第七章 数据处理技术.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,*,第七章 数据处理技术,本章要点,:,1.,测量数据的预处理技术,2.,常用的几种数字滤波方法,3.,线性式标度变换方法,4.,查表方法,返回总目录,本章主要内容,引言,7.1,测量数据预处理技术,7.2,数字滤波方法,7.3,标度变换算法,7.4,越限报警处理,思考题,数据采集,-,在计算机控制系统中，是最基本的一种模式。一般是通过传感器、变送器把生产过程的各种物理参数转换成电信号，然后经,A/D,通道或,DI,通道，把数字量送入计算机中。,数据处理,-,计算机在对这些数字量进行显示和控制之前，还必须根据需要进行相应的数值计算即数据处理。为了满足不同系统的需要，设计出了许多有效的数据处理技术方法，,如,预处理，数字滤波，标度变换，查表和越限报警,等,。,引 言,7.1,测量数据预处理技术,7.1.1,系统误差的自动校准,7.1.2,数据字长的预处理,7.1.1,系统误差的自动校准,系统误差,-,在控制系统的测量输入通道中，一般均存在,放大器等器件的,零点偏移和漂移,，会造成放,大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象。,特 点,-,是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。,处理方法,-,通过适当的技术方法,如数字调零、系统校准,来确定并加以校正的，一般采用软件程序进,行处理。,1.,数字调零,数字调零处理由零点偏移造成系统误差，通过软件实现,电路多路开关、前置放大器、,A/D,转换器、,CPU,原理,CPU,分时巡回采集,1,路至,n,路电压信号。,寻找零点偏移值：第,0,路为校准信号即接地信号，理论上电压,0,，,CPU,采样值零，而实际上产生了一个不等于零的数值，此值零点偏移值,N,0,；,然后依次采集,1,、,2,、,n,路，采样值,N,1,、,N,2,、,N,n,值就是实际值零点偏移值,N,0,。计算机要进行的数字调零恢复本次测量的实际值（,Ni-N,0,）。,特点,此方法，可去掉放大电路、,A/D,转换电路本身的偏移及随时间与温度 而发生的各种漂移的影响，从而大大降低对这些电路器件的偏移值的 要求，降低硬件成本。,缺点,不能校正由传感器本身引入的误差。,2,系统校准,原因,克服由传感器本身引入的误差。,系统校准计算,VR,：标准输入信号；,NR,：,VR,对应采样值,V,：,实际被测输入信号；,N,：,V,对应采样值,适用场合,传感器特性随时间会发生变化的场合,7.1.2,数据字长的预处理,1.,输入位数大于输出位数,处理方法：忽略高位数的最低几位。如：,10,位,A/D,转换器的输入值为,00111110,10,，此值经处理后送入,8,位,D/A,转换器的值就变为,00111110,。这在计算机中通过向右移位的方法是很容易实现的。,2,输入位数小于输出位数,处理方法：将,8,位数左移两位,构成,10,位数,，,最低两位用,“,0,”,填充,如：转换前的,8,位输入值,为：,；,转换后的,10,位输出值,为：,00,。,7.2,数字滤波方法,7.2.1,平均值滤波,7.2.2,中值滤波,7.2.3,限幅滤波,7.2.4,惯性滤波,种类,算术平均、去极值平均、加权平均、滑动平均,1.,算术平均滤波,在采样周期,T,内，对测量信号,y,进行,m,次采样，把,m,个采样值相加后的算术平均值作为本次的有效采样值，即,2,、去极值平均滤波,对连续采样的,m,个数据去掉其中的最大值与最小值，然后计算余下的,m,-2,个数据 的算术平均值。,适用场合,工业场合经常遇到的尖脉冲干扰的信号滤波。,缺点,灵敏度和平滑度较差,7.2.1,平均值滤波,3.,加权平均滤波,对每次采样值不以相同的权系数 而以增加新鲜采样值的权重相加,。,C,i,为加权系数，先小后大，且均为小于,1,但总和等于,1,的小数，,即满足下式,C1+C2+,+Cm=1,Cm Cm-1,C1 0,C,i,的取值应视具体情况选取,并通过调试确定。,例如,某纯滞后时间为,被控对象,采用,m,=4,的加权平均滤波算式为,=,C,1,y,1,+,C,2,y,2,+,C,3,y,3,+,C,4,y,4,适用场合,前三种的平均滤波算法有一个共同点：即每取得一个有效采样值必须连续进行若干次采样。系统的采样速度较慢或采样信号变化较快时，系统的实时性就无法得到保证。,滑动平均滤波,在每个采样周期只采样一次，将这一次采样 值和过去的若干次采样值一起求平均，所 得结果即为有效采样值,滑动平均滤波算法优势,实时性好，提高了系统响应速度。,4,滑动平均滤波,中值滤波,将信号,y,的连续,m,次采样值按大小进行排序，取其中间值作为本次的有效采样值。本算法为取中值，故采样次数,m,应为奇数，一般,35,次即可。,编制中值滤波的算法程序,首先把,m,个采样值从小到大（或从大到小）进行排队，这可采用几种常规的排序算法如冒泡算法，然后再取中间值。,适用场合,中值滤波对缓变过程中的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，而对快速变化过程,(,如流量,),的信号采样则不适用。,7.2.2,中值滤波,把两次相邻的采样值相减，求其增量的绝对值，再与两次采样所允许的最大差值,Y,进行比较，如果小于或等于,Y,，表示本次采样值,y,(,k,),是真实的，则取,y,(,k,),为有效采样值；反之，,y,(,k,),是不真实的，则取上次采样值,y,(,k,1),作为本次有效采样值。,当,|,y,(,k)-y(k-1),|,Y,时，则取,y,(k,)=(,k,),当,|,y,(,k)-y(k-1),|,Y,时，则取,y,(,k,)=,y,(k-1),式中y,(,k,)t,=,kT,时的采样值；,y,(K-1)t=(k-1)T,时的采样值；,Y,相邻两次采样值所允许的最大偏差，其大小取决于控制系统采样周期,T,和信号,Y,的正常变化率。,适用场合,对随机干扰或采样器不稳定引起的失真有良好的滤波效果。,7.2.3,限幅滤波,模拟硬件,RC,低通滤波器的数字实现。常用的,RC,滤波器的,传递函数,是,T,f,=RC,滤波器的滤波时间常数，其大小直接关系到滤波效果。,一般说来，,T,f,越大，则滤波器的,截止频率,（滤出的干扰频率）越低，滤出的电压纹波较小,但输出滞后较大,。,实现方法,由于高精度的,RC,电路不易制作，所以硬件,RC,滤波器不可能对极低频率的信号进行,滤波,。,为此，用软件做成低通数字滤波器，从而实现一阶惯性的,数字滤波,。,7.2.4,惯性滤波,7.3,标度变换算法,主要内容：,概述,7.3.1,线性式变换,7.3.2,非线性式变换,7.3.3,多项式变换,7.3.4,查表法,概 述,标度,衡量某种物理量或参数的量纲；,变换,从一种物理量转换为另一种物理量；,标度变换,即把计算机系统检测的对象参数,的二进制数值还原变换为原物理,量的工程实际值。,举例：,下图为温度测控系统标度变换原理图,标度变换方法,线性式变换、非线性式变换、多项式变换 查表法,方法选择依据,被测参数的工程量与转换后数字量间的函数 关系；,通常传感器的输入输出特性决定了此函数关系，从而决定标度变换方法。,链接动画,热电偶,转换过程由硬件完成,标度变换过程由软件完成,链接动画,7.3.1,线性式变换,线性标度变换,最常用的标度变换方式,前提条件,传感器输出信号与被测参数间呈,线性,关系,线性式标度变换子程序,change(float Am,float A0,uchar Nm,uchar N0,uchar Nx),floata1,b1,Ax;,a1=(Am-A0)/(Nm-N0);,b1=A0-a1N0;,Ax=(float)a1Nx+b1;,return(Ax);,例,1,：,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，采样精度,8,位,),。,解：已知，,A,0,=200,A,m,=800,，,N,x,=CDH=(205)D,，,N,m,=FFH=(255)D,，,N,0,=00H,。所以此时的温度为,式中：,Q,流体流量；,K,刻度系数，与流体的性质及节流装置的尺寸有关；,P,节流装置前后的差压。,链接动画,7.3.2,非线性式变换,条件,-,传感器的输出信号与被测参数之间呈,非线性 关系,但函数关系可用解析式来表示。,例如,，在差压法测流量中，流量与差压间的关系为,:,非线式标度变换子程序,change(float Qm,float,Q0,char Nm,char,N0,char,Nx),floatK1,b,t,i,j,Qx;,t=Nm-N0;,b=sqrt(t);,K1=(Qm-Q0)/b;,i=Nx-N0;,j=sqt(i);,Qx=K1j+Q0;,return(Qx);,7.3.3,多项式变换,适用场合,传感器输出信号与被测参数间呈,非线性,关系,应用条件,非线性函数关系不可用解析式来表示,采用方法,插值多项式,来进行标度变换,插值多项式,用一个,n,次多项式来代替某种非线性函数关系。,插值原理,被测参数,y,与传感器输出值,x,具有函数关系为,y,=,f,(,x,),，,若已知,n,+1个相异点处的函数值,为：,f(x,0,)=y,0,，,f(x,1,)=y,1,，,，,f(,x,n,)=,y,n,现构造一个,n,次多项式,P,n,(x)=,a,n,x,n,+a,n-1,x,n-1,+,+a,1,x+a,0,去逼近函数,y,=,f,(,x,),，把,n,+1,个测量值代入,Pn,(,x,),，,可获得,n,+1,个一次方程组：,a,n,x,0,n,+,a,n-,1,x,0,n-,1,+,a,1,x,0,+,a,0,=,y,0,a,n,x,1,n,+,a,n-,1,x,1,n-,1,+,a,1,x,1,+,a,0,=,y,1,a,n,x,2,n,+,a,n-,1,x,2,n-1,+,a,1,x,2,+,a,0,=,y,2,a,n,x,n,n,+,a,n-,1,x,n,n-,1,+,a,1,x,n,+,a,0,=,y,n,x,0,，,x,1,，,，,x,n,已知的传感器的输出值,y,0,，,y,1,，,，,y,n,被测参数,a,0,、,a,1,、,，,a,n,待定系数,结论求出待定系数，从而构造可插值多项式,P,n,(,x,),举例 用热敏电阻测量温度的例子,热敏电阻的阻值与温度之间的关系是,非线性,的，,而且无法用确切函数式表示。现构造一个三阶多项,式,P,3,(R),来逼近这种函数关系。,n+1,测量点如下表,：,温度,t(),阻值,R(k,),温度,t(),阻值,R(k,),表,7-1,热敏电阻的温度,-,电阻特性,10 8.0000 26 6.0606,11 7.8431 27 5.9701,12 7.6923 28 5.8823,13 7.5471 29 5.7970,14 7.4074 30 5.7142,15 7.2727 31 5.6337,16 7.1428 32 5.5554,17 7.0174 33 5.4793,18 6.8965 34 5.4053,19 6.7796 35 5.3332,20 6.6670 36 5.2630,21 6.5574 37 5.1946,22 6.4516 38 5.1281,23 6.3491 39 5.0631,24 6.2500 40 5.0000,25 6.1538,P3(R),取三阶多项式为,P,3,(R,)=,t,=,a,3,R,3,+,a,2,R,2,+,a,1,R,+,a,0,并取,t,=10,，,17,，,27,，,39,这,4,点为插值点，便可以得,到以下方程组：,8.0000,3,a,3,+8.0000,2,a,2,+8.0000,a,1,+,a,0,=10,7.0174,3,a,3,+7.0174,2,a,2,+7.017,4,a,1,+,a,0,=17,5.9701,3,a,3,+5.9701,2,a,2,+5.9701,a,1,+,a,0,=27,5.0631,3,a,3,+5.0631,2,a,2,+5.0631,a,1,+,a,0,=39,解上述方程组，得,a,3,=,0.2346989,a,2,=6.120273,a,1,=,59.28043,a,0,=212.7118,因此，所求的逼近多项式为,t,=,0.2346989,R,3,+6.120273,R,2,59.28043,R,+212.7118,这就是用来标度变换的插值多项式，将采样测得的电阻值,R,代入上式，即可获得被测温度,t,。,插值法缺点：,逼近精度影响,很大影响。,处理方法通常在函数,y,=,f,(,x,),的曲线上曲率大的地方应适当加密插值点。,CPU,影响,增加插值点和多项式的次数能提高逼近精度,但同时会增加计算时间；,较好的方法,采用分段插值法,举例,如上例热敏电阻温度,t,与阻值,R,可采用,分段线性插值公式,即用多段折线代替曲线进行计算。,优点为使计算简单，提高实时性，,图 热敏电阻特性及分段线性化,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,3,7.3.4,查表法,查表法,-,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。,具体的查表方,法,-,顺序查表法，计算查表法，对分搜索法,等。,1,顺序查表法,顺序查表法是针对,无序排列表格,的一种方法。其查表方法类似人工查表。因为无序表格中所有各项的,排列均无一定的规律,，所以只能按照顺序从第一项开始逐项寻找，直到找到所要查找的关键字为止。顺序查表法虽然比较“笨”，但对于无序表格或较短表格而言，仍是一种比较常用的方法。,2,计算查表法,根据所给的数据元素,X,i,，通过一定的计算，求出元素,Xi,所对应的数值的地址，然后将该地址单元的内容取出即可。,这种,有序表格,要求各元素在表中的排列格式及所占用的空间必须一致，而且各元素是严格按顺序排列。其关键在于找出一个计算表地址的公式，只要公式存在，查表的时间与表格的长度无关。正因为它对表格的要求比较严格，并非任何表格均可采用。通常它适用于某些,数值计算程序、功能键地址转移程序以及数码转换程序,等。,3.,对分查表法,先取数组的,中间值,D=,n,/2,进行查找，与要搜索的,X,值进行比较，若相等，则查到。对于从小到大的顺序来说，如果,X,n,/2,项，则下一次取,n,/2-,n,间的中值，即,3,n,/4,与,X,进行比较；若,X,n,/2,项，则取,0,n,/2,的中值，即,n,/4,与,X,进行比较。如此比较下去，则可逐次逼近要搜索的关键字，直到找到为止。,7.4,越限报警处理,7.4.1,越限报警程序,7.4.2,越限报警方式,7.4.1,越限报警程序,上限报警：,若,XK,X,H,则发出上限报警，否则继续执行原定操作。,下限报警：,若,XK,X,L,，则下限报警，否则继续执行原定操作。,上下限报警：,若,XK,X,H,，则上限报警，否则判断,XK,X,L,否？若是则下限报警，否则继续执行原定操作。,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,图 越限报警范围,报警流程图,1,普通声光报警,图 普通声光报警接口电路,7.4.2,越限报警方式,2,模拟声光报警,表,7-2 KD-956,系列报警芯片功能表,型号,声光性能,KD-9561,机枪、警笛、救护车、消防车声,KD-9561B,嘟嘟,声,KD-9562,机枪、炮弹等,8,种声,KD-9562B,光控报警声,KD-9562C,单键,8,音,KD-9563,3,声,2,闪光,KD-9565,6,声,5,闪光,集成芯片,KD-9561,结构,图,KD-9561,芯片的外型和接线图,3,、语音报警,图 语音芯片与单片机的连接框图,思考题,l,在计算机控制系统中，一般要对测量数据进行哪些予处理技,术？,2,何为数字调零？何为系统校准？,3,简述数字滤波及其特点。,4,简述各种数字滤波方法的原理或算法及适用场合。,5,结合图,7-3,，分析说明标度变换的概念及其变换原理。,6,某温度测量系统（假设为线性关系）的测温范围为,0150,，,经,ADC0809,转换后对应的数字量为,00HFFH,，试写出它的标,度变换算式。,7,在数据处理中，何为查表法？它能完成哪些功能？一般有哪,些查表方法？,8,在计算机控制系统中，为什么要设置越限报警？有哪些情况,需要报警？,