计算机控制技术6.ppt

第6章过程控制数据处理方法 1 数字滤波 2 量程转换及标度变换 3 线性插值 4 系统误差的自动校正 6过程控制数据处理方法 1 为什么要进行数据处理 1 系统中的数据种类繁多 其数值范围不同 而且精度要求也不一样 各种数据的输入方法和表示方式各不相同 2 模拟量经A D转换得到的数字量 在进行显示 报警和控制之前 必须根据需要进行必要的加工处理 如滤波 标度变换 数值计算 逻辑判断及非线性补偿等 3 在生产过程中 某一个参数不仅与其它几个参量有关 而且为非线性关系 其运算不仅包含基本运算 而且含有超越函数关系 6过程控制数据处理方法 2 与模拟电路的数据处理方法相比 计算机的数字处理方法有什么优点 1 可以用程序代替模拟硬件电路 实现多种运算 2 能自动修正误差 如非线性补偿 零点飘移等 3 能对被测参数进行复杂的计算和处理 4 能对被测参数进行测量和处理 而且还可以进行逻辑判断 5 精度高 稳定可靠 不受外界干扰 6 1数字滤波技术 概述 数字滤波器与模拟滤波器相比有什么优点 1 毋需增加额外的硬件 滤波由程序实现 软件滤波器 2 多个通道可共用一个滤波器 3 各个回路之间不存在阻抗匹配等问题 4 可以对频率很低的信号进行滤波 5 可以根据需要选择不同的滤波方法或改变滤波参数 6 1数字滤波技术 程序判断滤波 6 1 1程序判断滤波 1 1 限幅滤波相邻两次采样的最大变化增量 x总是在一定范围内 即 xn xn 1 x 超过该范围 则认为是干扰造成的 丢弃本次采样值 用上次的采样值作为本次采样值 n时刻的采样值 n 1时刻的采样值 n时刻的滤波后的采样值 限幅滤波算法特点 1 可有效地抑制随机性的干扰 2 x的选择与不同的对象特性 采样周期 输入形式有关 需要由实验确定 6 1数字滤波技术 程序判断滤波 6 1 1程序判断滤波 2 2 限速滤波相邻两次采样的最大变化增量 x总是在一定范围内 用本次采样xn相对上次采样xn 1的增量 xn xn xn 1 与 x xn x 则xn有效 否则 重新采样xn 1 若 xn 1 xn x 则xn 1作为采样有效值输出 否则 采样值为 xn 1 xn 2 限速滤波算法特点 1 可有效地抑制随机性的干扰 2 x的选择与不同的对象特性 采样周期 输入形式有关 需要由实验确定 6 1数字滤波技术 中值滤波 6 1 2中值滤波连续采样3次 取采样值居中的采样为采样有效值 yn xn xn 1 xn 2中的大小居中的采样值 中值滤波可以消除偶然因素引起的脉冲干扰 适合于慢变过程参数的数据采集 6 1数字滤波技术 均值滤波 6 1 3算术平均值滤波 均值滤波 连续的N个采样值 取算术平均值 N越大越好 但是 惯性大 灵敏度低 如流量N取12 压力取4 均值滤波对周期性的干扰有良好的抑制作用 但对脉冲干扰不理想 在汇编语言中 为了便于实现和减少运算时间 N常取2n 通过右移算法实现 6 1数字滤波技术 加权均值滤波 6 1 4加权均值滤波连续的N个采样值 把各次采样值取不同的比例 权值 然后相加 即加权平均 Ci为i各次采样值的系数 i 1 2 N 满足 Ci取值 最新采样的值 系数取大 6 1数字滤波技术 滑动均值滤波 6 1 5滑动均值滤波把最近的N次采样值进行均值滤波 每采样一个新值 丢弃最早采样的一个旧值 6 1数字滤波技术 惯性滤波 6 1 6RC低通滤波器的数字形式yk 1 yk 1 xk 1 e T Tf 0 1T 采样周期Tf RCxk 本次采样值yk yk 1 本次滤波值和上次滤波值惯性滤波可以消除周期性的干扰 6 1数字滤波技术 惯性滤波 6 1 7复合滤波器根据信号特性和滤波器的特点 用上述几种数字滤波器组合实现对干扰的抑制 1 连续采样N次 去除其中的最大采样值和最小采样值 剩余的N 2个采样值求均值 所得结果为采样有效值 结合了中值滤波和均值滤波的优点 对快变和慢变信号的干扰都具有抑制作用 有利于提高采样的真实性 2 多级RC滤波 6 2量程自动转换和标度变换 量程自动转换 6 2 1量程自动转换 1 1量程自动转换的意义传感器提供的信号变化范围很宽 尤其是在多回路检测系统中 各个回路的信号不一样时 必须提供各种量程的放大器才能保证传送到计算机的信号一致 如 0 5V 使这些不同参数信号能够共享一个A D转换器 量程转换可以采用放大器来实现 通常对于多回路信号采用可编程增益放大器 ProgrammableGainAmplifier PGA 其放大倍数可以根据需要由程序控制 通过程序调节PGA的放大倍数 使A D转换器满量程信号达到均一化 这就是量程自动转换 6 2量程自动转换和标度变换 量程自动转换 6 2 1量程自动转换 2 2常用的集成PGAB B公司的PGA101 PGA102 PGA202 203AD公司的AD522 模拟公司的LHDC84 其它公司的EF605 BG004等 PGA102是一种高速 数控增益可编程放大器 可以提供3种不同的增益 1 10 100 6 2量程自动转换和标度变换 量程自动转换 6 2量程自动转换和标度变换 量程自动转换 3组合型PGA 1 采用运算放大器 仪用放大器或隔离型放大器 再加上一些附加电路组成 放大器增益 K Ri Rwi R 6 2量程自动转换和标度变换 量程自动转换 3组合型PGA 2 放大器增益 K 1 2R8 Ri 6 2量程自动转换和标度变换 量程自动转换 3组合型PGA 3 采用仪用放大器和PGA的组合电路 6 2量程自动转换和标度变换 量程自动转换 4采用增益可调的仪表放大器方案 6 2量程自动转换和标度变换 量程自动转换 5采用PGA实现量程转换的数字电压表原理 6 2量程自动转换和标度变换 标度变换 1为什么要进行标度变换 即工程量转换 控制系统中 各个过程参数具有不同的量纲 如温度 C 流量 m3 h 这些参数经过变送器转换为0 5V的统一电压信号 经过A D转换成为二进制数字量 00 FF 为了进一步进行显示 打印 记录及报警处理 必须把这些数字量转换成带有不同量纲的工程量 以便操作人员对生产过程进行监视和管理 这个过程就是标度变换 6 2量程自动转换和标度变换 标度变换 2线性参数的标度变换如果被测参数与A D转换值成线性关系 则工程量线性转换公式 6 2量程自动转换和标度变换 标度变换 例题 测量发酵室温度变化 该室温度测量范围为20 80 C 所得模拟信号为1 5V 采用铂热电阻测温 8位A D转换器 A D转换器输入0 5V时输出为00 FFH 某一时刻 计算机采集到的数据为0B7H 则测得 工程量 温度是多少 解 已知 Ymax 80 C ymin 20 C Nmax FFH 255Nmin 255 1V 5 0 51Nx 0B7H 183代入转换公式得 yx 58 82 C 6 2量程自动转换和标度变换 标度变换 当被测参数的量程最小值对应的A D转换值设为0 即Nmin 0时 当被测参数的量程最小值为0对应的A D转换值设为0 即ymin 0 Nmin 0时 6 2量程自动转换和标度变换 标度变换 3非线性参数的标度变换流量与压差的关系 流量的标度变换公式为 6 2量程自动转换和标度变换 标度变换 4插值法和查表法标度变换当传感器不能用一个公式写出 或即使能够写出 但计算困难时 常采用以下两种方法 1 分段线性化 根据插值原理进行取得工程量的值 参考线性化处理的折线法原理 2 以表格的形式建立数字量与工程量之间的数值对应关系 并将该表存储在程序中 当计算机取得采样值后 根据已知的对应关系通过查表程序取得工程量数值 6 3数据预处理技术 数据预处理 1线性化处理 1 由于有些传感器具有非线性转换特性 所测得电信号与被测参数不是线性关系 如热电偶 热电阻测温 有些可以用表达式表示 但运算复杂 误差较大 在工程应用中通常用线性化处理的方法 在一定的误差范围内近似地表示传感器输入输出的关系 如 热电偶 热电势与被测温度的函数关系 6 3数据预处理技术 数据预处理 1线性化处理 2 用折线近似地表示T E函数关系曲线 两折点之间的温度值用线性插值的方法求出 6 3数据预处理技术 线性插值算法 6 3 1线性插值算法用直线段逼近曲线 用直线段的斜率为 x0 x1 区间任意的x对应的y为 x0 x1 区间越小 逼近值与实际曲线值的误差越小 6 3数据预处理技术 线性插值算法 6 3 2分段插值算法程序的设计方法基本思路 把被逼近的函数 或测量结果 根据变化情况分成若干段 在满足精度和运算时间要求的前提下 采用不同的逼近公式 常用的逼近函数为线性插值和抛物线插值函数 步骤 1 用实验法测量传感器的输出变化曲线 2 分段 选取插值基点A 等距分段B 非等距分段 3 求各段的逼近函数 4 根据逼近函数编写程序 6 3数据预处理技术 自动校正 6 3 3系统误差的自动校正 系统上电时或每隔一定的时间 自动进行一次校准 1 多路开关接地 测量得到x0