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数字滤波 数据处理与控制策略.doc
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第 4 章 数据处理与控制策略
本章的教学目的与要求
掌握各种数字滤波的原理、特点及使用场合,数控技术、数字 PID 及常规控制系统,了解先进
控制系统。
授课主要内容
数字滤波和数据处理
数控技术
数字 PID
常规控制系统
先进控制系统
主要外语词汇
Digital Filter:数字滤波,Numerical Control(NC):数字控制,
puterized Numerical Control(C):计算机数字控制
重点、难点及对学生的要求
说明:带“
***”
表示要掌握的重点内容,带“
**”
表示要求理解的内容,带“
*”
表示要求了解的内容,
带“☆”表示难点内容,无任何符号的表示要求自学的内容
常用的数字滤波的原理、特点及使用场合***
常用的数据处理方法***
数字 PID 及改进算法***☆
常规控制方法***
先进控制方法*
辅助教学情况
多媒体教学课件(POWERPOINT)
复习思考题
常用的数字滤波的原理、特点及使用场合
常用的数据处理方法
数字 PID 及改进算法
常规控制方法
先进控制方法
参考资料
X 川来,胡乃平,计算机控制技术,##科技大学讲义
Word.
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计算机系统的抗干扰不可能完全依靠硬件解决,一般需要进行数字滤波。另外在计算机控制系
统中,根据实际需要经常会用到数据处理技术对数据进行预处理。
数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的
经济发展和综合国力,关系到一个国家的战略地位。
计算机控制系统中的控制策略是指基于控制理论,在被控对象数学模型或操作人员的先验知识
基础上设计并用计算机软件实现的数字控制器或某种控制算法。
4.1 数字滤波和数据处理
数字滤波是指在计算机中利用某种计算方法对原始输入数据进行数学处理,去掉原始数据中掺
杂的噪声数据,提高信号的真实性,获得最具有代表性的数据集合。
通过数字滤波得到比较真实的被测参数,有时不能直接使用,还需要做某些处理。
一 数字滤波
我们这里所说的数字滤波技术是指在软件中对采集到的数据进行消除干扰的处理。
采用数字滤波优点一是不需要增加硬件设备,只需在计算机得到采样数据之后,执行一段根据
预定滤波算法编制的程序即可达到滤波的目的;优点二是数字滤波稳定性好,一种滤波程序可以反
复调用,使用方便灵活。
1. 平均值滤波法
(1)算术平均值滤波
对于一点数据连续采样多次,计算其算术平均值,以其平均值作为该点采样结果。这种方法可
以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。实质是对采样数据 y(i)的 m 次测量值进行算术平均,作
为时刻 kT 的有效输出采样值 ,即
(4.1)
m 值决定了信号平滑度和灵敏度。
为提高运算速度,可以利用上次运算结果 ,通过递推平均滤波算式
(4.2)
得到当前采样时刻的递推平均值。
算术平均值滤波和加权平均值滤波主要用于对压力、流量等周期性的采样值进行平滑加工,但
对偶然出现的脉冲性干扰的平滑作用尚不理想,因而不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。
(2)加权平均值滤波
由(4-1)式可以看出,算术平均值滤波法对每次采样值给出相同的加权系数,即 1/m,实际
上有些场合需要增加新采样值在平均值中的比重,这时可采用加权平均值滤波法,其算式为
(4.3)
这种滤波方法可以根据需要突出信号的某一部分,抑制信号的另一部分。适用于纯滞后较大、
采样周期短的过程。
2. 中值滤波法
所谓中值滤波是对某一参数连续采样 n 次,然后把 n 次的采样值从小到大或从大到小排队,再
取中间值作为本次采样值。
中值滤波对于去掉由于偶然因素引起的波动或采样器不稳定造成的误差所引起的脉动干扰比较
有效。若变量变化比较慢,则采用中值滤波效果比较好,但对快速变化的参数不宜采用。
如果将平均值滤波和中值滤波结合起来使用,滤波效果会更好。
3. 惯性滤波法
前面几种方法基本上属于静态滤波,主要适用于变化过程比较快的参数,如压力、流量等。对
于慢速随机变量,则采用短时间内连续采样取平均值的方法,其滤波效果不够理想。
为提高滤波效果,可以仿照模拟系统 RC 低通滤波器的方法,将普通硬件 RC 低通滤波器的微分
方程用差分方程来表示,用软件算法来模拟硬件滤波器的功能。
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/27140694/bg3.jpg)
典型 RC 低通滤波器的动态方程为
(4.4)
式(4-4)离散化可得低通滤波算法为
(4.5)
该种滤波方法模拟了具有较大惯性得低通滤波功能,主要适用于高频和低频的干扰信号。
4. 程序判断滤波
程序判断滤波的方法,是根据生产经验,确定两次采样输入信号可能出现的最大偏差 Δy。若超
过此偏差值,则表明该输入信号是干扰信号,应该去掉;如小于此偏差值,则可以将信号作为本次
采样值。
程序判断滤波一般分两种:
(1)限幅滤波
(2)限速滤波
数据采集所采用的检测技术不同,检测对象不同,数据的采集频率、信噪比不同,各种数字化
滤波算法各有优缺点,所以我们在实际应用中要根据情况将其有机的结合起来,为数据处理选择一
种最优的滤波算法,保证数据准确、快速的反应被检测对象的实际,为生产管理提供有效的数据。
二 数据处理
1. 线性化处理
计算机从模拟量输入通道得到的检测信号与该信号所代表的物理量之间不一定成线性关系。而
在计算机内部参与运算与控制的二进制数希望与被测参数之间成线性关系,其目的既便于运算又便
于数字显示,因此还须对数据做线性化处理。
在常规自动化仪表中,常引入“线性化器”来补偿其他环节的非线性,如二极管阵列、运算放大器
等,都属于硬件补偿,这些补偿方法一般精度不太高。在计算机数据处理系统中,用计算机进行非
线性补偿,方法灵活,精度高。常用的补偿方法有计算法、插值法、折线法。
(1)计算法
当参数间的非线性关系可以用数学方程来表示时,计算机可按公式进行计算,完成非线性补偿 。
在过程控制中最常见的两个非线性关系是差压与流量、温度与热电势。
用孔板测量气体或液体流量,差压变送器输出的孔板差压信号 ΔP,同实际流量 F 之间呈平方根
关系,即
(4.8)
式中 k 是流量系数。用数值分析方法计算平方根,可采用牛顿迭代法,设 (x>0),则
(4.9)
热点偶的热电势同所测温度之间也是非线性关系。例如,镍铬-镍铝热点偶在 400~1000℃X
围内,可按下式求温度
(4.10)
式中 E 为热电势[mV],T 为温度[℃]。
(4.10)式可以写成
(4.11)
可用上式将非线性化的关系分成多个线性化的式子来实现。
(2)插值法
计算机非线性处理应用最多的方法就是插值法。其实质是找出一种简单的、便于计算处理的近
似表达式代替非线性参数。用这种方法得到的公式叫做插值公式。常用的插值公式有多项式插值公
式、拉格朗日插值公式、线性插值公式等
(3)折线法
上述两种方法都可能会带来大量运算,对于小型工控机来说,占用内存比较大,为简单起见,
可以分段进行线性化,即用多段折线代替曲线。
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