数字滤波 数据处理与控制策略

计算机控制技术1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DigitalFilter:数字滤波，NumericalControl（NC）：数字控制，ComputerizedNumericalControl(CNC):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参考资料刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义第4章数据处理与控制料略22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)(ky，即mikymy1)(1)k(＝（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)1(ky，通过递推平均滤波算式mmkymkyyy)1()()1-k()k(＝（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10)()k(miikyay＝（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。典型RC低通滤波器的动态方程为计算机控制技术3xydtdyTf＝（4.4）式（4-4）离散化可得低通滤波算法为x(k))a1()1k(ayy(k)＝（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PkF＝（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xy＝（x0），则]1)-y(kx1)-[y(k21)(y＝k（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℃范围内，可按下式求温度01223344TaEaEaEaEa＝（4.10）式中E为热电势[mV]，T为温度[℃]。（4.10）式可以写成01234])[TaEaEaEaEa＝（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。线性化过程是：首先判断测量数据处于哪一折线段内，然后按相应段的线性化公式计算出线性值。折线段的分法并不是惟一的，可以视具体情况和要求来定。当然，折线段数越多，线性化精度越高，软件的开销也就相应增加。第4章数据处理与控制料略442.校正运算有时来自被控对象的某些检测信号与真实值有偏差，这时需要对这些检测信号进行补偿，力求补偿后的检测值能反映真实情况。3.标度变换在计算机控制系统中，生产中的各个参数都有不同的数值和量纲，这些参数都经过变送器转换成A/D转换器能接收的0~5V电压信号，又由A/D转换成00~FFH（8位）的数字量，它们不在是带量纲的参数值，而是仅代表参数值的相对大小。为方便操作人员操作以及满足一些运算、显示和打印的要求，必须把这些数字量转换成带有量纲的数值，这就是所谓的标度变换。（1）线性参数标度变换所谓线性参数，指一次仪表测量值与A/D转换结果具有线性关系，或者说一次仪表是线性刻度的。其标度变换公式为：0000()xxmmNNAAAANN（4.15）式中，A0为一次测量仪表的下限，Am为一次测量仪表的上限，Ax为实际测量值（工程量），N0为仪表下限对应的数字量，Nm为仪表上限对应的数字量，Nx为测量值所对应的数字量。其中A0，Am，N0，Nm对于某一个固定的被测参数来说是常数，不同的参数有不同的值。为使程序简单，一般把被测参数的起点A0（输入信号为0）所对应的A/D输出值为0，即N0＝0，这样式（4.15）可化为：00)(AAANNAmmxx（4.16）有时，工程量的实际值还需经过一次变换，如电压测量值是电压互感器的二次测的电压，则其一次测的电压还有一个互感器的变比问题，这时上式应再乘上一个比例系数：00)(AAANNkAmmxx（4.17）（2）非线性参数标度变换在过程控制中，最常见的非线性关系是差压变送器信号△P与流量F的关系（见式（4.8），据此，可得测量流量时的标度变换式为：0000xxmmkNkNGGGGkNkN即0000()xxmmNNGGGGNN（4-18）式中G0为流量仪表下限值，Gm为流量仪表上限值，Gx为被测量的流量值，N0为差压变送器下限所对应的数字量，Nm为差压变送器上限所对应的数字量，Nx为差压变送器所测得的差压值（数字量）。4.越限报警处理在计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有上、下限检查及报警系统，以便提醒操作人员注意或采取相应的措施。其方法就是把计算机采集的数据经计算机进行数据处理、数字滤波、标度变换之后，与该参数上、下限给定值进行比较。如果高于(或低于)上限(或下限)，则进行报警，否则就作为采样的正常值，以便进行显示和控制。报警系统一般为声光报警信号，灯光多采用发光二极管(LED)或白炽灯光等，声响则多为电铃、电笛等。有些地方也采用闪光报警的方法，即使报警的灯光或声音按一定的频率闪烁(或发声)。报警程序的设计方法主要有两种。一种是全软件报警程序。另一种是直接报警程序。5.死区处理从工业现场采集到的信号往往会在一定的范围内不断的波动，或者说有频率较高、能量不大的干扰叠加在信号上，这种情况往往出现在应用工控板卡的场合，此时采集到的数据有效值的最后一位不停的波动，难以稳定。这种情况可以采取死区处理，把不停波动的值进行死区处理，只有当变化超出某值时才认为该值发生了变化。比如编程时可以先对数据除以10，然后取整，去掉波动项。4.2数控技术基础数控技术和数控设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。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。计算机控制技术5一概述数字控制是近代发展起来的一种自动控制技术，国家标准（GB8129—87）定义为“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”。采用数控技术的控制系统称为数控系统，采用了数控系统的设备称之为数控设备，以计算机为核心的数控系统称为计算机数控系统（ComputerizedNumericalControl，CNC）。数控机床是一种典型的数控设备，由于数控技术是与机床控制密切结合发展起来的，因此以往讲数控即指机床数控。世界上第一台数控机床是1952年美国麻省理工学院（MIT）伺服机构实验室开发出来，当时的主要动机是为了满足高精度和高效率加工复杂零件的需要。数控设备中的构成如图4.1所示。图中CNC是数控设备的核心，它的功能是接受输入的控制信息，完成数控计算、逻辑判断、输入输出控制等功能。被控对象可以是机床、雕刻机、焊接机、机械手、绘图仪、套色印刷机械、包装机械等。CNC通过输入通道获得被控对象的各种反馈信息。图4.1数控设备的组成二数控原理首先分析图4.2所示的平面曲形图形，如何用计算机在绘图仪或数控加工机床上重现，以此来简要说明数字控制的基本原理。1.将图4.2所示的曲线分割成若干段，可以是直