第 6 章过程控制数据处理的方法

第6章过程控制数据处理的方法 • 6.1 数字滤波技术 • 6.2 量程自动转换和标度变换 • 6.3 测量数据预处理技术 • 6.4 DSP在数据处理中的应用

6.1 数字滤波技术 引言： • 环境需要滤波。 • 目的：提高信/噪这就是数字滤波。 • 方法：① 模拟滤波 ② 数字滤波微机控制技术

1．数字滤波器的优点 （1）无需增加任何硬设备。（2）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。（3）可多通道共享，从而降低了成本。（4）可以对频率很低(如0.01Hz)的信号进行滤波。（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。在计算机控制系统中得到广泛的应用。微机控制技术

2．数字滤波的方法 数字滤波的几种常用方法：（1）程序判断滤波（2）中值滤波（3）算术平均值滤波（4）加权平均值滤波（5）滑动平均值滤波（6）RC低通数字滤波（7）复合数字滤波微机控制技术

6.1 数字滤波技术 6.1.1 程序判断滤波 6.1.2 算术平均值滤波 6.1.3 加权平均值滤波 6.1.4 滑动平均值滤波 6.1.5 RC低通数字滤波 6.1.6 复合数字滤波 6.1.7 各种数字滤波性能的比较

6.1.1 程序判断滤波 （1）方法： ① 根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大允许偏差 △Y。 ② 若两次采样信号之间的偏差超过△Y ：则表明该输入信号是干扰信号，去掉。小于△Y ：将信号作为本次采样值。（2）应用场合：当采样信号由于随机干扰，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，以及变送器不稳定而引起的严重失真等，可采用程序判断法进行滤波。微机控制技术

滤波方法——限幅滤波和限速滤波 1．限幅滤波作法： • |Y（k）-Y(k-1)|≤△Y,则取Y（k）= Y（k） • |Y（k）-Y(k-1)| ＞△Y,则Y（k）= Y（k-1） (7-1) 式中：Y（k）——第 k 次采样值； Y(k-1)——第(k-1)次采样值； △Y——相邻两次采样值允许的最大偏差。（其大小取决于采样周期T及Y值的变化动态响应）。微机控制技术

6.1．1 程序判断滤波 用途： • 主要用于变化比较缓慢的参数，（温度、物位等） • 门限值△Y的选取： △ Y太大，增大了系统误差允许的程度； △ Y太小，又会使计算机采样效率变低。（根据经验数据获得，必要时，也可由实验得出）。微机控制技术

6.1．1 程序判断滤波 2．限速滤波（1）基本原理 • 则最多可用三次采样值来决定采样结果。 • 作法：当|Y(2)-Y(1)|＞△Y时，再采样一次，取得Y(3)，根据|Y(3)-Y(2)|与△Y的大小关系来决定本次采样值。： • 设在 t1、t2、t3 顺序采样值依次为为 Y(1)、Y(2)、Y(3)，若|Y(2)-Y(1)|≤△Y ，取 Y(2)输入计算机当|Y(2)-Y(1)|＞△y时，继续采样取得 Y(3) 若|Y(3)-Y(2)|≤△Y时，则取Y(3)输入计算机当|Y(3)-Y(2)|＞△Y时，则取Y(3)+Y(2)/2输入计算机 (7-2) 微机控制技术

6.1．1 程序判断滤波 • 特点:限速滤波是一种折衷的方法，既照顾了采样的实时性，又顾及了采样值变化的连续性。缺点： ① △Y的确定不够灵活，必须根据现场的情况不断更换新值； ② 不能反应采样点数 N＞3 时各采样数值受干扰情况。实际中，可取[|Y(1)-Y(2)|+|Y(2)-Y(3)]/2取代△Y 这样既保持限速滤波的特性，又加大了灵活性。（如图7-1）微机控制技术

6.1．1 程序判断滤波 图7-1 限速滤波程序流程图微机控制技术

6.1．1 程序判断滤波 内存分配: • 20H、21H、22H –Y（1）、Y（2）、Y（3） • 23H、24H—中间结果 • LIMIT-- △Y • 滤波结果存放在A累加器中。限速滤波程序如下：微机控制技术

ORG 8000H PRODT2：MOV A， 20H ；A←Y（1） CLR C ；进位位清零 SUBB A， 21H ；计算Y（1）-Y（2） JNC LOOP1 ；Y（1）-Y（2）≥0，转LOOP1 CPL A ；负数，取反加1 INC A LOOP1：MOV 23H， A ；23H←｜Y（1）-Y（2）｜ MOV A， 21H ；计算｜Y（2）-Y（3）｜ CLR C SUBB A， 22H JNC LOOP2 CPL A ；负数，取反加1 INC A 6.1．1 程序判断滤波（2）程序 P197 微机控制技术

LOOP2：MOV 24H， A ；24H←｜Y（2）-Y（3）｜ ADD A， 23H ；计算Y=[｜Y(1)-Y(2)|+|Y(2)-Y(3)｜]/2 RRC A MOV LIMIT，A ；（LIMIT）← △Y MOV A， 23H CJNE A，LIMIT，DONE1 AJAMP DONE2 ；｜Y(1)-Y(2)｜＝ △Y，转DONE2 DONE1：JC DONE2 ；｜Y(1)-Y(2)｜< △Y，转DONE2 MOV A， 24H ；A ←｜Y(2)-Y(3)｜ CJNE A，LIMIT，DONE4 AJAMP DONE5 ；｜Y(2)-Y(3)｜＝△Y，转DONE5 DONE4：JC DONE5 ；｜Y(2)-Y(3)｜< △Y，转DONE5 AJAMP DONE6 DONE5：MOV A，22H ；｜Y(2)-Y(3)｜≤ △Y，取Y(3) AJAMP DONE3 微机控制技术

6.1．1 程序判断滤波 DONE6：MOV A，21H ；｜Y(2)-Y(3)｜>△Y，取[Y(3)+Y(2)]/2 ADD A，22H RRC A AJMP DONE3 DONE2：MOV A，21H ；｜Y(1)-Y(2)｜ ≤△Y，取Y(2） DONE3：RET LIMIT EQU 30H

6.1．2 算术平均值滤波 算术平均值滤波是要寻找一个Y(k)，使该值与各采样值间误差的平方和为最小，即由一元函数求极值原理，得式(7-3) (7-3)式中，(k) —第k次N个采样值的算术平均值； (i) —第i次采样值； N —采样次数。微机控制技术

算术平均值滤波浮点运算子程序 ORG 8000H FARIFT:MOV R6, #40H ;置初值0 MOV R2, #00H MOV R3, #00H MOV A, COUNT PUSH A MOV R0. #DATA

6.1．2 算术平均值滤波 LOOP：LCALL LOADXI ；R7（阶）R4R5←X(i) CLR 3AH ；执行加法 LCALL FABP ；R6（阶）R2R3 + R7（阶）R4R5 ；→R4（阶）R2R3 MOV A，R4 ；送累加和到R6（阶）R2R3 MOV R6，A DJNZ COUNT，LOOP ；N≠0，继续相加 LCALL FSTR ；N次采样值的累加和送（R1）指向的3个单元 POP A ；恢复N MOV R2，#00H ；送N到R2R3 MOV R3，A MOV A，#MED2 XCH A，R1 MOV R0，A ；累加和送（R0）指向的3个单元中 CLR 3CH LCALL INTF ；将N转换成浮点数微机控制技术

6.1．2 算术平均值滤波 LCALL FDIV ；计算N次采样值累加和的平均值 MOV A，R0 MOV R1，A LCALL FSTR ；存放平均值 RET LOADXI：MOV 36H，R6 ；保护中间结果 MOV 37H，R2 MOV 38H，R3 MOV A，@R0 MOV R3，A INC R0 MOV A，@R0 MOV R2，A INC R0 MOV R1，#MED1 CLR 3AH

6.1．2 算术平均值滤波 LCALL INTF ；转换成3字节浮点数 MOV A，@R1 ；把3字节浮点数送到R7（阶）R4R5 MOV R7，A INC R1 MOV A，@R1 MOV R4，A INC R1 MOV A，@R1 MOV R5，A DEC R1 DEC R1 MOV R6，36H ；恢复中间结果 MOV R2，37H MOV R3，38H RET

6.1．2 算术平均值滤波 DATA EQU 20H MED1 EQU 30H COUNT EQU 33H MED2 EQU 36H

6.1．2 算术平均值滤波 说明： • 算术平均滤波主要用于对周期脉动的采样值进行平滑加工（如压力、流量等） • 对脉冲性干扰的平滑作用尚不理想。 • 随着 N值的增大，平滑度将提高，灵敏度降低。 • 经验数据：流量参数滤波时，N取12次，压力取4次，如无噪声干扰，温度可不取平均值。微机控制技术

6.1．3 加权平均值滤波 • 算术平均滤波法滤波结果中取每次采样值的1/N。 • 有时为提高滤波效果，将各采样值取不同的比例，求其和作为滤波结果，称为加权平均法。一个 n 项加权平均式为式中C0、Cl、…、Cn-l均为常数项，应满足下列关系： (7-5) 式中 C0、Cl、C2、…、Cn-l 为各次采样值的系数。 (7-5) 微机控制技术

6.1．4 滑动平均值滤波 • 算术平均值滤波，加权平均值滤波，适合于有脉动式干扰的场合。 • 采用滑动平均值滤波法，可加快平均滤波的速度。作法：在RAM中建立一个数据缓冲区，依顺序存放N次采样数据，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。这样，每一次采样，就可计算出一个新的平均值。微机控制技术

6.1．4 滑动平均值滤波 滑动平均值滤波程序有两种：一种是滑动算术平均值滤波，一种是滑动加权平均值滤波。微机控制技术

6.1．5 RC低通数字滤波 • 前面讲的几种滤波方法基本上属于静态滤波，适用于变化过程比较快的参数，如压力、流量等。 • 仿照模拟系统RC低通滤波器的方法，用数字形式实现低通滤波，可以提高滤波效果。如图7-3所示。微机控制技术

6.1．5 RC低通数字滤波 图7-3 RC低通滤波器微机控制技术

6.1．5 RC低通数字滤波 由图7-3，写出模拟低通滤波器的传递函数，即 (7-6) 其中， 为 RC滤波器的时间常数，＝RC。由公式（7-6）可以看出，RC低通滤波器实际上是一个一阶滞后滤波系统。将式(7-6)离散后，可得 (7-7) 式中，X(k)——第k次采样值； Y(k-1)——第k-1次滤波结果输出值；微机控制技术

Y(k)——第k次滤波结果输出值； ——滤波平滑系数， T——采样周期。对于一个确定的采样系统而言，T为已知量，所以由，可得（7-8）当 << 1时，ln(1-)-1=  ，则式（7-8）可简化为 (7-9） ∴ 式(6—8)可简化为 6.1．5 RC低通数字滤波微机控制技术

6.1．5 RC低通数字滤波 从式(7-9)中可清楚地看出，采样周期T和RC滤波器的时间常数 及相应的数字滤波器的滤波平滑系数之间的关系。式(7-7)即为模拟RC低通滤波器的数字滤波器，可用程序来实现。微机控制技术

7 .1 .6 复合数字滤波 为进一步提高滤波效果，可以把两种或两种以上不同滤波功能的数字滤波器组合起来，组成复合数字滤波器，或称多级数字滤波器。 [例如] • 算术平均滤波/加权平均滤波只能对周期性的脉动采样值进行平滑加工。 • 中值滤波可以解决随机的脉冲干扰(电网的波动，变送器的临时故障等)。 • 将二者组合起来，形成多功能的复合滤波。微机控制技术

1、防脉冲干扰的平均值滤波 上述滤波方法的原理可由下式表示：若 X(1)≤X(2)≤…≤X(N), 3≤ N≤14 (7-10) 2、双重滤波的方法把采样值经过低通滤波后，再经过一次高通滤波，这实际上相当于多级 RC 滤波器。微机控制技术

7 .1 .6 复合数字滤波 对于多级数字滤波，根据式(7-7)可知：第一级滤 (7-11) 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。 (7-12) 再进行一次滤波，则 Z（k）=AZ（k-1）+BY（k）(7-12) 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。微机控制技术

将式(7-11)代入式(7-12)得 (7-13) 将式(6—12)移项，并将k改为k-1，则 Z（k-1）-AZ（k-2）=BY（k-1） (7-14) 将BY(k—1)代入式(7-13)，得 (7-13) 式(7-14)即为两级数字滤波公式。据此可设计出一个采用n 级数字滤波的一般原理图。如图7-6所示。微机控制技术

6.1 .6 复合数字滤波 图7-4 n 级数字滤波的一般形式微机控制技术

6.1．7 各种数字滤波性能的比较 以上介绍了七种数字滤波方法，读者可根据需要设计出更多的数字滤波程序。每种滤波程序都有其各自的特点，可根据具体的测量参数进行合理的选用。微机控制技术

6.1．7 各种数字滤波性能的比较 1. 滤波效果（1）变化比较慢的参数，如温度，用程序判断滤波及一阶滞后滤波方法。（2）变化比较快的脉冲参数，如压力、流量等，则可选择算术平均和加权平均滤波法，特别是加权平均滤波法更好。（3）要求比较高的系统，需要用复合滤波法。（4）在算术平均滤波和加权平均滤波中，其滤波效果与所选择的采样次数N有关。N越大，则滤波效果越好，但花费的时间也愈长。（5）高通及低通滤波程序是比较特殊的滤波程序，使用时一定要根据其特点选用。微机控制技术

6.1．7 各种数字滤波性能的比较 2．滤波时间（1）在考虑滤波效果的前提下，应尽量采用执行时间比较短的程序，若计算机时间允许，可采用效果更好的复合滤波程序。（2）注意，数字滤波在热工和化工过程 DDC系统中并非一定需要，需根据具体情况，经过分析、实验加以选用。（3）不适当地应用数字滤波(例如，可能将待控制的波滤掉)，反而会降低控制效果，以至失控，因此必须给予注意。微机控制技术

第 6 章 过程控制数据处理的方法