工程經(jīng)驗(yàn)-基于PLC的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

1、基于PLC的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及其在水位測(cè)量中的應(yīng)用1 引言PLC是目前在眾多領(lǐng)域廣泛使用的一種數(shù)字控制器。能夠?qū)δM信號(hào)進(jìn)行處理是PLC的主要功能之一。在進(jìn)行信號(hào)處理之前，PLC先要采樣信號(hào)。由于模擬信號(hào)很容易受到干擾，因此在采樣信號(hào)時(shí)，必須進(jìn)行濾波處理。數(shù)字濾波的方法有很多種，比較經(jīng)常使用的有算術(shù)平均值濾波、中值濾波等方法。在模擬電路中，經(jīng)常使用低通濾波器進(jìn)行濾波，從而去處高頻信號(hào)對(duì)模擬量的影響。本文詳細(xì)介紹了低通濾波器的數(shù)學(xué)模型及其濾波的仿真效果，而后介紹了對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化的過程，并給出了這種數(shù)字濾波器的PLC程序，最后介紹了這種數(shù)字濾波器在英德市長湖水電廠水位監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。應(yīng)用實(shí)踐表明，這種

2、數(shù)字濾波的效果是相當(dāng)好的。2 低通濾波器的數(shù)學(xué)模型及仿真在模擬電路中，經(jīng)常使用低通濾波器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，其電路如圖1所示2>。圖1 低通濾波器的電路示意圖對(duì)于圖1中的物理模型，其微分方程為:其中，x(t)為輸入信號(hào)，y(t)為輸出信號(hào)。對(duì)于低通濾波器，式(1)中的K=1。對(duì)其進(jìn)行Laplace變換后得到傳遞函數(shù)為:其中，K為增益，T為時(shí)間常數(shù)。當(dāng)?shù)屯V波器只進(jìn)行濾波，不進(jìn)行信號(hào)變換時(shí)，則K=1，那么(2)式變?yōu)?令時(shí)間常數(shù)T=4，采用MatLab的SIMULINK建模3>，如圖2所示:圖2 低通濾波器仿真結(jié)構(gòu)框圖在圖2中有二個(gè)示波器，其中“示波器1”用于顯示添加了白噪聲的階躍信

3、號(hào)，其結(jié)果如圖3所示;“示波器”用于顯示含有高頻成分的階躍信號(hào)經(jīng)過低通濾波之后的結(jié)果，如圖4所示。對(duì)比圖3和圖4中可見，低通濾波器的效果良好，對(duì)于頻率較高的干擾，低通濾波器能夠有效抑制其對(duì)輸出的影響。圖3 添加了白噪聲的階躍信號(hào)圖4 階躍信號(hào)經(jīng)過濾波后的結(jié)果3 低通濾波器的數(shù)字化低通濾波器雖然效果良好，但是在采用PLC的控制系統(tǒng)中通過添加硬件的方式進(jìn)行濾波，會(huì)使得系統(tǒng)的可靠性降低，因此最好采用軟件進(jìn)行濾波，也就是數(shù)字濾波。重寫圖1的微分方程如下:對(duì)式(4)進(jìn)行離散化，令，其中TS為采樣周期，k為采樣次數(shù)，則把式(5)代入式(4)中，可得:對(duì)公式(6)進(jìn)行整理可得:其中，y(k-1)為上一次濾波

4、器的輸出，x(k)本次采樣的值，y(k)為本次濾波器的輸出，時(shí)間常數(shù)T可以在程序中設(shè)定。4 低通濾波器的PLC程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用采用西門子的S7-300 PLC 編寫低通濾波器的程序，需要進(jìn)行二個(gè)工作。首先，必須在HW CONFIG中組態(tài)定時(shí)中斷的時(shí)間間隔，也就是設(shè)定采樣周期;其次是編寫PLC的程序。在本文中，把低通濾波器的程序編寫為一個(gè)子模塊，給其它程序調(diào)用。在編寫程序時(shí)，需要定義一個(gè)DB數(shù)據(jù)塊，用于保存上一次濾波器的輸出。實(shí)際編寫的程序如圖5所示。圖5 低通過濾波的PLC程序圖6 沒有經(jīng)過濾波的水位波形圖7 經(jīng)過濾波的水位波形把這種數(shù)字濾波器應(yīng)用在英德市長湖水電廠水位監(jiān)測(cè)中，可以得到如圖7所示的水位變化波形圖，與圖6中沒有使用濾波器的水位變化波形比較，經(jīng)過濾波之后，水位波形中沒有再次出現(xiàn)圖6中的尖峰，充分說明這種濾波器的良好效果。5 結(jié)束語通過上述的分析可見，本文設(shè)計(jì)的低通濾波器程序簡(jiǎn)單，濾波效果良好，這種濾波方法相對(duì)于其它濾波的方法而言，算法簡(jiǎn)單