第5章(過程控制數(shù)據(jù)處理方法-數(shù)字濾波技術(shù))

7.1數(shù)字濾波技術(shù)

7.2量程自動轉(zhuǎn)換和標(biāo)度變換

7.3測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

第七章：過程控制數(shù)據(jù)處理方法第七章：過程控制數(shù)據(jù)處理方法數(shù)據(jù)采集--在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，是最基本的一種模式。一般是通過傳感器、變送器把生產(chǎn)過程的各種物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)A/D通道或DI通道，把數(shù)字量送入計算機(jī)中。數(shù)據(jù)處理--計算機(jī)在對這些數(shù)字量進(jìn)行顯示和控制之前，還必須根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值計算即數(shù)據(jù)處理。為了滿足不同系統(tǒng)的需要，設(shè)計出了許多有效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)方法，如測量數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)字濾波，量程自動轉(zhuǎn)換和標(biāo)度變換等。7.1數(shù)字濾波技術(shù)引言：問題：環(huán)境干擾使采樣值偏離真實值，因此需要濾波；目的：提高信/噪比；微機(jī)控制技術(shù)數(shù)字濾波技術(shù)的優(yōu)點：（1）無需增加任何硬設(shè)備。（2）系統(tǒng)可靠性高，不存在阻抗匹配問題。（3）可多通道共享，從而降低了成本。（4）可以對頻率很低(如0.01Hz)的信號進(jìn)行濾波。（5）使用靈活、方便，可根據(jù)需要選擇不同的濾波方法或改變?yōu)V波器的參數(shù)。

數(shù)字濾波的幾種常用方法：（1）程序判斷濾波（2）中值濾波（3）算術(shù)平均值濾波（4）加權(quán)平均值濾波（5）滑動平均值濾波（6）RC低通數(shù)字濾波（7）復(fù)合數(shù)字濾波微機(jī)控制技術(shù)7.1.1程序判斷濾波（1）方法：

①根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，確定出相鄰兩次采樣信號之間可能出現(xiàn)的最大允許偏差△Y。

②若兩次采樣信號之間的偏差超過△Y：則表明該輸入信號是干擾信號，去掉。小于△Y：將信號作為本次采樣值。（2）應(yīng)用場合：

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，可采用程序判斷法進(jìn)行濾波。微機(jī)控制技術(shù)濾波方法——限幅濾波和限速濾波

1．限幅濾波作法：|Y(k)-Y(k-1)|≤△Y,則取Y(k)=Y(k)|Y(k)-Y(k-1)|＞△Y,則Y(k)=Y(k-1)(7-1)式中：Y(k)——

第k次采樣值；Y(k-1)——第(k-1)次采樣值；△Y——相鄰兩次采樣值允許的最大偏差。

（大小取決于采樣周期T及Y值的變化動態(tài)響應(yīng)）。微機(jī)控制技術(shù)7.1.1程序判斷濾波2．限速濾波

（1）基本原理最多可用三次采樣值來決定采樣結(jié)果。作法：當(dāng)|Y(2)-Y(1)|＞△Y時，再采樣一次，取得Y(3)，根據(jù)|Y(3)-Y(2)|與△Y的大小關(guān)系來決定本次采樣值。設(shè)在t1、t2、t3順序采樣值依次為為Y(1)、Y(2)、Y(3)，若|Y(2)-Y(1)|≤△Y，取Y(2)輸入計算機(jī)當(dāng)|Y(2)-Y(1)|＞△y時，繼續(xù)采樣取得Y(3)若|Y(3)-Y(2)|≤△Y時，則取Y(3)輸入計算機(jī)當(dāng)|Y(3)-Y(2)|＞△Y時，則取Y(3)+Y(2)/2輸入計算機(jī)

微機(jī)控制技術(shù)(7-2)7.1.1程序判斷濾波用途：主要用于變化比較緩慢的參數(shù)，（溫度、物位等）門限值△Y的選?。骸鱕太大，增大了系統(tǒng)誤差允許的程度；△Y太小，又會使計算機(jī)采樣效率變低。

（根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)獲得,必要時也可由實驗得出）。微機(jī)控制技術(shù)7.1.1程序判斷濾波特點:限速濾波是一種折衷的方法，既照顧了采樣的實時性，又顧及了采樣值變化的連續(xù)性。

缺點：

①△Y的確定不夠靈活，必須根據(jù)現(xiàn)場的情況不斷更換新值；

②不能反映采樣點數(shù)N＞3時各采樣數(shù)值受干擾情況。實際中，可取[|Y(1)-Y(2)|+|Y(2)-Y(3)]/2取代△Y這樣既保持限速濾波的特性，又加大了靈活性。（如圖7-1）微機(jī)控制技術(shù)7.1.1程序判斷濾波

圖7-1限速濾波程序流程圖微機(jī)控制技術(shù)取Y(2)7.1.1程序判斷濾波內(nèi)存分配:20H、21H、22H：Y(1)、Y(2)、Y(3)23H、24H—中間結(jié)果LIMIT--△Y濾波結(jié)果存放在A累加器中。限速濾波程序如下：微機(jī)控制技術(shù)7.1.1程序判斷濾波

ORG 8000HPRODT2：MOV A， 20H ；A←Y(1)

CLR C ；進(jìn)位位清零

SUBB A， 21H ；計算Y(1)-Y(2)

JNC LOOP1 ；Y(1)-Y(2)≥0，轉(zhuǎn)LOOP1

CPL A；負(fù)數(shù)，取反加1

INC ALOOP1：

MOV 23H， A ；23H←｜Y(1)-Y(2)｜

MOV A， 21H ；計算

｜Y(2)-Y(3)｜

CLR C

SUBB A， 22H

JNC LOOP2

CPL A；負(fù)數(shù)，取反加1

INC A（2）限速濾波程序微機(jī)控制技術(shù)LOOP2：

MOV 24H， A ;24H←｜Y（2）-Y（3）｜

ADD A， 23H ;Y=[｜Y(1)-Y(2)|+|Y(2)-Y(3)｜]/2

RRC A

MOV LIMIT，A ;（LIMIT）←△

Y

MOV A， 23H

CJNE A，LIMIT，DONE1

AJMP DONE2 ；｜Y(1)-Y(2)｜＝△

Y，轉(zhuǎn)DONE2DONE1：

JC DONE2 ；｜Y(1)-Y(2)｜<△

Y，轉(zhuǎn)DONE2

MOV A， 24H ；A←｜Y(2)-Y(3)｜

CJNE A，LIMIT，DONE4

AJMP DONE5 ；｜Y(2)-Y(3)｜＝

△

Y，轉(zhuǎn)DONE5DONE4：

JC

DONE5 ；｜Y(2)-Y(3)｜<△

Y，轉(zhuǎn)DONE5

AJAMP DONE6DONE5：MOV A，22H ；｜Y(2)-Y(3)｜≤△

Y，取Y(3)

AJMP DONE3微機(jī)控制技術(shù)7.1.1程序判斷濾波DONE6：MOV

A，21H；｜Y(2)-Y(3)｜>△Y，取[Y(3)+Y(2)]/2

ADD

A，22H

RRC

A

AJMP DONE3DONE2：MOV

A，21H ；｜Y(1)-Y(2)｜≤△Y，取Y(2）DONE3：RETLIMIT EQU 30H

算術(shù)平均值濾波是要尋找一個Y(k)，使該值與各采樣值間誤差的平方和為最小，即

由一元函數(shù)求極值原理，得 式(7-3)(7-3)式中，

—第k次N個采樣值的算術(shù)平均值；

—第i次采樣值；

N—采樣次數(shù)。7.1.2算術(shù)平均值濾波

微機(jī)控制技術(shù)算術(shù)平均值濾波浮點運算子程序

ORG 8000HFARIFT:MOV R6,#40H ;置初值0

MOVR2,#00H

MOVR3,#00H

MOVA,COUNT

PUSHA

MOVR0，#DATA7.1．2算術(shù)平均值濾波 LOOP：LCALLLOADXI ；R7（階）R4R5←X(i)

CLR 3AH ；執(zhí)行加法 LCALL FABP ；R6（階）R2R3+R7（階）R4R5

；→R4（階）R2R3 MOV A，R4 ；送累加和到R6（階）R2R3 MOV R6，A DJNZ COUNT，LOOP ；N≠0，繼續(xù)相加 LCALL FSTR ；N次采樣的累加和送（R1）指向的3個單元 POP A ；恢復(fù)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個單元中

CLR 3CH LCALL INTF ；將N轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)微機(jī)控制技術(shù)7.1．2算術(shù)平均值濾波 LCALL FDIV ；計算N次采樣值累加和的平均值 MOV A，R0 MOV R1，A LCALL FSTR ；存放平均值 RETLOADXI： MOV 36H，R6 ；保護(hù)中間結(jié)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

7.1．2算術(shù)平均值濾波 LCALL INTF ；轉(zhuǎn)換成3字節(jié)浮點數(shù) MOV A，@R1 ；把3字節(jié)浮點數(shù)送到R7（階）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 ；恢復(fù)中間結(jié)果 MOV R2，37H MOV R3，38H RET7.1．2算術(shù)平均值濾波 DATA EQU 20H MED1 EQU 30H COUNT EQU 33H MED2 EQU 36H

7.1．2算術(shù)平均值濾波說明：算術(shù)平均濾波主要用于對周期脈動的采樣值進(jìn)行平滑加工（如壓力、流量等）對脈沖性干擾的平滑作用尚不理想。隨著N值的增大，平滑度將提高，靈敏度降低。經(jīng)驗數(shù)據(jù)：流量參數(shù)濾波時，N取12次，壓力取4次，如無噪聲干擾，溫度可不取平均值。微機(jī)控制技術(shù)7.1.3加權(quán)平均值濾波算術(shù)平均濾波法濾波結(jié)果中取每次采樣值的1/N。有時為提高濾波效果，將各采樣值取不同的比例，求其和作為濾波結(jié)果，稱為加權(quán)平均法。一個n項加權(quán)平均式為式中C0、Cl、…、Cn-l均為常數(shù)項，應(yīng)滿足下列關(guān)系：

(7-5)式中C0、Cl、C2、…、Cn-l為各次采樣值的系數(shù)。(7-5)微機(jī)控制技術(shù)7.1.4滑動平均值濾波算術(shù)平均值濾波，加權(quán)平均值濾波，適合于有脈動式干擾的場合。采用滑動平均值濾波法，可加快平均濾波的速度。作法：在RAM中建立一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，依順序存放N次采樣數(shù)據(jù)，每采進(jìn)一個新數(shù)據(jù)就將最早采集的那個數(shù)據(jù)丟掉，而后求包括新數(shù)據(jù)在內(nèi)的N個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。這樣，每一次采樣，就可計算出一個新的平均值。微機(jī)控制技術(shù)7.1．4滑動平均值濾波滑動平均值濾波程序有兩種：一種是滑動算術(shù)平均值濾波，一種是滑動加權(quán)平均值濾波。

微機(jī)控制技術(shù)7.1．5RC低通數(shù)字濾波前面講的幾種濾波方法基本上屬于靜態(tài)濾波，適用于變化過程比較快的參數(shù)，如壓力、流量等。仿照模擬系統(tǒng)RC低通濾波器的方法，用數(shù)字形式實現(xiàn)低通濾波，可以提高濾波效果。如圖7-3所示。微機(jī)控制技術(shù)7.1．5RC低通數(shù)字濾波圖7-3RC低通濾波器微機(jī)控制技術(shù)7.1.5RC低通數(shù)字濾波由圖7-3，寫出模擬低通濾波器的傳遞函數(shù)，即 (7-6)

其中，為RC濾波器的時間常數(shù)，＝RC。

RC低通數(shù)字濾波軟件實現(xiàn)：

（7-7）

式中，X(k)——第k次采樣值；Y(k-1)——第k-1次濾波結(jié)果輸出值；

微機(jī)控制技術(shù)Y(k)——第k次濾波結(jié)果輸出值；

——濾波平滑系數(shù)，T——采樣周期。

對于一個確定的采樣系統(tǒng)而言，T為已知量，所以由，可得 （7-8）當(dāng)<<1時，ln(1-)-1=，則式（7-8）可簡化為 (7-9）

7.1．5RC低通數(shù)字濾波微機(jī)控制技術(shù)7.1.6復(fù)合數(shù)字濾波 為進(jìn)一步提高濾波效果，可以把兩種或兩種以上不同濾波功能的數(shù)字濾波器組合起來，組成復(fù)合數(shù)字濾波器，或稱多級數(shù)字濾波器。

[例如]算術(shù)平均濾波/加權(quán)平均濾波只能對周期性的脈動采樣值進(jìn)行平滑加工。中值濾波可以解決隨機(jī)的脈沖干擾(電網(wǎng)的波動，變送器的臨時故障等)。將二者組合起來，形成多功能的復(fù)合濾波。微機(jī)控制技術(shù)

1、防脈沖干擾的平均值濾波

上述濾波方法的原理可由下式表示：若