1、第六章 过程控制数据处理的方法,1.微机控制系统中，模拟量经转换后变成数字量送入微机，这些数字量在进行显示、报警、控制之前，还必须先进行加工处理，如数字滤波、标度变换、数值计算、非线性补偿等。2.完成这些数据处理任务主要靠软件，与用模拟电路相比，具有突出的优点。, 6.1 数字滤波技术 6.2 量程自动转换和标度变换 6.3 系统误差的自动校正, 6.1 数字滤波技术,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 。,（1）数字滤
2、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的信号（如0.01Hz）实现滤波，而模拟滤波时，则受电容容量限制而无法实现；（3）要改变滤波方法只需修改滤波程序，因而灵活方便。,数字滤波的优点：,数字滤波方法：,6.1.1 程序判断滤波 6.1.2 算术平均值滤波 6.1.3 加权平均滤波 6.1.4 RC低通滤波 6.1.5 复合滤波 6.1.6 数字滤波小结,6.1.1 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X
3、，若超过X，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。,根据处理方法不同，可分为两种 一、限幅滤波： 算法算式 ：， 算式的含义：若本次采样值x(k)与上次采样值x(k-1)之差绝对值小于等于最大允许偏差X，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。,算法算式 ： ，是指本次采样值与上次采样值之差；, 重新采样后的采样值与本次采样值之差 算式的含义：若 ，则本次采样x(k)有效，取x(k) 为滤波器输出，否则再重新采样一次，得到新采样值x(k+1)，若 ，则表明x(k+1)值接近x(k)，则用x(k+1)作为滤波器输出
4、，否则，就以 作为滤波器输出。,二、限速滤波： 三次采样值,6.1.1 程序判断滤波,适用于：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X的确定，往往需经大量的观测和实验才能确定。,6.1.2 算术平均值滤波,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 ：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。,适用于：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
5、波动，即周期性脉动信号。,6.1.4 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 ： 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 = 1a0 a1 a2 an-1 适用于：较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统,推导过程：硬件RC滤波器的传递函数为 其中 = RC，为滤波器的滤波时间常数。 对应的微分方程为:
6、 离散化后，得到其差分方程为:整理得一阶惯性滤波的算式： 其中: 称为滤波系数，01； T为采样周期；x(k)为本次 采样输入； y(k)、y(k-1)为本次和上次滤波输出。,6.1.5 RC低通数字滤波,基本思路：动态滤波方法，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。,RC滤波器,6.1.6 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。 例如：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
7、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。,6.1.7 数字滤波小结,适用情况 对于变化缓慢的参数，可选用程序判断滤波及惯性滤波； 对于变化较快的信号，可选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。,6.2 量程自动转换和标度变换,微机控制系统在读入被测模拟信号并转换成数字量后，往往还要转换成操作人员所熟悉的工程值。这是因为被测对象的各种数据经过变送器转换成AD所
8、能接收的信号05 v，又由A/D转换成00HFFH(8位)的数字量。这些数字量并不一定等于原来带有量纲的参数值（如压力的单位为Pa，温度的单位为等） ，它仅仅对应于参数值的大小，故必须把它转换成带有量纲的数值后才能运算、显示或打印输出，这种转换就是标度变换。,6.2.1 量程自动转换,传感器所提供信号范围较宽（微伏到伏），特别是在多回路系统中，各回路的参数信号不一样时，必须提供各种量程的放大器，以保证送到计算机的信号一致（0-5V）。可编程增益放大器PGA（Programming Gain Amplifier）,1. 集成PGA,PGA102：高速、数控增益可编程放大器，由1，2脚的电平来选择
9、增益为1，10，100。,2. 组合型PGA,CD4051和普通运算放大器组成的可编程增益运放。,输入,输出,6.2.2 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。变换方法：标度变换有各种类型，它取决于被测参数的传感器的类型，应根据实际要求来选用适当的标度变换方法。,（一）线性仪表标度变换这种标度变换的前提是参数值与AD转换结果之间为线性关系，这是最常用的变换方法。它的变换公式如下：,标度变换公式： 式中：Amax 、Amin一次测量仪表的上限、下限；Ax实际测量工程量的值； Nmax 、Nmin仪表的上限、下限所对应的数字量；
10、 Nx 测量值所对应数字量。 一般认为Nmin =0，则上式可简化为：,-,例1 某压力测量仪表的量程为0-30kg，计算机采样后对应的数字变化范围为0-FAH，某时刻计算机采样并经滤波后的数字量BCH，设仪表是线性的，求此时压力为多少？ 解: 已知Amin=0，Amax=30，Nmin=0，Nmax=(250)D，N=(204)D，此时所测的压力为：实际使用时，为了实现上述变换，必须先进行标定，找出 Amin、Nmin和Amax、 Nmax并存入计算机存储器中，将上式编 成子程序，以后当采集参数需要标度变换时，调用该子程序 即可。,（二）非线性仪表标度变换1.公式转换法 有些传感器测出的数据
11、与实际的参数不是线性关系，它们有着由传感器和测量方法决定的函数关系，并且这些函数关系可以用解析式来表示，这时可以直接按解析式来实现标度变换。,2折线法（线性插值法）许多传感器测出的数据与实际的参数为非线性关系，而且它们的函数关系无法用一个解析式来表示，或者该解析式难以直接计算, 只能以某种实验方法得到非线性规律的变化曲线。这时可采用折线法（线性插值法）来进行非线性标度变换。,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。最后使用折线的表达式来完成实际的标度变换。,6.3.4 系统误差的自动校正在微机控制系统的测量输入电路中，
12、一般均存在零点偏差和漂移、放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象，它们会影响测量数据的准确性，这些都属于系统误差。因而必须对这些偏差进行校准。 自动校准法： 基本思想是在系统开机后或每隔一定时间自动测量基准参数，如数字电压表中的基准参数为基准电压和零电压，然后计算误差模型，获得并存储误差补偿因子。在正式测量时，根据测量结果和误差补偿因子，计算校准方程，从而消除误差。,该电路的输入部分加有一个多路开关。系统在刚加电时或每隔一定时间，自动进行一次校准。这时，先把开关接地，测出这时的输入值X0，然后把开关接VR，测出输入值X1，并存放X1、X0。在正式测量时，如测出的输入值为X，则这时的V可用下式计算得到；,全自动校准由系统自动完成，不需人的介入，其电路结构如图所示。,
