常用應(yīng)用程序設(shè)計

3.1數(shù)字濾波3.2標(biāo)度變換本章具體內(nèi)容第3章常用應(yīng)用程序設(shè)計3.1數(shù)字濾波

所謂數(shù)字濾波，就是在計算機(jī)中用某種計算方法對輸入的信號進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，以便減少干擾在有用信號中的比重，提高信號的真實(shí)性。

這種濾波方法不需要增加硬件設(shè)備，只需根據(jù)預(yù)定的濾波算法編制相應(yīng)的程序即可達(dá)到信號濾波的目的。數(shù)字濾波可以對各種干擾信號，甚至極低頻率的信號進(jìn)行濾波。數(shù)字濾波由于穩(wěn)定性高，濾波參數(shù)修改也方便，一種濾波子程序可以被各控制回路調(diào)用，因此得到廣泛的應(yīng)用。3.1數(shù)字濾波3.1.1程序判斷濾波

程序判斷濾波的方法，是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定出兩次采樣輸入信號可能出現(xiàn)的最大偏差△y。若超過此偏差值，則表明該輸入信號是干擾信號，應(yīng)該去掉；如小于此偏差值，可將信號作為本次采樣值。

當(dāng)采樣信號由于隨機(jī)干擾，如大功率用電設(shè)備的啟動或停止，造成電流的尖峰干擾或誤檢測，以及變送器不穩(wěn)定而引起的嚴(yán)重失真等，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值太遠(yuǎn)，可采用程序判斷濾波。

程序判斷濾波可分為兩種，即限幅濾波和限速濾波。3.1數(shù)字濾波1．限幅濾波當(dāng)|Y（n）-Y（n-1）|≤△Y時，則取Y（n）=Y（n），取本次采樣值當(dāng)|Y（n）-Y（n-1）|＞△Y時，則取Y（n）=Y（n-1），取上次采樣值

Y（n）——第n次采樣值；

Y（n-1）——第n-1次采樣值；△Y——相鄰兩次采樣值所允許的最大偏差，它的大小取決于采樣周期T及被測參數(shù)Y應(yīng)有的正常變化率。

一定要按照實(shí)際情況來確定△Y，否則非但達(dá)不到濾波效果，反而會降低控制品質(zhì)。△Y通?？筛鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，必要時，也可由實(shí)驗(yàn)得出。3.1數(shù)字濾波程序流程圖3.1數(shù)字濾波2．限速濾波

設(shè)順序采樣時刻tn-1、tn、tn+1所采集的參數(shù)分別為Y（n-1）、Y（n）、Y（n+1），那么3.1數(shù)字濾波程序流程圖3.1數(shù)字濾波3.1.2算術(shù)平均值濾波

算術(shù)平均值法濾波是把一個采樣周期內(nèi)對信號的n次采樣值進(jìn)行算術(shù)平均，作為本次的輸出。n值決定了信號平滑度和靈敏度。隨著n的增大，平滑度提高，靈敏度降低。為方便求平均值，n值一般取4、8、16之類的2的整數(shù)冪。通常流量信號取12，壓力信號取6，溫度、成分等緩慢變化的信號取2甚至不平均。主要用于對壓力、流量等周期脈動的采樣值進(jìn)行平滑加工，但對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的平滑作用尚不理想，因而它不適用于脈沖性干擾比較嚴(yán)重的場合。3.1數(shù)字濾波3.1.3加權(quán)平均值濾波加權(quán)平均值濾波法公式為k0、k1、…kn-1為加權(quán)系數(shù)，體現(xiàn)了各次采樣值在平均值中所占的比例，它們都為大于0的常數(shù)項，且滿足

一般采樣次數(shù)愈靠后，取的比例愈大，這樣可增加新的采樣值在平均值中的比例。該濾波方法可以根據(jù)需要突出信號的某一部分，抑制信號的另一部分。適用于純滯后較大的被控對象。3.1數(shù)字濾波3.1.4中值濾波

中值濾波是對某一參數(shù)連續(xù)采樣n次（一般n取奇數(shù)），然后把n次的采樣值從小到大或從大到小排隊，再取中間值作為本次采樣值。中值濾波對于由于偶然因素引起的波動或采樣不穩(wěn)定引起的脈動干擾比較有效。一般應(yīng)用于變化比較緩慢的過程參數(shù)。一般n取3-5次。3.1數(shù)字濾波

去極值平均濾波的算法是：連續(xù)采樣n次，去掉一個最大值，再去掉一個最小值，求余下n-2個采樣值的平均值。為使平均濾波方便，n-2應(yīng)為2、4、8、16，故n常取4、6、10、18。去極值平均濾波流程圖3.1.5去極值平均濾波3.1數(shù)字濾波3.1.6滑動平均濾波

滑動平均濾波法每個周期只采樣一次，把n個測量數(shù)據(jù)看成一個隊列，隊列的長度固定為n，每進(jìn)行一次新的采樣，把測量結(jié)果放入隊尾，而去掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)，這樣在隊列中始終有n個“最新”的數(shù)據(jù)。然后把隊列中的n個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。

滑動平均值濾波對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，靈敏度低；但對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用差，不易消除由于脈沖干擾引起的采樣值的偏差，因此它不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場合，而適用于高頻振蕩系統(tǒng)。

通常對流量信號，n取12，壓力信號n取4，液面參數(shù)n取4~12，溫度信號n取1~4。3.1數(shù)字濾波3.1.7低通數(shù)字濾波

對于變化過程比較緩慢的隨機(jī)變量采用短時間內(nèi)連續(xù)采樣，然后求平均值的方法進(jìn)行濾波，其效果往往不夠理想。為了提高濾波效果，可以仿照模擬系統(tǒng)RC低通濾波器的方法，將普通硬件RC低通濾波器的微分方程用差分方程來表示，便可以用軟件算法來模擬硬件濾波器的功能。圖3-5RC低通濾波器3.1數(shù)字濾波模擬低通濾波器的傳遞函數(shù)為為RC濾波器的時間常數(shù)，

離散后，可得：Y（n）=（1-α）Y（n-1）+αX（n）

式中，X（n）——本次采樣值；Y（n）——本次濾波的輸出值。

Y（n-1）——上次的濾波輸出值；

α——濾波系數(shù)

τ——RC濾波器時間常數(shù)，τ=RC；

T——采樣周期低通數(shù)字濾波適用于高頻和低頻的干擾信號。3.1數(shù)字濾波3.1.8復(fù)合濾波程序

為了進(jìn)一步提高濾波效果，改善控制精度，有時可以把兩種或兩種以上有不同濾波效果的數(shù)字濾波器組合起來，形成復(fù)合數(shù)字濾波器，或稱多級數(shù)字濾波器。例如：把中值濾波和算術(shù)平均值濾波結(jié)合起來，就可以結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，既可以消除周期性的干擾信號，又可對隨機(jī)的脈沖干擾信號進(jìn)行濾波。也可將采用多重濾波方法，將多個濾波器串聯(lián)起來。標(biāo)度變換：

在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)中的各個參數(shù)都有著不同的數(shù)值和量綱，所有這些參數(shù)都經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換器所能接收的0～5V統(tǒng)一電壓信號，又由A／D轉(zhuǎn)換成00～FFH（8位）的數(shù)字量。為進(jìn)一步顯示、記錄、打印以及報警等，必須把這些數(shù)字量轉(zhuǎn)換成不同的單位，以便操作人員對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視和管理。

3.2標(biāo)度變換3.2標(biāo)度變換3.2.1線性參數(shù)標(biāo)度變換

所謂線性參數(shù)，指一次儀表測量值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果具有線性關(guān)系，或者說一次儀表是線性刻度的。

標(biāo)度變換公式為式中，A0——一次測量儀表的下限；

Am——一次測量儀表的上限；

Ax——實(shí)際測量值（工程量）；

N0——儀表下限對應(yīng)的數(shù)字量；

Nm——儀表上限對應(yīng)的數(shù)字量；

Nx——測量值所對應(yīng)的數(shù)字量。3.2標(biāo)度變換

一般把被測參數(shù)的起點(diǎn)A0（輸入信號為0）所對應(yīng)的A/D輸出值為0，即N0=0，這樣上式可化作例：某熱處理爐溫度測量儀表的量程為200-1000℃，在某一時刻計算機(jī)采樣并經(jīng)數(shù)字濾波后的數(shù)字量為0CDH，設(shè)儀表量程為線性的，求出此時溫度值。A0=200℃，Am=1000℃，Nx=0CDH=（205）D，Nm=0FFH=（255）D，可得此時溫度為℃3.2標(biāo)度變換

有時工程量的實(shí)際值還需經(jīng)過一次變換。如電壓測量值是電壓互感器的二次測的電壓，則其一次側(cè)的電壓還有一個互感器的變比問題，這時上式應(yīng)再乘上一個比例系數(shù)，即3.2標(biāo)度變換3.2.2非線性參數(shù)標(biāo)度變換比如:在過程控制中，最常見的非線性關(guān)系是差壓變送器信號△P

與流量Q

的關(guān)系式中，Q—流量；

K—流量系數(shù)，與流體的性質(zhì)及節(jié)流裝置的尺寸有關(guān)；

ΔP—節(jié)流裝置前后的差壓。傳感器測得數(shù)據(jù)與實(shí)際被測參數(shù)之間非線性關(guān)系，但可用解析式表示。3.2標(biāo)度變換據(jù)此，可得測量流量時的標(biāo)度變換式為整理得Q