数据采集与处理技术10.ppt

1,教学内容,第9单元采样数据的预处理,2,9.2采样数据的数字滤波,第9单元采样数据的预处理,9.1采样数据的标度变换,本单元教学内容,3,第9单元采样数据的预处理,9.1采样数据的标度变换,4,9.1采样数据的标度变换,本节教学目标,理解采样数据标度变换的定义,理解采样数据标度变换的方法,5,9.1采样数据的标度变换,各种物理量有不同的单位和数值。,实际情况：,例如，压力的单位为Pa，温度的单位为,物理量经过AD转换后变成一系列无单位的数字量。,例如，被测温度为50100，采用420mA电流传送温度模拟信号，用8位AD转换器转换成数字量。温度、电流、数字量之间的关系如图10-1所示。,6,9.1采样数据的标度变换,当温度为100时，AD转换器的输出为255，当温度为75时，AD转换器的输出为153。,7,9.1采样数据的标度变换,计算机要对物理量进行判断、显示。,如果直接把AD转换器输出的数字量显示在屏幕上，操作者不好理解。,需要对采样数据进行标度变换！,8,9.1采样数据的标度变换,标度变换-把无单位的数字量转换成有单位的物理量。,9,9.1采样数据的标度变换,1.线性参数的标度变换,当被测物理量与传感器或仪表的输出关系为线性关系时，采用线性变换。,条件：,变换公式为,10,9.1采样数据的标度变换,(10-1),式中,Y0被测量量程的下限；,Ym被测量量程的上限；,N0传感器输出电压的下限；,Nm传感器输出电压的上限；,X待变换的数值；,Y变换后的数据。,11,9.1采样数据的标度变换,例如在变送器的输出端跨接一个250电阻，将电流,4mA1V，20mA5V，12mA3V,则有,（）,12,9.1采样数据的标度变换,2.非线性参数的标度变换,条件：,传感器或变送器的输出信号与被测量之间的关系是非线性关系。,公式变换法,要求：,传感器的输出信号与被测信号之间的关系可以用公式表示。,13,9.1采样数据的标度变换,例如，在流量测量中，从差压变送器来的信号P与实际流量Q成平方根关系，即,(10-2),则流量的标度变换公式为,14,9.1采样数据的标度变换,则有,(10-3),多项式变换法,传感器输出信号与被测物理量之间的关系无法用公式表示。但是，它们之间的关系是已知的。,条件：,15,9.1采样数据的标度变换,表10.1热敏电阻的温度电阻特性,16,9.1采样数据的标度变换,关键是找出一个较准确地反映传感器输出信号与被测量之间关系的多项式。,注意：,寻找多项式的方法,最小二乘法,代数插值法,17,9.1采样数据的标度变换,代数插值法:,设被测量y=f(x)，传感器的输出值x在n+1个相异点,处的函数值为,f(x0)=y0，f(x1)=y1，.，f(xn)=yn,18,9.1采样数据的标度变换,用一个阶数为n的多项式,(10-4),去逼近函数y=f(x)，使Pn(x)在点xi处满足,（i=0，1，n）(10-5),由于式（10-4）中的待定系数a0、a1、an共有n+1个，而它所应满足的方程（10-5）也有n+1个，因此，可以得到以下方程组,19,9.1采样数据的标度变换,(10-6),可以证明：,当x0、x1、xn互异时，方程组（10-6）有唯一的一组解。,下面以一个用热敏电阻测量温度的例子来说明这一方法的使用。,20,9.1采样数据的标度变换,设多项式Pn(x)为三阶多项式,在表10.1中取t=10、17、27、39这四点为插值点，便可以得到方程组：,21,9.1采样数据的标度变换,解上述方程组，得,22,9.1采样数据的标度变换,因此，所求的变换多项式为,将采样所得到的电阻值R代入上式，即可求出被测温度t。,在函数曲线上曲率比较大的地方应适当加密插值点，这样可以得到比较高的精度。,注意：,23,9.1采样数据的标度变换,增加多项式的阶次，从而增加计算时间。,产生的问题：,为了避免增加计算时间，经常采用表格法对非线性参数做标度变换。,24,9.1采样数据的标度变换,表格法,指在被测量与传感器输出关系曲线上选取若干个样点，并将样点数据以表格形式存储在计算机中，对需要做标度变换的数据y，在其所在区间用线性插值公式,(10-7),进行计算，即可完成标度变换。,25,9.1采样数据的标度变换,步骤,用实验法得到输出关系曲线,关系曲线分段（选插值点）,等距分段,非等距分段,将样点的xi、yi以表格形式存入计算机,对得到的x查表，找出x所在区间（xi，xi+1）,由式（10-7）得标度变换值y,26,9.1采样数据的标度变换,3.应用举例,图10.3高度传感器特性示意图,可以看出,高度和电压的关系是非线性的。,很难用一个具体的函数式来表示。,要用表格法进行处理。,27,9.1采样数据的标度变换,处理方法：,将曲线分成4段，得出高度与传感器输出电压的关系式：,28,9.1采样数据的标度变换,把曲线上各个样点的Hi、Ui以表格形式存放在计算机,对电压U判断其所在的区间，用其所在区间关系式进行线性插值，求得对应的高度值。,29,9.1采样数据的标度变换,30,9.1采样数据的标度变换,用QuickBASIC语言编写的插值运算程序如下：,N=5:CN=0DIMH(N),U(N)FORI=0TON-1READH(I),U(I)NEXTIDATA0,0,0.5,1,1,2,1.5,3,2,410INPUTU=；UIFUU(N-1)THEN10,31,9.1采样数据的标度变换,FORK=1TON-1IFUU(K)THENI=K-1GOTO15ENDIFNEXTKIFU=U(4)THENH=H(4)GOTO20ELSEENDENDIF,32,9.1采样数据的标度变换,15H=H(I)+(H(I+1)-H(I)*(U-U(I)/(U(I+1)-U(I)20PRINTH=；HCN=CN+1IFCNNTHEN10END,33,第9单元采样数据的预处理,9.2采样数据的数字滤波,34,9.2采样数据的数字滤波,本节教学目标,理解数字滤波的定义,了解数字滤波的原理和方法,35,数字滤波-用计算机程序对采样数据进计算处理，减少干扰信号在有用信号中所占的比例。,9.2采样数据的数字滤波,36,数字滤波的优点,用程序实现，不需硬件,可靠性高，稳定性好,可低频信号（f=0.01Hz）滤波,容易更换滤波方法,9.2采样数据的数字滤波,37,1.中值滤波法,中值滤波-将n个采样数据进行排队，再取中间值作为本次采样值。,9.2采样数据的数字滤波,38,图10-5中值滤波程序流程图,入口条件：n次采样值存在一维数组S(n)中。,出口条件：滤波后的采样值存于DA变量中。,中值滤波过程程序（QuickBASIC）清单如下：,9.2采样数据的数字滤波,39,SUBZHOZI(N,S(),DA)FORI=1TON1FORJ=I+1TONIFS(I)=S(J)THEN20T=S(I)S(I)=S(J)S(J)=T20NEXTJNEXTIDA=S(INT(N/2+0.5)ENDSUB,9.2采样数据的数字滤波,40,中值滤波,适宜：去除脉动性质的干扰,不适宜：快速变化的过程参数如流量,9.2采样数据的数字滤波,41,2.算术平均值法,9.2采样数据的数字滤波,42,(10-8),由一元函数求极值原理有,(10-9),式中,Xi第i次采样值；,N采样次数。,9.2采样数据的数字滤波,43,入口条件：N次采样值已存于一维数组X(N)中。,出口条件：算术平均值存于Y变量中。,算术平均过程程序（QuickBASIC）清单如下：,SUBPINJUN(N,X(),Y)A=0FORI=1TONA=A+X(I)NEXTIY=A/NENDSUB,9.2采样数据的数字滤波,44,使用对象：,适用于对压力、流量一类信号的平滑处理。,对信号平滑效果取决于N,N平滑度灵敏度,N平滑度灵敏度,一般：流量N=12，压力N=4,9.2采样数据的数字滤波,45,3.加权平均滤波法,用下式求平均值,式中a0、a1、an均为常数且应满足下式,9.2采样数据的数字滤波,46,采用加权系数法选常数a0、a1、an,.,其中=1+e-+e-2+e-N-控制对象的纯滞后时间,9.2采样数据的数字滤波,47,使用场合：,适用系统纯滞后时间常数较大、采样周期较短的过程。,优点：,对以不同采样时间得到的采样值分别给予不同的权系数，能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度。,缺点,需要测试不同过程的纯滞后时间,计算量大，降低了系统的处理速度。,9.2采样数据的数字滤波,48,4.一阶滞后滤波法（惯性滤波法）,在模拟量输入通道中，常用一阶低通RC滤波器来削弱干扰。,9.2采样数据的数字滤波,49,不宜用这种模拟方法对低频干扰进行滤波。,9.2采样数据的数字滤波,50,原因：,大时间常数、高精度的RC不易制作,R漏电流,因此需要使用惯性滤波法,9.2采样数据的数字滤波,51,惯性滤波-以数字形式实现低通滤波的动态滤波方法,9.2采样数据的数字滤波,52,使用场合：,滤波常数要求大。,惯性滤波的表达式为,(10-11),式中,滤波平滑系数，,滤波环节的时间常数；,9.2采样数据的数字滤波,53,9.2采样数据的数字滤波,入口条件：,出口条件：,惯性滤波过程程序如下：,54,9.2采样数据的数字滤波,SUBGXLBO(TAO,T,X,DA1,DA2)ALF=TAO/(TAO+T)DA2=(1-ALF)*X+ALF*DA1ENDSUB,该方法适用于波动频繁的被测量的滤波，它能很好地消除周期性干扰，但也带来了相位滞后，滞后角的大小与的选择有关。,55,9.2采样数据的数字滤波,5.防脉冲干扰复合滤波法,复合滤波-先用中值滤波处理因脉冲干扰而有偏差的采样值，再把滤波后的采样值做算术平均。,56,9.2采样数据的数字滤波,复合滤波法原理可用下式表示,若,复合滤波法流程图，如图10-7所示。,