同。因此，为了满足不同系统的需要，设计出了许多有效的数据处理技术方法，如多有效的数据处理技术方法，如预处理预处理，数字滤波数字滤波，标度变换标度
3、变换，查表查表和和越限报警越限报警等。等。7.1 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 对测量数据的对测量数据的予处理予处理是计算机控制系统数据处理是计算机控制系统数据处理的基础，这包括数字调零技术、系统校准技术以及的基础，这包括数字调零技术、系统校准技术以及输入、输出数据的极性与字长的予处理技术输入、输出数据的极性与字长的予处理技术。7.1.1 系统误差的自动校准系统误差的自动校准 在控制系统的测量输入通道中，一般均存在放大器在控制系统的测量输入通道中，一般均存在放大器等器件的等器件的零点偏移零点偏移和和漂移漂移，会造成放大电路的增益误，会造成放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象，它们
4、都会影响测量数差及器件参数的不稳定等现象，它们都会影响测量数据的准确性，这些误差都属于据的准确性，这些误差都属于系统误差系统误差。它的特点是。它的特点是在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，产在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，产生误差的原因一般也是知道的。因此，系统误差是可生误差的原因一般也是知道的。因此，系统误差是可以通过适当的技术方法来确定并加以校正的，一般采以通过适当的技术方法来确定并加以校正的，一般采用软件程序进行处理，即可对这些系统误差进行自动用软件程序进行处理，即可对这些系统误差进行自动校准。校准。1.数字调零数字调零 零点偏移零点偏移是造成系统误差的主要原因之一，
5、因是造成系统误差的主要原因之一，因此零点的自动调整在实际应用中最多，常把这种用此零点的自动调整在实际应用中最多，常把这种用软件程序进行零点调整的方法称为软件程序进行零点调整的方法称为数字调零数字调零。V1VnV0多路开关前置放大器计算机AA/D模数转换器CPU图 8-1 数字调零电路 图7-1 数字调零电路 数字调零电路如图数字调零电路如图7-1所示。在测量输入通道中，所示。在测量输入通道中，CPU分时巡回采集分时巡回采集1路校准电路与路校准电路与n路传感变送器送路传感变送器送来的电压信号。首先是第来的电压信号。首先是第0 路的校准信号即接地信路的校准信号即接地信号，理论上电压为零的信号，经号
6、，理论上电压为零的信号，经放大电路放大电路、A/D转转换电路进入换电路进入CPU的数值应当为零，而实际上由于零的数值应当为零，而实际上由于零点偏移产生了一个不等于零的数值，这个值就是零点偏移产生了一个不等于零的数值，这个值就是零点偏移值点偏移值N0；然后依次采集；然后依次采集1、2、 n路，每次采路，每次采集到的数字量集到的数字量N1、N2、 Nn值就是实际值与零点值就是实际值与零点偏移值偏移值N0之和。计算机要进行的数字调零就是做一之和。计算机要进行的数字调零就是做一次减法运算，使（次减法运算，使（Ni- N0）的差值成为本次测量的）的差值成为本次测量的实际值。很显然，采用这种方法，可去掉实
7、际值。很显然，采用这种方法，可去掉放大电路放大电路、A/D转换电路转换电路本身的偏移及本身的偏移及随时间与温度随时间与温度而发生的而发生的各种漂移的影响，从而大大降低对这些电路器件的各种漂移的影响，从而大大降低对这些电路器件的偏移值的要求，降低硬件成本。偏移值的要求，降低硬件成本。2系统校准系统校准 上述数字调零不能校正由传感器本身引入的误差。上述数字调零不能校正由传感器本身引入的误差。为了克服这种缺点，可采用系统校准处理技术。为了克服这种缺点，可采用系统校准处理技术。 系统校准系统校准的原理与数字调零差不多，只是把测量的原理与数字调零差不多，只是把测量电路扩展到包括现场的传感器，而且不是在每
8、次采集电路扩展到包括现场的传感器，而且不是在每次采集数据时都进行校准，而是在需要时人工接入标准参数数据时都进行校准，而是在需要时人工接入标准参数进行校准测量，把测得的数据存储起来，供以后实际进行校准测量，把测得的数据存储起来，供以后实际测量使用。一般自动校准系统只测一个标准输入信号测量使用。一般自动校准系统只测一个标准输入信号VR，零点漂移的补偿仍由数字调零来完成。，零点漂移的补偿仍由数字调零来完成。 设数字调零设数字调零后测得标准输入信号后测得标准输入信号VR的数据为的数据为NR，而测得实际被测输设数字调零后测得标准输入信号而测得实际被测输设数字调零后测得标准输入信号VR的数据为的数据为NR
9、，而测得实际被测输入信号，而测得实际被测输入信号V时的数时的数据为据为N，则可按如下校准式来计算，则可按如下校准式来计算V。NNVVRR（7-1） 系统校准系统校准特别适于传感器特性随时间会发生变化特别适于传感器特性随时间会发生变化的场合。如电容式湿度传感器，其输入输出特性会随的场合。如电容式湿度传感器，其输入输出特性会随着时间而发生变化，一般一年以上变化会大于精度容着时间而发生变化，一般一年以上变化会大于精度容许值，这时可每隔一段时间（例如许值，这时可每隔一段时间（例如3个月或个月或6个月），个月），用其它精确方法测出这时的湿度值，然后把它作为校用其它精确方法测出这时的湿度值，然后把它作为校
10、准值输入测量系统。在实际测量湿度时，计算机将自准值输入测量系统。在实际测量湿度时，计算机将自动用该输入值来校准以后的测量值。动用该输入值来校准以后的测量值。7.1.2 数据极性的预处理数据极性的预处理控制系统中处理的信号很多是双极性的，如温度控制系统中处理的信号很多是双极性的，如温度 压力压力、位置位置、角度信号角度信号等。这就要求在实施控制等。这就要求在实施控制时，不仅要考虑信号的幅度，还要考虑到信号的极性。时，不仅要考虑信号的幅度，还要考虑到信号的极性。为此，在对为此，在对A/D转换后的数据和转换后的数据和D/A转换前的数据进转换前的数据进行处理前，必须根据数据的极性先进行预处理，才能行处
11、理前，必须根据数据的极性先进行预处理，才能保证得到正确的结果。保证得到正确的结果。 系统中有的输入信号是系统中有的输入信号是单极性单极性的，而输出信号则的，而输出信号则要求是要求是双极性双极性的，如流量、压力等控制回路；有的则的，如流量、压力等控制回路；有的则是要求输入和输出信号都是双极性的，如位置、角度是要求输入和输出信号都是双极性的，如位置、角度等控制回路。下面就这两种情况分别加以讨论。等控制回路。下面就这两种情况分别加以讨论。1输入、输出信号同为双极性输入、输出信号同为双极性 在输入、输出都是双极性信号的控制系统中，程在输入、输出都是双极性信号的控制系统中，程序处理的输入和输出数据不仅反
12、映信号幅度的大小，序处理的输入和输出数据不仅反映信号幅度的大小， 也反映信号的极性。假设信号的变化范围为也反映信号的极性。假设信号的变化范围为-5V+5V，信号经，信号经A/D转换得到的数字量为转换得到的数字量为00HFFH 数字量的最高位数字量的最高位D7表示信号的极性。当表示信号的极性。当D70时，表时，表示输入信号为负极性，即数字量示输入信号为负极性，即数字量00H7FH表示表示-5V0V的模拟信号；当的模拟信号；当D71时，表示输入信号为正极性，时，表示输入信号为正极性，即数字量即数字量7FHFFH表示表示0V+5V的模拟信号。的模拟信号。 在由双极性信号组成的闭环定值控制系统中，设给
13、在由双极性信号组成的闭环定值控制系统中，设给定信号为定信号为R，采样输入信号为，采样输入信号为Z，则偏差值，则偏差值E = R - Z。因为因为R 和和 Z 的值对应的是双极性信号，所以偏差值的值对应的是双极性信号，所以偏差值E 也是也是双极性信号双极性信号，因此在参加运算前也必须进行预处，因此在参加运算前也必须进行预处理才能保证最终结果的正确。理才能保证最终结果的正确。 预处理的规则：如果偏差值的绝对值大于预处理的规则：如果偏差值的绝对值大于80H（此（此为无符号数），则偏差信号取最大值，即信号极性为为无符号数），则偏差信号取最大值，即信号极性为负时取负时取00H，信号极性为正时取，信号极性
14、为正时取FFH。否则，将运算。否则，将运算结果直接作为结果直接作为偏差信号偏差信号。2输入、输出信号分为单双极性输入、输出信号分为单双极性 在控制系统中，有时会出现输入信号和给定信号在控制系统中，有时会出现输入信号和给定信号是单极性的，即数字量是单极性的，即数字量00HFFH对应同极性的信号，对应同极性的信号，如如0+5V；而输出信号则要求是双极性的，即数字量；而输出信号则要求是双极性的，即数字量00HFFH对应的是双极性的，如对应的是双极性的，如-5V5V。 这类系统的数据预处理与双极性的输入输出系统这类系统的数据预处理与双极性的输入输出系统的方法相同，由于系统的输入是单极性的，因此不必的方
15、法相同，由于系统的输入是单极性的，因此不必判断极性，只需根据偏差值的大小和符号判断即可。判断极性，只需根据偏差值的大小和符号判断即可。系统的数据预处理程序流程图如图系统的数据预处理程序流程图如图7-2所示。所示。读数据R和Z计算E=RZR Z否？E 80H否？E 80H否？00HAE+80HAFFHAARESULT返回NY图83输入单极性输出双极性的数据预处理程序流程图NNYY开始图7-2 输入单极性输出双极性的数据预处理程序流程图7.1.3 数据字长的预处理数据字长的预处理 在计算机控制系统中经常会出现数据字长不一致的在计算机控制系统中经常会出现数据字长不一致的情况。如有的系统采用情况。如有
16、的系统采用12位位A/D转换器转换器采样数据，而输采样数据，而输出采用出采用8位位D/A转换器转换器；有的系统使用；有的系统使用8位位A/D转换器进转换器进行采样，而为了提高计算的精度，采用行采样，而为了提高计算的精度，采用双字节运算程序双字节运算程序计算。为了满足不同的精度要求，数据在进行计算。为了满足不同的精度要求，数据在进行数字滤波数字滤波、标度变换标度变换和和控制运算控制运算后必须对数字量的位数加以处理。后必须对数字量的位数加以处理。1. 输入位数大于输出位数输入位数大于输出位数 当输入器件的当输入器件的分辨率分辨率高于输出器件时，如采用高于输出器件时，如采用10位位A/D转换器采样，
17、而转换器采样，而CPU把处理后的把处理后的10位二进制数通位二进制数通过过8位位D/A转换器输出，就会出现输入位数大于输出转换器输出，就会出现输入位数大于输出位数的情况。位数的情况。 对输入位数大于输出位数的处理方法就是忽略高位对输入位数大于输出位数的处理方法就是忽略高位数的最低几位。如：数的最低几位。如：10位位A/D转换器转换器的输入值为的输入值为0011111010，此值经处理后送入此值经处理后送入8位位D/A转换器转换器的值就的值就变为变为00111110。这在计算机中通过向右移位的方法是很。这在计算机中通过向右移位的方法是很容易实现的。容易实现的。 由于由于10位位A/D转换器的转换
18、器的采样分辨率采样分辨率要比要比8位位A/D转换转换器高的多，因此，虽然舍去了最低的两位数会产生一定器高的多，因此，虽然舍去了最低的两位数会产生一定的误差，但这一误差仍比采用的误差，但这一误差仍比采用8位输入位输入8位输出系统的误位输出系统的误差小。差小。2输入位数小于输出位数输入位数小于输出位数当输入器件的分辨率比输出器件低时，如采用当输入器件的分辨率比输出器件低时，如采用8位位A/D转换器采样，而通过转换器采样，而通过10位位D/A转换器进行输出，就会转换器进行输出，就会出现输入位数小于输出位数的情况出现输入位数小于输出位数的情况 输入位数小于输出位数的最好处理方法是：将输入位数小于输出位
19、数的最好处理方法是：将8位位数左移两位数左移两位构成构成10位数位数，10位数的最低两位用位数的最低两位用“0”填填充。如；充。如；转换前的转换前的8位输入值位输入值为：为：；转换后的转换后的10位输出值位输出值为：为：00。 这种处理方法的优点在于构成的这种处理方法的优点在于构成的10位数接近位数接近10位位A/D转换器的转换器的满刻度值满刻度值，其误差在，其误差在10位数字量的位数字量的3个步个步长电压之内长电压之内。7.2 数字滤波方法数字滤波方法 由于工业生产的现场环境由于工业生产的现场环境非常恶劣非常恶劣，各种干扰源很，各种干扰源很多，计算机系统通过输入通道采集到的数据信号，虽经多，
20、计算机系统通过输入通道采集到的数据信号，虽经硬件电路的滤波处理，但仍会混有硬件电路的滤波处理，但仍会混有随机干扰随机干扰 噪声噪声。因此，为了提高系统性能，达到准确的测量。因此，为了提高系统性能，达到准确的测量与控制，一般情况下还需要进行与控制，一般情况下还需要进行数字滤波数字滤波。 数字滤波数字滤波，就是计算机系统对输入信号采样多次，就是计算机系统对输入信号采样多次，然后用某种计算方法进行数字处理，以削弱或滤除干扰然后用某种计算方法进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声造成的随机误差，从而获得一个噪声造成的随机误差，从而获得一个真实信号真实信号的过程。的过程。这种滤波方法只是根据预定的滤波算法编
21、制相应的程序，这种滤波方法只是根据预定的滤波算法编制相应的程序，实质上是实质上是一种程序滤波一种程序滤波。因而可靠性高，稳定性好，修。因而可靠性高，稳定性好，修改滤波参数也容易，而且一种滤波子程序可以被多个通改滤波参数也容易，而且一种滤波子程序可以被多个通道所共用，因而成本很低。另外，数字滤波可以对各种道所共用，因而成本很低。另外，数字滤波可以对各种干扰信号，甚至极低频率的信号进行滤波。它的不足之干扰信号，甚至极低频率的信号进行滤波。它的不足之处是需要占用处是需要占用CPU的机时的机时。 总之，数字滤波与硬件滤波器相比优点甚多，因此总之，数字滤波与硬件滤波器相比优点甚多，因此得到了普遍的应用。
22、常用的数字滤波方法有：得到了普遍的应用。常用的数字滤波方法有：平均值滤波平均值滤波、中值滤波中值滤波、限幅滤波限幅滤波和和惯性滤波惯性滤波等。等。7.2.1平均值滤波平均值滤波 平均值滤波就是平均值滤波就是对多个采样值对多个采样值进行进行平均算法平均算法，这，这是是消除随机误差消除随机误差最常用的方法。具体又可分为如下最常用的方法。具体又可分为如下几种。几种。1. 算术平均滤波算术平均滤波 算术平均滤波是在采样周期算术平均滤波是在采样周期T内，对测量信号内，对测量信号y 进行进行m次采样，次采样， 把把m个采样值相加后的算术平均值个采样值相加后的算术平均值作为本次的有效采样值，即作为本次的有效
23、采样值，即miiymky11)(（7-2） 采样次数采样次数m值决定了信号的平滑度和灵敏度。提值决定了信号的平滑度和灵敏度。提高高m的值，可提高平滑度，但系统的灵敏度随之降低，的值，可提高平滑度，但系统的灵敏度随之降低，采样次数采样次数m的取值随被控对象的不同而不同。一般情的取值随被控对象的不同而不同。一般情况下，况下，流量信号流量信号可取可取10左右左右，压力信号压力信号可取可取4左右左右，温度、成分等缓变信号可取温度、成分等缓变信号可取2甚至不进行算术平均。甚至不进行算术平均。 在编制算法程序时在编制算法程序时,m一般取一般取2、4、8等等2的整数幂，的整数幂，以便于用移位来代替除法求得平
24、均值。以便于用移位来代替除法求得平均值。 这种算法适用于对这种算法适用于对周期性干扰周期性干扰的的信号滤波信号滤波 1.去极值平均滤波去极值平均滤波 算术平均滤波算术平均滤波不能将明显的偶然的脉冲干扰消除，不能将明显的偶然的脉冲干扰消除，只是把其平均到采样结果中，从而降低了只是把其平均到采样结果中，从而降低了测量精度测量精度。去极值平均滤波是对连续采样的去极值平均滤波是对连续采样的m个数据进行个数据进行比较，去掉其中的最大值与最小值，然后计算余下比较，去掉其中的最大值与最小值，然后计算余下的的m-2 个数据的算术平均值。个数据的算术平均值。 在编制算法程序时在编制算法程序时,为便于用移位来代替
25、除法求得为便于用移位来代替除法求得平均值，平均值，m-2应取应取2、4、8等，故等，故m取取4、6、10等。等。 这种算法适用于这种算法适用于工业场合工业场合经常遇到的尖脉冲干扰的经常遇到的尖脉冲干扰的信号滤波。信号滤波。2. 加权平均滤波加权平均滤波 算术平均滤波算术平均滤波和和去极值平均滤波去极值平均滤波都存在都存在平滑性平滑性和和灵灵敏度的矛盾敏度的矛盾。采样次数太少则平滑效果差，次数太多。采样次数太少则平滑效果差，次数太多则灵敏度下降，对测量参数的变化趋势不敏感。为协则灵敏度下降，对测量参数的变化趋势不敏感。为协调两者关系，可采用调两者关系，可采用加权平均滤波加权平均滤波。 加权平均滤
26、波是对每次采样值不以相同的权系数而加权平均滤波是对每次采样值不以相同的权系数而以增加新鲜采样值的权重相加。以增加新鲜采样值的权重相加。miiiyCky1)(（7-3） 式中，第式中，第m次为最新值，次为最新值，C1、C2、Cm 为为加权系数，先小后大，且均为小于加权系数，先小后大，且均为小于1但总和等于但总和等于1的小数，的小数，即满足下式即满足下式 C1 + + C2 + + + + Cm 1Cm Cm-1 C1 0C1、C2、Cm 的取值应视具体情况选取的取值应视具体情况选取,并通过并通过调试确定。例如调试确定。例如,某纯滞后时间为某纯滞后时间为的被控对象的被控对象,采用采用m =4的加权
27、平均滤波算式为的加权平均滤波算式为)(y k= C1 y 1+ C2 y 2+ C3 y 3+ C4 y 4 式中权系数式中权系数, 31ReC22ReCReC3RC14123+eeeR, ， , 这种算法能协调系统的平滑度和灵敏度的矛盾，提这种算法能协调系统的平滑度和灵敏度的矛盾，提高灵敏度，更适用于纯滞后较大的对象。高灵敏度，更适用于纯滞后较大的对象。4滑动平均滤波滑动平均滤波前三种的平均滤波算法有一个前三种的平均滤波算法有一个共同点共同点：即每取得一个：即每取得一个有效采样值必须连续进行若干次有效采样值必须连续进行若干次采样采样。 当系统的采样速度较慢或采样信号变化较快时，当系统的采样速
28、度较慢或采样信号变化较快时，系统的实时性就无法得到保证。滑动平均滤波是在每系统的实时性就无法得到保证。滑动平均滤波是在每个采样周期只采样一次，将这一次采样值和过去的若个采样周期只采样一次，将这一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，所得结果即为干次采样值一起求平均，所得结果即为有效采样值有效采样值。 具体作法可由循环队列结构方式来实现数据的存具体作法可由循环队列结构方式来实现数据的存放，比如取放，比如取 m 个采样值求滑动平均，只要在个采样值求滑动平均，只要在RAM中开辟中开辟m个数据暂存区，每次新采集一个数据个数据暂存区，每次新采集一个数据便存入暂存区的队尾，便存入暂存区的队尾， 同时冲掉
29、队首的一个数据，这同时冲掉队首的一个数据，这样在存储器队列中始终保持有样在存储器队列中始终保持有m个最新的数据。个最新的数据。滑动滑动平均滤波算法流程图如图平均滤波算法流程图如图7-7所示。所示。而滑动平均滤波算法的最大优势就是实时性好，提而滑动平均滤波算法的最大优势就是实时性好，提高了系统的响应速度。高了系统的响应速度。7.2.2 中值滤波中值滤波 中值滤波是将信号中值滤波是将信号y的连续的连续m次采样值按大小进行次采样值按大小进行排序，取其中间值作为本次的排序，取其中间值作为本次的有效采样值有效采样值。本算法为取。本算法为取中值，故采样次数中值，故采样次数m应为奇数，一般应为奇数，一般35
30、次即可。次即可。 编制中值滤波的算法程序，首先把编制中值滤波的算法程序，首先把m个采样值从小个采样值从小到大（或从大到小）进行排队，这可采用几种常规的排到大（或从大到小）进行排队，这可采用几种常规的排序算法如序算法如冒泡算法冒泡算法，然后再取中间值。，然后再取中间值。 中值滤波中值滤波对缓变过程中的偶然因素引起的波动或采对缓变过程中的偶然因素引起的波动或采样器不稳定造成的误差所引起的脉动干扰比较有效，而样器不稳定造成的误差所引起的脉动干扰比较有效，而对快速变化过程对快速变化过程(如流量如流量)的信号采样则不适用。的信号采样则不适用。7.2.3 限幅滤波限幅滤波 经验说明，生产过程中许多物理量的
31、变化需要一经验说明，生产过程中许多物理量的变化需要一定的时间，因此相邻两次采样值之间的变化幅度应在定的时间，因此相邻两次采样值之间的变化幅度应在一定的限度之内。一定的限度之内。限幅滤波限幅滤波就是把两次相邻的采样值就是把两次相邻的采样值相减，求其增量的绝对值，再与两次采样所允许的最相减，求其增量的绝对值，再与两次采样所允许的最大差值大差值 Y进行比较，如果小于或等于进行比较，如果小于或等于 Y，表，表示本次采样值示本次采样值y(k)是真实的，则取是真实的，则取y(k)为有效采为有效采样值；反之，样值；反之，y(k)是不真实的，是不真实的， 则取上次采样值则取上次采样值y(k 1)作为本次有效采
32、样值。作为本次有效采样值。当当| y(k) y(k 1)| Y 时，则取时，则取 y(k)=(k) 当当| y(k) y(k 1) | Y时，则时，则取取y(k)=y(k-1) 式中：式中：y(k)t=kT时的采样值；时的采样值； y(K-1) t=(k-1)T时的采样值；时的采样值； Y相邻两次采样值所允许的相邻两次采样值所允许的最大偏差最大偏差，其大小取，其大小取决于控制系统采样周期决于控制系统采样周期T和信号和信号Y的正常变化率。的正常变化率。限幅滤波对随机干扰或采样器不稳定引起的失真有良限幅滤波对随机干扰或采样器不稳定引起的失真有良好的滤波效果。好的滤波效果。7.2.4 惯性滤波惯性滤
33、波惯性滤波惯性滤波是模拟硬件是模拟硬件RC低通滤波器的数字实现。常用低通滤波器的数字实现。常用的的RC滤波器的滤波器的传递函数传递函数是是STSXSYf+11)()(（7-5） 其中，其中，Tf=RC是滤波器的滤波时间常数，其大小是滤波器的滤波时间常数，其大小直接关系到滤波效果。一般说来，直接关系到滤波效果。一般说来， Tf 越大，则滤波越大，则滤波器的器的截止频率截止频率（滤出的干扰频率）越低，滤出的电压（滤出的干扰频率）越低，滤出的电压纹波较小纹波较小,但输出滞后较大。由于大的时间常数及高精但输出滞后较大。由于大的时间常数及高精度的度的RC电路不易制作，所以硬件电路不易制作，所以硬件RC
34、滤波器不可能对滤波器不可能对极低频率的信号进行极低频率的信号进行滤波滤波。为此可以模仿式。为此可以模仿式(7-5)中硬中硬件件RC滤波器的特性参数，用软件做成低通数字滤波滤波器的特性参数，用软件做成低通数字滤波器，从而实现一阶惯性的器，从而实现一阶惯性的数字滤波数字滤波。将式将式(7-5)写成差分方程写成差分方程)()() 1()(kxkyTkykyTf+（7-6） 整理后得整理后得) 1()1 ()() 1()()(+kyakaxkyTTTkxTTTkyfff（7-7） 式中：式中： y(k)第第k次采样的滤波输出值；次采样的滤波输出值；x(k)第第k次采样的滤波输入值，即第次采样的滤波输入
35、值，即第k次采样次采样值值y(k-1)第第(k-1)次采样的滤波输出值次采样的滤波输出值;a滤波系数滤波系数a=T /(Tf+T )T采样周期采样周期Tf滤波环节的时间常数滤波环节的时间常数一般一般T远小于远小于Tf ，即远小于，即远小于1，表明本次有效采样值，表明本次有效采样值(滤波输出值滤波输出值)主要取决于上次有效采样值主要取决于上次有效采样值(滤波输出值滤波输出值)，而本次采样值仅起到一点修正作用。而本次采样值仅起到一点修正作用。通常，采样周期通常，采样周期T 足够小，则足够小，则a T / Tf ，滤波算法的，滤波算法的截止频率为截止频率为 TaRCf221（7-8） 当采样周期当采
36、样周期T一定时，滤波系数一定时，滤波系数 a 越小，数字滤波器越小，数字滤波器的截止频率的截止频率 f 就越低。例如当就越低。例如当T=0.5秒秒(即每秒采样即每秒采样2次次)，a =1/32时：时： f = (1/32)/(23.140.5) 0.01Hz这对于变化缓慢的采样信号这对于变化缓慢的采样信号(如大型贮水池的水位信如大型贮水池的水位信号号)，其滤波效果是很好的。，其滤波效果是很好的。 惯性滤波器的程序编制可按式惯性滤波器的程序编制可按式(7-7)进行。设计时，进行。设计时，应根据采样周期与截止频率适当选取应根据采样周期与截止频率适当选取 a 值，使得滤波值，使得滤波器的输出既无明显
37、纹波，又不太滞后。显然，该算法器的输出既无明显纹波，又不太滞后。显然，该算法比较简单，比起平均值滤波法要快比较简单，比起平均值滤波法要快, 能很好地消除能很好地消除周周期性干扰期性干扰和和较宽频率较宽频率的的随机干扰信号随机干扰信号。 以上讨论了几种数字滤波方法，各有其特点。在以上讨论了几种数字滤波方法，各有其特点。在实际应用中，究竟采用不采用、以及采用哪一种数字实际应用中，究竟采用不采用、以及采用哪一种数字滤波，都应视具体情况而定。可能有的系统并不需要滤波，都应视具体情况而定。可能有的系统并不需要进行数字滤波或者应用得不恰当，非但达不到滤波效进行数字滤波或者应用得不恰当，非但达不到滤波效果还
38、会果还会降低控制品质降低控制品质，而有的系统采用了复合滤波方，而有的系统采用了复合滤波方法法即把几种滤波方法结合起来使用，可能会取得即把几种滤波方法结合起来使用，可能会取得更好的滤波效果。更好的滤波效果。 7.3 7.3 标度变换算法标度变换算法 生产中的各种参数都有着不同的生产中的各种参数都有着不同的量纲量纲和和数值数值，但在，但在计算机控制系统的采集、计算机控制系统的采集、A/DA/D转换转换过程中已变为无量纲过程中已变为无量纲的数据，当系统在进行显示、记录、打印和报警等操作的数据，当系统在进行显示、记录、打印和报警等操作时，必须把这些测得的数据还原为相应量纲的物理量，时，必须把这些测得的
39、数据还原为相应量纲的物理量，这就需要进行这就需要进行标度变换标度变换。 标度变换标度变换的任务是把计算机系统检测的对象参数的的任务是把计算机系统检测的对象参数的二进制数值还原变换为原物理量的工程实际值。图二进制数值还原变换为原物理量的工程实际值。图7-3为标度变换原理图，这是一个温度测控系统，某种热电为标度变换原理图，这是一个温度测控系统，某种热电偶传感器把现场中的温度偶传感器把现场中的温度 0 1200转变为转变为0.48mV信信号，经输入通道中的运算放大器放大到号，经输入通道中的运算放大器放大到0.5V，再由，再由8位位A/D转换成转换成00FFH的数字量，这一系列的转换过程是的数字量，这
40、一系列的转换过程是由输入通道的由输入通道的硬件电路硬件电路完成的。完成的。 CPU 读入该数字信号在送到显示器进行显示以前，读入该数字信号在送到显示器进行显示以前，必须把这一无量纲的二进制数值再还原变换成原量纲必须把这一无量纲的二进制数值再还原变换成原量纲为为的温度信号。比如，最小值的温度信号。比如，最小值00H应变换对应为应变换对应为0、最大值、最大值FFH应变换对应为应变换对应为1200。显示CPUA/D放大048mV05V00FFH0120000210C。C。图 8-11 标度变换原理图 图7-3 标度变换原理图 这个标度变换的过程是由这个标度变换的过程是由算法软件程序算法软件程序来完成
41、的，标来完成的，标度变换有各种不同的算法，它取决于被测参数的工程度变换有各种不同的算法，它取决于被测参数的工程量与转换后的无量纲数字量之间的量与转换后的无量纲数字量之间的函数关系函数关系。一般而。一般而言，输入通道中的言，输入通道中的放大器放大器、A/D转换器转换器基本上是线性基本上是线性的，因此，传感器的输入输出特性就大体上决定了的，因此，传感器的输入输出特性就大体上决定了链接动画链接动画这个函数关系的不同表达形式，也就决定了不同的标这个函数关系的不同表达形式，也就决定了不同的标度变换方法。度变换方法。主要方法有：主要方法有：线性式变换线性式变换、非线性式变换非线性式变换、多项式变多项式变换
42、换以及以及查表法查表法。7.3.1 线性式变换线性式变换 线性标度变换线性标度变换是最常用的标度变换方式，其前提是最常用的标度变换方式，其前提条件是传感器的条件是传感器的输出信号输出信号与被测参数之间呈与被测参数之间呈线性关系线性关系，如图如图7-4所示。所示。链接动画链接动画工 程 量图 8-12 线 性 关 系 的 标 度 变 换数 字 量A0AmAxNxNmN0N0图7-4 线性关系的标度变换数字量Nx对应的工程量Ax的线性标度变换公式为：00m0 x0mx)(ANNNNAAA+(7-9) 式中： A0一次测量仪表的下限（测量范围最小值）；Am一次测量仪表的上限（测量范围最大值）；Ax实
43、际测量值(工程量)；N0仪表下限所对应的数字量；Nm仪表上限所对应的数字量；Nx实际测量值所对应的数字量。式式(7-9)为线性标度变换的通用公式，其中为线性标度变换的通用公式，其中A0，Am，N0，Nm对某一个具体的被测参数与输入通道来说都对某一个具体的被测参数与输入通道来说都是常数，不同的参数有着不同的值。为使程序设计简是常数，不同的参数有着不同的值。为使程序设计简单，一般把一次测量仪表的单，一般把一次测量仪表的下限下限A0所对应的所对应的A/D转换转换值置为值置为0，即，即N00。这样式。这样式(7-9)可写成：可写成：0mx0mx)ANNAAA+ (7-10) 在很多测量系统中，仪表下限
44、值在很多测量系统中，仪表下限值A00，此时进，此时进一步简化为一步简化为mxmxNNAA(7-11) 式式(7-9)、(7-10)和和(7-11)即为在不同情况下的线性标度即为在不同情况下的线性标度变换公式变换公式。据此，编程用的标度变换。据此，编程用的标度变换子程序公式子程序公式分别分别简化为简化为:1x1x1bNaA+(7-12) 其中其中 00m0m010m0m1NNNAAAbNNAAa，0 xx2ANaA+2(7-13) 其中其中 m0mNAAa2 Ax3a3Nx (7-14) 其中其中 mm3NAa例：某加热炉温度测量仪表的量程为例：某加热炉温度测量仪表的量程为200 800，在，在
45、某一时刻计算机系统采样并经数字滤波后的数字量为某一时刻计算机系统采样并经数字滤波后的数字量为CDH，求此时的温度值是多少？，求此时的温度值是多少？(设该仪表的量程是线设该仪表的量程是线性的性的)。解：根据式解：根据式(7-10)已知，已知，A0 = 200, Am = 800，Nx = CDH = (205)D，Nm= FFH = (255)D。所以此时。所以此时的温度为的温度为0mx0mx)ANNAAA+200255205)200+= 6827.3.2 非线性式变换非线性式变换如果传感器的输出信号与被测参数之间呈如果传感器的输出信号与被测参数之间呈非线性关系非线性关系时，上面的线性变换式均不
46、适用，需要建立新的标度时，上面的线性变换式均不适用，需要建立新的标度变换公式。由于非线性参数的变化规律各不相同，故变换公式。由于非线性参数的变化规律各不相同，故应根据不同的情况建立不同的非线性变换式，但前提应根据不同的情况建立不同的非线性变换式，但前提是它们的函数关系可用是它们的函数关系可用解析式解析式来表示。来表示。例如，在例如，在差压法测流量差压法测流量中，中，流量流量与与差压差压间的关系为间的关系为: PKQ(7-15) 式中：式中：Q 流体流量流体流量； K 刻度系数刻度系数，与流体的性质及节流，与流体的性质及节流装置的尺寸有关；装置的尺寸有关；链接动画链接动画 P节流装置前后的差压节
47、流装置前后的差压。可见，流体的流量与被测流体流过节流装置前后产可见，流体的流量与被测流体流过节流装置前后产生的压力差的平方根成正比，于是得到测量流量时生的压力差的平方根成正比，于是得到测量流量时的标度变换公式为的标度变换公式为00m0 x0mx)(QNNNNQQQ+(7-16) 式中：式中：Q0 差压流量仪表的下限值；差压流量仪表的下限值； Qm 差压流量仪表的上限值；差压流量仪表的上限值； Qx 被测液体的流量测量值；被测液体的流量测量值；N0 差压流量仪表下限所对应的数字量；差压流量仪表下限所对应的数字量；Nm 差压流量仪表上限所对应的数字量；差压流量仪表上限所对应的数字量；Nx 差压流量
48、仪表测得差压值所对应的数字量。差压流量仪表测得差压值所对应的数字量。对于流量仪表，一般下限皆为对于流量仪表，一般下限皆为0，即，即Q00，所以上式可简化为所以上式可简化为 0m0 xmxNNNNQQ(7-17)若取流量表的下限对应的数字量若取流量表的下限对应的数字量N00，便可，便可进一步简化为：进一步简化为：mxmxNNQQ(7-18) 式式(7-16)、(7-17)、(7-18)即为不同初始条件下的即为不同初始条件下的流流量量标度变换公式。与标度变换公式。与线性线性标度变换公式一样，由于标度变换公式一样，由于Qo、Qm、N0、Nm都是常数，故以上三式可分别都是常数，故以上三式可分别简化为编
49、程用的标度变换子程序公式。简化为编程用的标度变换子程序公式。001x1QNNKQx+(7-19) 其中其中 0m0m1NNQQK0 x2x2NNKQ(7-20) 其中其中 0mm2NNQKx3x3NKQ(7-21) 其中其中 mm3NQK7.3.3 多项式变换多项式变换 还有些传感器的输出信号与被测参数之间虽为非线还有些传感器的输出信号与被测参数之间虽为非线性关系性关系, 但它们的函数关系无法用一个解析式来表示，但它们的函数关系无法用一个解析式来表示，或者解析式过于复杂而难于直接计算。这时可以采用一或者解析式过于复杂而难于直接计算。这时可以采用一种既计算简便又能满足实际工程要求的近似表达式种既
50、计算简便又能满足实际工程要求的近似表达式插值多项式插值多项式来进行标度变换。来进行标度变换。 插值多项式是用一个插值多项式是用一个n次多项式来代替某种非线性次多项式来代替某种非线性函数关系的方法。其插值原理是：被测参数函数关系的方法。其插值原理是：被测参数y与传感器与传感器的输出值的输出值x具有的函数关系为具有的函数关系为y= f( x )，只知道在，只知道在n+1个个相异点处的函数值为：相异点处的函数值为： f( x0 ) = y0，f( x1 ) = y1，f( xn ) = yn。现构造一个。现构造一个n次多项式次多项式Pn( x ) = anxn+ an-1xn-1+ + a1x +
