计算机控制技术第6章课题.ppt

计算机控制技术 第6章 数据处理技术 主要内容 明确了微型计算机控制系统中数字信号分析和加工处理的必要性，阐述了不同情况下对不同输入数字量进行数据处理的算法、原理及适用场合，简要介绍了数字滤波、标度变换和线性化处理、查表等几种常用测量算法。 学习任务 ●了解数字滤波的优越性和标度变换的必要性。 ●掌握几种常用数字滤波器和标度变换的算法及用途。 ●认知查表法的查表方法及作用。 6.1 数字滤波 6.1.1 惯性滤波法 常用RC低通滤波器如图6-1所示，其微分方程如下: （6-1） 图6-1 RC低通滤波器 用一阶向后差分代替微分，得 （6-2） 式中，Q为滤波系数（其值通常远小于1）;x（k）为第k次采样值;y（k）为第k次滤波结果 的输出值;y（k-1）为第k -1次滤波结果的输出值.式（6-2）称为惯性滤波算法。用程序实现式（6-2），就可以用软件实现 RC滤波功能。 惯性滤波算法的截止频率可由下式求得 （6-3） 式中， Q为滤波系数;T为采样周期。 若取Q=0.06，采样周期T =0.5 s，则f1=0.02 Hz。所以，当被测信号变化缓慢时，如大型贮水池的水位信号等，惯性滤波法是十分有效的。反过来，当截止频率确定后，也可根据式（6-3）确定系数 Q。 惯性滤波算法的程序流程图如图6-2所示。 除了低通滤波法，同样可以用软件算法模拟高通滤波法和带通滤波法，这部分可参考其他有关专著，此处从略 6.1.2 算术平均滤波法 使用算术平均滤波法时，对被测量连续采样 N次，然后求得其算术平均值作为有效采样值。即 （6-4） 式中， x（i）是第i次采样值，N是采样次数，是N个采样值的算术平均值，式（6-4）称为算术平均值滤波算法。 从式（6-4）可见，算术平均滤波法的特点是各次采样值都在某一数值邻域内上下波动，即有一平均值的信号，因此它适用于平滑对称性噪声等信号，例如流量、液位等。 算术平均滤波法的程序流程图如图6-3所示。 如图6-4所示，输入的真实信号是阶跃信号，当受到如图（b）所示的有规律的干扰时，算术平均滤波法能很好的滤除这种干扰，但是当受到如图（c）所示的脉冲性干扰时，这种方法就不能取得良好的滤波效果了。从分析结果可以看出，算术平均滤波法对周期性干扰有良好的抑制效果，对脉冲性干扰的滤波效果并不理想，存在测量误差。 为了新近的采样值具有重要的影响，而较早的采样值的影响较小，这样每次采样值会根据其作用不同分配不同的权，它们在滤波输出结果中会占不同的比例。把各次采样值乘以权，再求和，此方法就是加权算术平均滤波，即 （6-5） 式中，x（i）是第i个采样值，N是采样次数，是N个采样值的加权算术平均值;r0，r1，r2，…，rN -1为加权系数，一般 式（6-5）称为加权算术平均值滤波算法。 加权平均滤波法程序流程如图6-5所示。 6.1.4 中值滤波法 中值滤波法是在某一采样时刻，连续采样 N次检测信号x1，x2，…，xN，通常 N取奇 数，一般情况下N =3或5。然后将这些采样排序，选择大小居中的数据作为有效信号的方法。 中值滤波法可以有效地滤除脉冲性干扰的影响，如图6-6所示，三次采样值，可能都不受干扰，或者受到一次或两次甚至三次都受到干扰。中值滤波法的程序流程图如图6-7所示。 6.1.5 防脉冲干扰平均值法（复合滤波法） 防脉冲干扰平均值法是结合算术平均法和中值滤波法两者长处的一种方法。具体做法是: ①把 N次采样值按照从大到小或者从小到大的顺序排序。 ②采用中值滤波，去掉最大值和最小值。 ③对其余的N -2个采样值取算术平均值，作为滤波的输出值。 其滤波算式如下表示（由小到大排序） 假设 x1≤x2≤…≤xn 通常 3≤ n≤5 去掉最小值x1和最大值xn，则滤波输出值 （6-7） 式中，xi是第 i次采样值; N是采样次数;y是N -2个采样值的算术平均值。式（6-7）称为防脉冲干扰平均值算法。 6.1.6 滑动平均滤波法 所谓滑动平均滤波法就是将本次采样值和过去的若干个采样值一起求平均值，得到本次有效采样值即可投入使用。这样每采样一次，便可获得一个有效采样值。 假设把N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每进行一次新的采样，扔掉队首的一个数据，把采