第3章常用应用程序设计

计算机控制技术3.1数字滤波3.2标度变换本章具体内容第3章常用应用程序设计第三章常规数字控制器的设计方法2第三章常用应用程序设计3.1数字滤波所谓数字滤波，就是在计算机中用某种计算方法对输入的信号进行数学处理，以便减少干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性。这种滤波方法不需要增加硬件设备，只需根据预定的滤波算法编制相应的程序即可达到信号滤波的目的。数字滤波可以对各种干扰信号，甚至极低频率的信号进行滤波。数字滤波由于稳定性高，滤波参数修改也方便，一种滤波子程序可以被各控制回路调用，因此得到广泛的应用。第三章常规数字控制器的设计方法3第三章常用应用程序设计3.1数字滤波3.1.1程序判断滤波程序判断滤波的方法，是根据生产经验，确定出两次采样输入信号可能出现的最大偏差△y。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，可将信号作为本次采样值。当采样信号由于随机干扰，如大功率用电设备的启动或停止，造成电流的尖峰干扰或误检测，以及变送器不稳定而引起的严重失真等，使得采样数据偏离实际值太远，可采用程序判断滤波。程序判断滤波可分为两种，即限幅滤波和限速滤波。第三章常规数字控制器的设计方法4第三章常用应用程序设计3.1数字滤波1．限幅滤波当|Y（n）-Y（n-1）|≤△Y时，则取Y（n）=Y（n），取本次采样值当|Y（n）-Y（n-1）|＞△Y时，则取Y（n）=Y（n-1），取上次采样值Y（n）——第n次采样值；Y（n-1）——第n-1次采样值；△Y——相邻两次采样值所允许的最大偏差，它的大小取决于采样周期T及被测参数Y应有的正常变化率。一定要按照实际情况来确定△Y，否则非但达不到滤波效果，反而会降低控制品质。△Y通常可根据经验数据获得，必要时，也可由实验得出。第三章常规数字控制器的设计方法5第三章常用应用程序设计3.1数字滤波程序流程图第三章常规数字控制器的设计方法6第三章常用应用程序设计3.1数字滤波2．限速滤波设顺序采样时刻tn-1、tn、tn+1所采集的参数分别为Y（n-1）、Y（n）、Y（n+1），那么|()(1)||1|1|1|11|1|2YnYnYYnYnYnYYnYnYnYnYYnYnYnYnYnY当时，（）输入计算机当（）（）时，（）不采用，但仍保留，继续采样取得（）当（）（）时，（）输入计算机（）（）当（）（）时，则取输入计算机第三章常规数字控制器的设计方法7第三章常用应用程序设计3.1数字滤波程序流程图第三章常规数字控制器的设计方法8第三章常用应用程序设计3.1数字滤波3.1.2算术平均值滤波算术平均值法滤波是把一个采样周期内对信号的n次采样值进行算术平均，作为本次的输出。)(nYninYnnY1)(1)(n值决定了信号平滑度和灵敏度。随着n的增大，平滑度提高，灵敏度降低。为方便求平均值，n值一般取4、8、16之类的2的整数幂。通常流量信号取12，压力信号取6，温度、成分等缓慢变化的信号取2甚至不平均。主要用于对压力、流量等周期脉动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，因而它不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。第三章常规数字控制器的设计方法9第三章常用应用程序设计3.1数字滤波3.1.3加权平均值滤波加权平均值滤波法公式为11110010nnniiiYkYkYkYkYk0、k1、…kn-1为加权系数，体现了各次采样值在平均值中所占的比例，它们都为大于0的常数项，且满足110niik一般采样次数愈靠后，取的比例愈大，这样可增加新的采样值在平均值中的比例。该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。适用于纯滞后较大的被控对象。第三章常规数字控制器的设计方法10第三章常用应用程序设计3.1数字滤波3.1.4中值滤波中值滤波是对某一参数连续采样n次（一般n取奇数），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。中值滤波对于由于偶然因素引起的波动或采样不稳定引起的脉动干扰比较有效。一般应用于变化比较缓慢的过程参数。一般n取3-5次。第三章常规数字控制器的设计方法11第三章常用应用程序设计3.1数字滤波去极值平均滤波的算法是：连续采样n次，去掉一个最大值，再去掉一个最小值，求余下n-2个采样值的平均值。为使平均滤波方便，n-2应为2、4、8、16，故n常取4、6、10、18。去极值平均滤波流程图3.1.5去极值平均滤波第三章常规数字控制器的设计方法12第三章常用应用程序设计3.1数字滤波3.1.6滑动平均滤波滑动平均滤波法每个周期只采样一次，把n个测量数据看成一个队列，队列的长度固定为n，每进行一次新的采样，把测量结果放入队尾，而去掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有n个“最新”的数据。然后把队列中的n个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。滑动平均值滤波对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差，不易消除由于脉冲干扰引起的采样值的偏差，因此它不适用于脉冲干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡系统。通常对流量信号，n取12，压力信号n取4，液面参数n取4~12，温度信号n取1~4。第三章常规数字控制器的设计方法13第三章常用应用程序设计3.1数字滤波3.1.7低通数字滤波对于变化过程比较缓慢的随机变量采用短时间内连续采样，然后求平均值的方法进行滤波，其效果往往不够理想。为了提高滤波效果，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，便可以用软件算法来模拟硬件滤波器的功能。图3-5RC低通滤波器第三章常规数字控制器的设计方法14第三章常用应用程序设计3.1数字滤波模拟低通滤波器的传递函数为11)()()(ssXsYsG为RC滤波器的时间常数，RC离散后，可得：Y（n）=（1-α）Y（n-1）+αX（n）式中，X（n）——本次采样值；Y（n）——本次滤波的输出值。Y（n-1）——上次的滤波输出值；α——滤波系数/Te1τ——RC滤波器时间常数，τ=RC；T——采样周期低通数字滤波适用于高频和低频的干扰信号。第三章常规数字控制器的设计方法15第三章常用应用程序设计3.1数字滤波3.1.8复合滤波程序为了进一步提高滤波效果，改善控制精度，有时可以把两种或两种以上有不同滤波效果的数字滤波器组合起来，形成复合数字滤波器，或称多级数字滤波器。例如：把中值滤波和算术平均值滤波结合起来，就可以结合两者的优点，既可以消除周期性的干扰信号，又可对随机的脉冲干扰信号进行滤波。也可将采用多重滤波方法，将多个滤波器串联起来。第三章常规数字控制器的设计方法16第三章常用应用程序设计标度变换：在计算机控制系统中，生产中的各个参数都有着不同的数值和量纲，所有这些参数都经过变送器转换成A/D转换器所能接收的0～5V统一电压信号，又由A／D转换成00～FFH（8位）的数字量。为进一步显示、记录、打印以及报警等，必须把这些数字量转换成不同的单位，以便操作人员对生产过程进行监视和管理。3.2标度变换第三章常规数字控制器的设计方法17第三章常用应用程序设计3.2标度变换3.2.1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。标度变换公式为0000)(NNNNAAAAmxmx式中，A0——一次测量仪表的下限；Am——一次测量仪表的上限；Ax——实际测量值（工程量）；N0——仪表下限对应的数字量；Nm——仪表上限对应的数字量；Nx——测量值所对应的数字量。第三章常规数字控制器的设计方法18第三章常用应用程序设计3.2标度变换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，这样上式可化作00)(AAANNAmmxx例：某热处理炉温度测量仪表的量程为200-1000℃，在某一时刻计算机采样并经数字滤波后的数字量为0CDH，设仪表量程为线性的，求出此时温度值。A0=200℃，Am=1000℃，Nx=0CDH=（205）D，Nm=0FFH=（255）D，可得此时温度为843200)2001000(255205)(00AAANNAmmxx℃第三章常规数字控制器的设计方法19第三章常用应用程序设计3.2标度变换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，则其一次侧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，即])([00AAANNkAmmxx第三章常规数字控制器的设计方法20第三章常用应用程序设计3.2标度变换3.2.2非线性参数标度变换比如: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Q的关系PkQ式中，Q—流量；K—流量系数，与流体的性质及节流装置的尺寸有关；ΔP—节流装置前后的差压。传感器测得数据与实际被测参数之间非线性关系，但可用解析式表示。第三章常规数字控制器的设计方法21第三章常用应用程序设计3.2标度变换据此，可得测量流量时的标度变换式为0000NkNkNkNkQQQQmxmx整理得0000)(QQQNNNNQmmxxQ0——流量仪表的下限值N0——差压变送器下限所对应的数字量；Qm——流量仪表的上限值Nm——差压变送器上限所对应的数字量；Qx——被测量的流量值；Nx——差压变送器所测得的差压值（数字量）流量测量仪表，一般下限取0，此时Q0=0，N0=0，mxmxNNQQ