第6章6.3 测量数据预处理技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,6.3,测量数据预处理技术,6.3.1,系统误差的自动校准,6.3.2,线性化处理和非线性补偿,6.3.3,标度变换方法,6.3.4,越限报警处理,传感器把生产过程的信号转换成电信号，然后用,A,D,转换器把模拟信号变成数字信号，读入计算机中，完成数据的采集。对于这样得到的数据，一般要进行一些预处理，其中最基本的处理有,线性化处理、标度变换和系统误差的自动校准,。,6.3.1,系统误差的自动校准,系统误差,：是指在相同条件下，经过多次测量，误差的数值,(,包括大小符号,),保持恒定，或按某种已知的规律变化的误差。,特点：在一定的测量条件下，其,变化规律是可以掌握的,，产生误差的原因一般也是知道的。因此，原则上讲，系统误差是可以通过适当的技术途径来确定并加以校正的。,方法：偏移校准在实际中应用最多，并且常采用程序来实现，称为,数字调零,。,(,模拟电路中常用,),除了数字调零外，还可以采用,偏移和增益误差的自动校准,。自动校准的基本思想是在系统开机后或每隔一定时间自动测量,基准参数,，如数字电压表中的基准参数为基准电压和零电压，然后计算误差模型，获得并,存贮误差补偿因子,。在正式测量时，根据测量结果和误差补偿因子，计算校准方程，从而消除误差。,调零电路的实现：,在测量时，先把多路输入接到所需测量的一组输入电压上进行测量，测出这时的输入值为,x1,，然后把多路开关的输入接地，测出零输入时,A,D,转换器的输出为,x0,，用,x1,减去,x0,即为实际输入电压,x=x1,x0,。,1.,全自动校准,全自动校准由系统自动完成，不需人的介入。该电路的输入部分加有一个多路开关。系统在刚上电时或每隔一定时间时，自动进行一次校准。这时，先把开关接地，测出这时的输入值,x0,，然后把开关接,VR,，测出输入值,x1,，并存放,x1,、,x0,，在正式测量时，如测出的输入值为,x,，则这时的,V,可用下式计算得出,：,（公式推导见讲稿,2P30,）,采用这种方法测得的,V,与放大器的漂移和增益变化无关，与,VR,的精度也无关,（？）,。这样可大大提高测量精度，降低对电路器件的要求。,2.,人工自动校准,全自动校准只适于基准参数是,电信号,的场合，并且它不能校正由传感器引入的误差。为了克服这种缺点，可采用人工自动校准。,人工自动校准的原理与全自动校准差不多，是由人工在需要时接入标准的参数进行校准测量，把测得的数据存贮起来，供后使用。一般人工自动校准只测一个,标准输入信号,y,R,，,零信号的补偿由数字调零来完成。,设数字调零后测出的数据分别为,x,R,(,接校准输入,y,R,时,),和,x(,接被测输入,y,时,),，则可按下式来计算,y,。,如果在校准时，计算并存放,y,R,x,R,的值，则测量校准时，只需进行一次乘法即可。,人工自动校准特别适于传感器特性随时间会发生变化的场合。如常用的湿敏电容等湿度传感器。,有时校准输入信号,y,R,不容易得到，这时可采用现时的输入信号,y,i,。校准时，计算机测出这时的对应输入,x,i,，而人采用其它的高精度仪器测出这时的,y,i,，并输入计算机中，然后计算机计算并存放,y,i,x,i,的值，代替前面的,y,R,x,R,来作校准系数。,6.3.2,线性化处理和非线性补偿,1.,铂热电阻的阻值与温度的关系,-200,0,度：,Rt=R01+At+Bt,2,+C(t-100)t,3,0,850,度：,Rt=R01+At+Bt,2,其中：,A=3.9080210,-3,-1,B=-5.80210,-7,-1,C=-4.2735010,-12,-1,R0=100(0,时的电阻值,),2.,热电偶的热电势与温度的关系,0400:T=a,4,E,4,+a,3,E,3,+a,2,E,2,+a,1,E,4001000:T=b,4,E,4,+b,3,E,3,+b,2,E,2,+b,1,E+b,0,对非线性曲线处理，一般有两种方法：,（,1,）分段线性化：利用多段折线代替曲线，然后利用线性化公式计算求取结果。,（,2,）分度表法：离线计算出输入值与输出值的对应关系，然后利用查表法求取。,分段线性化法,是将函数根据其变化情况分成几段，然后将每一段区间分别用直线去逼近。分段插值的分段点的选取可按实际曲线的情况灵活决定，既可以采用等距分段法，又可采用非等距分段法。,如热敏电阻温度,t,与阻值,R,的插值多项式，其计算量较大，程序也较复杂。为使计算简单，提高实时性，可采用,分段线性插值公式,或称分段线性化的方法，即用多段折线代替曲线进行计算。,图中曲线为热敏电阻的负温度,-,电阻特性，折线,L0,、,L1,、,L2,代替或逼近曲线。当获取某个采样值,R,后，先判断,R,的大小处于哪一折线段内，然后就可按相应段的线性化公式计算出标度变换值。其计算公式是：,k,0(,R,-,R,0)+,t,3,R,0,R,R,1,t=,k,1(,R,-,R,1)+,t,2,R,1,R,R,2,k,2(,R,R,2)+,t,1,R,2,R,R,3,式中,k,0,、,k,1,、,k,2,分别为线段,L0,、,L1,、,L2,的斜率。,分段数越多，线性化精度越高，软件开销也相应增加。分段数应视具体情况和要求而定。,分度表法：,所谓分度表法就是把事先计算或测得的数据按照一定顺序编制成,表格,，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果，查出最终所需要的结果。它是一种非数值计算方法，利用这种方法可以完成数据的补偿、计算、转换等各种工作。比如输入通道中对热电偶特性的处理，可以用非线性插值法进行标度变换，也可以采用精度更高效果更好的查表法进行标度变换,利用热电偶的mV-,分度表，通过计算机的查表指令就能迅速便捷地由电势,mV,值查到相应的温度,值；当然控制系统中还会有一些其它参数或表格也是如此，如对数表、三角函数表、模糊控制表等。,3.,孔板差压与流量的关系,补：牛顿迭代法,对非线性方程,f(x)=0,，,将,f(x),在,x0,处展开为台劳级数：,令,f(x)=0,，则,x,必定是上式的根。为了计算方便，只保留前两项，就可以得到迭代法求,x,近似值的公式：,迭代形式为：,对,4.,气体体积流量的非线性补偿,6.3.3,标度变换方法,计算机控制系统在读入被测模拟信号并转换成数字量后，往往要转换成操作人员所熟悉的,工程值,。这是因为被测量对象的各种数据的量纲与,A,D,转换的输入值是不一样的。例如，压力的单位为,Pa,，流量的单位为,m,3,h,，温度的单位为等。这些参数经传感器和,A,D,转换后得到一系列的数码，这些数码值并不一定等于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于参数值的大小，故必须把它转换成带有量纲的数值后才能运算、显示或打印输出，这种转换就是标度变换。,下图为标度变换原理图，这是一个温度测控系统，某种热电偶传感器把现场中的温度,0 1200,转变为,0,48mV,信号，经输入通道中的运算放大器放大到,0,5V,，再由,8,位,A/D,转换成,00FFH,的数字量，这一系列的转换过程是由输入通道的硬件电路完成的。,标度变换原理图,CPU,读入该数字信号在送到显示器进行显示以前，必须把这一无量纲的二进制数值再还原变换成原量纲为,的温度信号。比如，最小值,00H,应变换对应为,0,、最大值,FFH,应变换对应为,1200,。,这个标度变换的过程是由,算法软件程序,来完成的，标度变换有各种不同的算法，它取决于被测参数的工程量与转换后的无量纲数字量之间的,函数关系,。一般而言，输入通道中的,放大器,、,A/D,转换器,基本上是线性的，因此，传感器的输入输出特性就大体上决定了,标度变换有各种类型，它取决于被测参数的传感器的类型，应根据实际要求来选用适当的标度变换方法。,1,线性变换公式,2,公式转换法,3,其它标度变换法,线性标度变换,是最常用的标度变换方式，其前提条件是传感器的,输出信号,与被测参数之间呈,线性关系,，如图所示。,1.,线性变换公式,Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin),(Nmax-Nmin)+Ymin,Y,表示参数测量值，,Ymax,表示参数量程最大值，,Ymin,表示参数量程最小值，,Nmax,表示,Ymax,对应的,A,D,转换后的输入值，,Nmin,表示量程起点,Ymin,对应的,A,D,转换后的输入值，,X,表示测量值,Y,对应的,A,D,转换值。,公式推导见讲稿,2P34,编程用的,标度变换子程序公式,简化为,:,式中：,例：某加热炉温度测量仪表的量程为,200 800,，在某一时刻计算机系统采样并经数字滤波后的数字量为,CDH,，求此时的温度值是多少？,(,设该仪表的量程是线性的,),。,解：根据式,(6.3.12),式，已知，,Ymin,=200,Ymax,=800,，,x=CDH=(205)D,，,N,max=FFH=(255)D,，,Nmin=0,。所以此时的温度为,=682,Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin),(Nmax-Nmin)+Ymin,2.,公式转换法,有些传感器测出的数据与实际的参数不是线性关系，它们有着由传感器和测量方法决定的函数关系，并且这些函数关系可用,解析式,来表示，这时我们可采用直接按解析式来计算。,3.,其它标度变换法,许多非线性传感器并不象上面讲的流量传感器那样，可以写出一个简单的公式，或者虽然能够写出，但计算相当困难。这时可采用多项式插值法，也可以用,线性插值法或查表,进行标度变换。,6.3.4,越限报警处理,越限报警是工业控制过程常见而又实用的一种报警形式，它分为上限报警、下限报警及上下限报警。如果需要判断的报警参数是,xn,，该参数的上下限约束值分别是,xmax,和,xmin,，则上下限报警的物理意义如下：,(1),上限报警,若,xn,xmax,，则上限报警，否则继续执行原定操作。,(2),下限报警,若,xn,xmin,，则下限报警，否则继续执行原定操作。,(3),上下限报警,若,xn,xmax,，则上限报警，否则对下式做判别；,xn,xmin,否,?,若是则下限报警，否则继续原定操作。,根据上述规定，程序可以,实现对被控参数,y,、偏差,e,以及控制量,u,进行上下限检查,。,具体设计报警程序时，为了避免测量值在极限值一点处来回摆动造成频繁报警，一般应在极限值附近设置一个,回差带,，如图所示,:,图中,X,H,、,X,L,是上、下限约束值，,2,e,为回差带宽。当被测值超越,X,H,e,时，才算越过上限报警值并设置相应的越上限标志（上限标志位置,1,），同时输出越上限的,声,、,光,报警；当被测值下降到,X,H,e,以下时，则,复位上限,，这时应撤消越上限标志（上限标志位清,0,）及相应的声光报警。同理，当被测值低于,X,L,e,点时，才算越过下限并设置相应的越下限标志（下限标志位置,1,），同时输出越下眼的,声,、,光,报警；当被测值上升到,X,L,e,以上时，则,复位下限,，这时应撤消越下限标志（下限标志位清,0,）及相应的声光报警。如此，,回差值,e,避免了测量值在极限值,X,H,或,X,L,一,e,点处来回摆动造成频繁报警，,e,值,的大小可根据现场具体的被测参数,设定,。,