数据处理与滤波

—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计1数据处理与滤波河南大学计算机与信息工程学院—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计2数据处理与滤波一．线性化处理二．标度变换三．数字滤波—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计3•数据处理的目的–经过处理后，可直接引用采样数据。•常见的数据处理内容–线性化处理：•(1)孔板差压与流量•(2)热电偶的热电势与温度–校正运算：如温度补偿–测量值与工程量的转换：•(1)线性值公式；•(2)开方值转换公式；•(3)热电偶与热电阻公式—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计4一．线性化处理•在数据采集与处理系统中，一般总希望系统的输出和输入呈简单的线性关系，这样当用仪表来检测和显示系统中的某个物理量时，能得到均匀的刻度，不仅读数看起来清楚方便，而且仪表在整个范围内灵敏度一致。•在实际工程中，计算机从模拟量输入通道得到的现场信号与该信号所代表的被测物理量之间，经常存在着非线性关系。—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计5一．线性化处理•线性化处理—为了保证这些参数能有线性输出，需要引入非线性补偿，将输出信号与被测物理量之间的非线性转化为线性关系，这种转化过程称为~。•方法–直接计算法：可以用解析式明确表示的非线性函数关系；–查表法：将事先计算好的结果存放在数据表中；–线性插值法：非线性关系不能用数学公式精确表达。—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计6一．线性化处理1.线性插值原理yy0yiyyi＋1yn0x0xixxi＋1xnx图4―25分段线性插值法—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计7一．线性化处理例如，设x在(xi，xi+1)区间内，则其对应的逼近值为11()()iiiiiiiiiyyyyxxxxyykxx(4―6)(4―7)或只要n取得足够大，即分段足够多，就可获得良好的非线性转换精度。—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计8一．线性化处理2.线性插值的计算机实现步骤①用实验法测量输入输出的非线性关系曲线y=f(x)。②将测量得到的曲线进行分段，选择插值基点。•等距分段法•非等距分段法③确定并计算出各插值点的xi、yi值及两相邻插值点间拟合直线段的斜率ki。④通过查表找出x所在的区间，取出该段直线的斜率ki和基点值xi、yi⑤根据插值公式y=yi+ki(x-xi)，计算出x点所对应的y值。—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计9二．标度变换•将A/D转换后的数字量转换成带有量纲的数值。•线性参数的标度变换–线性参数：参数值与A/D转换结果之间为线性关系–变换公式：0000()xxmmNNYYYYNN(4―8)00()xxmmNYYYYN(4―9)—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计10二．标度变换•例已知某热处理炉温度测量仪表的量程为200～800℃，在某一时刻计算机经采样、数字滤波后得到的数字量为CDH。设该仪表的量程是线性的，在Y0=200℃时，N0为0；Ym=800℃时，Nm=FFH=(255)10；x=CDH=(205)10。因此，根据公式(4―9)，此时的温度为：00205()200(800200)682255xxmmNYYYYCN—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计11二．标度变换•非线性参数的标度变换–传感器测出的数据与实际被测参数之间不是线性关系–求出它们之间所对应的函数关系•有解析表达式，直接计算对应结果–例，流量测量中，从差压变送器来的信号ΔP与实际流量G成平方根关系GKP—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计12二．标度变换•非线性参数的标度变换–测量流量时的标度变换公式为：00000000()xxmmxxmmKNKNGGGGKNKNNNGGGGNN对于流量测量仪表，一般下限均取0，所以此时G0=0，N0=0xxmmNGGN—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计13三．数字滤波•数字滤波–通过一定的计算程序减少干扰信号在有用信号中的比重•进行数字滤波的必要性–计算机控制系统是采样系统–提高信号的可靠性•主要内容–合理性的判别与滤波–软测量的基本思想—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计141采样数据的合理性判别及报警(1)•越限的限幅与报警设某通道当前采样值为y(k)yL≤y(k)≤yH时;y(k)为当前采样有效值y(k)yH,取y(k)=yH(上限值)，报警y(k)yL,取y(k)=yL(下限值)，报警—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计151采样数据的合理性判别及报警(2)•对采样数据进行分析判断•分析判断的根据–过程机理等客观规律和操作经验–根据运算模块进行检查•常见的处理方法–一般通道：有限次数后报警，停止在线程序–重要通道：设计故障诊断系统甚至容错系统—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计162数字滤波（又称软件滤波）•数字滤波的必要性及优点–与RC滤波器结合使用，可抑制大多数引入过程的干扰–不需要增加硬设备–稳定性好,且一种滤波程序可以反复调用–使用灵活、方便,便于修改—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计172数字滤波—平均值滤波法（1）miikymky1)(1)(算术平均值滤波其中算术平均的次数m值决定了信号的平滑度和灵敏度。适用于对流量、压力及沸腾状液面一类信号作平滑处理。—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计182数字滤波—平均值滤波法（2）•实现方法–可以在一个采样瞬间对一个测点多次采样后,计算出其平均值–也可以对多个采样周期的平均采样值作递推滤波使用•递推运算时,为加快运算速度,可以利用上一次计算出的值,通过递推平均滤波算式(6-2)计算出当前采样时刻的有效采样信号。—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计192数字滤波—平均值滤波法（3）•加权递推平均滤波(滑动平均值滤波)基本思想：算术平均值滤波对每个采样值给出相同的权重系数,即1/m。若要增加新采样值在有效信号中的比重,提高系统对当前所受干扰的灵敏度,实际应用时,可采用加权递推平均滤波,其算式为常数ai的选取是多种多样的，满足10)()(miiikyaky110miia—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计202数字滤波—中值滤波法（1）•中值滤波的基本原理–在某采样瞬间对被测参数连续采样3次,选择大小居中的数据作为有效信号。•适用范围–能有效地去除由于偶然因素引起的波动或因采样器的不稳定造成的误码等脉冲性干扰。•平均值滤波对具有周期性干扰噪声的信号比较有效，中值滤波法对偶然出现的脉冲干扰信号有良好的滤波效果，可结合使用。—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计212数字滤波—惯性滤波法(一阶滞后滤波)•惯性滤波法基本概念用软件实现RC低通滤波器功能,动态方程为其中Tf=RC，称为滤波时间常数离散化后动态方程，T为采样周期,得,0＜a＜1,称为滤波系数。xydtdyTf)()1()1()(kxakayky)/(TTTaff—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计222数字滤波—程序判断滤波•基本概念克服偶然的、大幅度的跳码干扰–比较两个相邻采样瞬间采样值的大小•关键–正确选择Δy0。故该法又叫限速(变化率)滤波法|y(k)-y(k-1)|≤Δy0,则y(k)=y(k)Δy0,则y(k)=y(k-1)—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计232数字滤波•各种滤波方法的特点与应用–平均值滤波适用于周期性干扰；–加权平均递推滤波适用于纯滞后较大的过程；–中值滤波和程序判断滤波适用于偶然出现的脉冲干扰；–惯性滤波适用于高频干扰。—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计243软测量简介（1）•问题的提出背景–实际生产过程中，一些重要质量指标变量如精馏塔的产品组分浓度、生物发酵罐中菌体浓度等都难以直接测量，以前的解决方法：（1）采用间接的质量指标：如温度控制（2）采用在线分析仪表•采用软测量方法及其应用技术—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计253软测量简介（2）•何谓软测量–选择与被估计变量相关的一组可测变量，构造出某种以可测变量为输入、被估计变量为输出的数学模型，用计算机软件实现的重要过程变量的估计。–这类数学模型及相应的计算机软件被称为软测量器或“软仪表”。—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计263软测量简介（3）•软测量技术包括三个部分：–软测量建模方法–模型实时演算的工程化实施技术–模型自校正（模型维护）技术•软测量的一般公式–软测量是实用性的应用技术，它以软测量模型在线运算并给出准确的估计值为目标),,,,(ˆ*1txyudfx—计算机控制技术—2020/3/18第4章数据采集系统设计273软测量简介（4）•软测量工程化设计步骤–初选辅助变量–现场数据采集与处理–辅助变量的精选–软测量模型的结构选择–模型参数估计–软测量模型实施–在线数据预处理软测量模型精度保证机制：在线自校正和不定期的模型更新