计算机控制技术4电力出版社

1、第四章 计算机控制系统的数据处理技术v在计算机控制系统中，由于输入通道元器件的非线性、特性漂移和环境电磁干扰等因素的存在，采集的数据中包含有噪声信号，影响了数据的有效性，所以对采集的数据需要进行各种有效的预处理，如线性化或非线性补偿、数字滤波、自校正等。v本章介绍几种常用的数据处理技术。本章内容v1、系统误差及自动校正v2、线性化处理及非线性化补偿v3、标度变换v4、数字滤波v5、查表技术v6、数据通信技术第一节第一节 系统误差及自动校正系统误差及自动校正计算机控制系统中，测量过程中总是会产生一定的误差，不存在绝对没有误差的系统，如测量环境的改变，压力、温度的变化，零点漂移、机械系统滞后等，都

2、会引起测量环节中参数的变化，从而造成误差。根据误差的性质，测量误差可分为系统误差、随机误差和疏失误差三类 一、系统误差一、系统误差 系统误差指相同条件下，经过多次测量，误差数值保持恒定，或按某种已知的规律变化的误差。这种误差的特点是，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容易掌握，并可通过适当的技术手段加以克服。v产生系统误差的原因主要有：(1) 测量系统设计原理以及制造上的缺陷：如放大器放大倍数的不准确，零点飘移等。(2) 测量环境的变化，如温度的改变、湿度的变化、电源电压的干扰等。(3) 数据处理过程中采用近似的测量方法或者计算公式。v系统误差相对来说有规律可循，

3、利用计算机很容易消除，下面介绍几种消除系统误差的的方法。v1、环境温度引起的误差的修正v 环境温度变化幅度或变化速度过大时，将给测量结果带来明显的误差。v下图为在计算机控制系统中，采用辅助测温元件进行温度修正的方法。 传感器 测量元件 多路开关 A/D I/O CPU 放大 对于某些传感器，可以采用比较简单的温度误差修正模型v TC=T（1+0）+1v式中 T未经温度修正的数字量； v TC经温度修正后的数字量；v 实际工作环境温度与标准温度之差；v 0，1温度误差修正系数，1用于补偿零位 温度漂移，0用于补偿传感器灵敏度的变化。v当温度变化的补偿精度要求高的时候，可采用更复杂的数学模型进行修

4、正，如v TC=T（1+0+12）+2+32 v式中 0，1用于补偿传感器灵敏度的变化。温度 误差修正系数，2，3用于补偿零位温度漂移，对于传感器的灵敏度及零漂温度呈非线性变化的情况，上式可收到较好的效果。v2 2、零点漂移的自动校正、零点漂移的自动校正v在控制系统及智能化仪器中，由于温度及放大器参数等的变化，往往会产生零点漂移。为了消除零点漂移，可采用自动校准电路，如图所示。输 入 端 放 大 电 路 A/D CPU 多 路 开 关 C B A TX VREF v自动校正电路v测量时先把多路开关接地，测出的输入值为x0，然后把开关接VREF，测出输入值x1，并存放x0、x1。在正式测量时，如

5、测出的输入值为x，则这时的Tx可用下式计算得到 REF010 xVxxxxTv用该式计算出来的模拟量Tx,与放大器的零点漂移及增益变化无关，从而大大提高测量精度。v二、随机误差二、随机误差v在同一条件下，多次测量结果的大小和符号是不定的，不存在任何确定的规律性，这种误差称为随机误差。v随机误差的产生，源于测量过程中一系列随机性因素的影响。所谓随机性因素，是指实验者无法严格加以控制的因素，主要有如下因素：v（1）测量仪器中元器件配合的不稳定，仪器内部器件产生噪声等；v（2）温度及电流电压的频繁波动；v随机误差服从下述四条公理：v(1) 随机误差的分布具有两头小中间大的单峰值；v(2) 随机误差的

6、分布具有对称性；v(3) 随机误差的分布呈现有界性；(4) 随机误差具有抵偿性；故有：v lim (1/ni)=0v消除随机误差最有效的方法是多次测量，并取多次测量的算术平均值，即：nTTiv三、疏失误差三、疏失误差v在一定条件下进行测量，测量值明显偏离实际值所形成的误差，称之为疏失误差。疏失误差产生有如下原因：v(1) 一般情况下，它不是仪表本身固有的，而是测量过程中有于疏忽造成的。v(2) 由于测量条件的突然变化，这是产生疏失误差的客观原因。v凡属于疏失误差，应该从测量数据中去除。在快速处理系统中，一般采用程序对疏失误差进行判断并剔出。当两次采样读取数据值所容许的最大误差选择适当，会收到不

7、错的效果。第二节第二节 线性化处理及非线性化补偿线性化处理及非线性化补偿v用传感器测量参数，其输出输入关系很多是非线性的。绝对线性是没有的，有时甚至不能用数学函数表达这种关系。非线性参数往往不利于计算机处理，v另外，很多测量系统中，传感器测量数据的分散性，温度漂移，零点漂移等都会带来一定的误差。对于这些问题必须先行处理，即对数据进行线性化处理和非线性补偿的加工处理。以提高测量精度。v在计算机控制系统中，通常用软件来进行线性化校正，常用的方法有：v(1)校正函数法；v(2)查表法；v(3)线性插值法；v(4)曲线拟合法。 第三节 标度变换标度变换v经A/D转换后送入到计算机中的数字量，往往需要转

8、换成人们所熟悉的工程值。因为：v（1）转换后的数字量并不能直接代表原来带有量纲的物理量的数值，必须经过转换变成对应量纲的物理量，才能运算、显示或打印输出。v（2）同一量纲、不同量程范围的参数，也可能对应相同的数字量v因此，同一数字量可能表示不同数值的物理量。为此，将这些数字量转换成相应量纲的物理量，这种转换就是标度变换。v标度变换有多种类型，应根据实际要求和传感器类型选用适当的标度变换方法。下面介绍几种标度变换的原理。v一、一般线性测量系统物理量的标度变换一、一般线性测量系统物理量的标度变换v对于一般线性测量系统来说，参数值与A/D转换后的数字量之间为线性关系。其标度变换公式为：)NX(NN)

9、YY(YYminminmaxminmaxminX式中： Yx参数测量值； Ymax 参数量程最大值；v Ymin参数量程最小值； NmaxYmax对应的A/D转换后的数字量； NminYmin对应的A/D转换后的数字量；v X测量值Y对应的A/D转换后的数字量。对应于某物理量和测量技术，Ymax 、Ymin、Nmax、N min为常数，可以将该斜率值存入计算机中。v例如：某温度测量系统，测温范围是2001000，采用10位A/D转换，某次经线性化处理后，A/D转换后的数字量是520，求此时的温度值是多少？（假设量程是线性的）v解：根据上式，已知：v Ymin=200， Ymax=1000，Nm

10、in=0, Nmax=1023, 65.60601023) 0520)(2001000(200)(minmaxminminmaxminNNNXYYYYX v二、非线性测量系统物理量的标度变换v1、公式转换法v对于某些传感器，当其测出数据与实际参数之间的非线性关系可以用解析公式表示时，可直接采用公式转换法来计算。v例如，用差压变送器来测量信号时，由于差压和流量的平方成正比，这样实际流量Y与差压变送器并经A/D转换后的测量值X成平方根关系。此时可采用下面的公式变换：minmaxminminmaxminNNNX)YY(YYv2、多项式变换法v许多传感器测量出来的数据与实际的参数之间的非线性关系无法用

11、一个解析式来表示，或者该解析式难以直接计算。这时可采用一个代数多项式来进行非线性标度变换：Y = A0 + A1X + A2X2 + A3X3 + + AnXn v假设要求在1040范围内使用该温度传感器，并要求误差小于0.05，可使用前面的插值多项式计算。这里x为电阻值R（单位k），T为温度值t（单位）先试探n=2，并选择插值节点为（8.000，10）、（6.1538，25）、（5.000，40）。求出一个插值多项式，用这个插值多项式计算出的t值与表所列t值相比较。在校验中可发现，当R=7.27k左右时，计算出来的t值与表中的值相差0.4左右，远大于要求值的0.05。这说明二次多项式不足以补

12、偿该热敏电阻的温度特性；继续取n=3，温度t () 电阻值R (K)温度t () 电阻值R (K)10 8000011 7843112 7692313 7547114 7407415 7272716 7142817 7017418 6896519 6779620 6667021 6557422 6451623 6349124 6250025 6153826 6060627 5970128 5882329 5797030 5714231 5633732 5555433 5479334 5405335 5333236 5263037 5194638 5128139 5063140 50000v如按

13、t等分值的原则可取插值节点为（8.000，10）、（6.667，20）、（5.7142，30）、（5.000，40），这时得到的最大误差0.07左右，接近于要求值0.05。并且可以发现最大误差在15左右时发生，而在25或者35左右时，误差小于0.03。这说明插值节点取的不合适，是误差分布不均匀，应该在1020附近加密节点，以减小15附近的误差。于是取插值节点为（8.000，10）、（6.8965，18）、（5.8823，28）、（5.0631，39）再次计算，可以看到最大误差约为0.04，以小于允许值。如果取插值点为（8.000，10）、（7.0174，17）、（5.9701，27）、（5.0

14、631，39），可以得到最大误差约为0.036。这时的多项式为v T=f 3(R)=0.2346989R3 6.120373R2 59.28043R 212.7118v R 一般由测量电路直接测出，然后经标度变换提供给计算机，则温度T 可求得。v使用插值多项式，可对多种传感器的传输特性进行补偿，从而大大降低对传感器的要求，这样就可使用廉价的非线性传感器来代替昂贵的线性传感器。第四节第四节 数字滤波数字滤波v数字滤波器，就是通过一定的计算和判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重，故数字滤波器就是一种程序滤波。v数字滤波器可以对极低频的干扰信号进行滤波，以弥补RC滤波器的不足，并且可以根据信号的不

15、同，采用不同的滤波方法或滤波参数，极具灵活、方便、功能强的特点。v一一 程序判断滤波法程序判断滤波法v程序判断的方法，是根据经验，确定出两次采样输入的信号可能出现的最大偏差Y，若超过此偏差值，则表明该输入信号中串入干扰信号，应当舍弃；若小于此偏差值，可将信号做为本次采样值。v程序判断滤波根据滤波方法的不同，可分为两种，一是限幅滤波，二是限速滤波。v(1)限幅滤波程序判断滤波时，软件流程如下图所示： 程序判断滤波程序 保护现场 求Y（K）-Y（K1） Y（K）-Y（K1）0吗？ Y（K）-Y（K1）Y吗？ 求补 Y（K）=Y（K1） 恢复现场 返回 N N Y Y v适用范围：v（1）变化缓慢的

16、参数，如温度、物理位置等测量系统，v（2）对时间短，干扰幅值大的脉冲性干扰的去除非常有效。v关键是Y的选择。Y太大过滤不了干扰信号，系统误差将增大，Y太小会过滤掉很多有用信号，系统采样效率会降低。Y一般可以根据经验数据或由实验数据获得。（2）、限速滤波 限速滤波的缺点： (1) Y的确定不够灵活，必须根据现场的情况不断变换新值； (2) 不能反应采样点数 N3时各采样数值受干扰情况。所以其应用范围受到限制。 在实际使用中，可用 取代Y，这样也具备限速滤波的特性，虽然增加了计算机的开销，加大了运算工作量，但灵活性大为提高。 限速滤波程序流程图，如下图所示。2/ ) 3 () 2 () 2 ()

17、1 (YYYY限速滤波程序 计算 Y（1）-Y（2） 计算 Y（2）-Y（3） 计算Y= Y（1）-Y（2）+ Y（2）-Y（3） 2 Y（2）-Y（1）Y Y（3）-Y（2）Y Y（2）+ Y（3） 2 取 取Y（3） 返回 Y N Y N 限速滤波程序流程图二、中值滤波二、中值滤波v滤波方法：v中值滤波是指对某一参数连续进行采样n次（一般n取奇数），然后将n次采样值从小到大排列，或从大到小排队，再取中间值作为本次采样值。v适用范围：v（1）由于偶尔因素引起的波动，或采样器不稳定而引起的脉动干扰比较有效；v（2）变化量缓慢的参数；v中值滤波有两种速度相对较快的方法：v一种是直接取n次采样的中

18、间值；v另一种是对n次连续采样值按大小排序后，从首尾各截去1/3，将大小居中的数据进行平均，作为有效检测信号。三、算术平均值滤波算术平均值滤波是要寻找一个Y(K)，使该值与各采样值之间误差的平方和为最小，即 2n1in1i2iXuYmin) i (eminS由一元函数求极值原理，得：NiiXNkY1)(1)(v四、 加权平均值滤波v为了提高滤波效果，将给采样值取不同的权重，然后相加，此方法称为加权平均法。一个n项加权平均式为： )()(10iXCkYNiiv式中： C0、C1、C2、Cn-1为各次采样值的系数，它体现了各次采样值在平均值所占的比例，应满足下列关系： 110NiCiv五、移动平均

19、值滤波v移动平均滤波是根据先进先出的原理，在计算机中开辟一片存储空间，将测量数据按先后顺序进行排队，长度为N。每进行一次新的测量，把测量结果放入存储空间的队尾，并将旧数据的首项顶出，这样在存储空间中始终有N个“最新”的数据。计算平均值时，只需将这N个数据进行算术平均，就可得到新的算术平均值。v六、复合滤波法v为了提高滤波的效果，有时可以把两种或两种以上的滤波方法结合起来使用。把这种方法称为复合滤波。v也可以采用双重滤波，即把采样值经过两次滤波（比如低通滤波后），这样结果更近于理想值，这实际上相当于多重RC滤波器。七、其他v1、低通滤波器)()1()(kBXkAYkYv低通滤波器的基本思想是将本

20、次输入和上次输出取平均值，那些快速突变的参数均被滤掉，仅保留缓慢变化的参数，因此，又被称为低通滤波。v2、高通滤波器v只考虑快速突变的参数，而对于慢速变化的参数不予考虑，或者说，对于已经获得的参数在新参数中减掉。)1()()(kAYkBXkY3、带通滤波器)() 1()(11kXBkYAkY ) 1()()(22kZAkYBkZ 由上面两个公式可以得到：) 1() 1()()(22121kZAkYBAkXBBkZ )2() 1() 1(22kZAKZkYB)2() 1()()()(212121kZAAkZAAkXBBkZv把k用k-1代替，得： 第五节 查表技术v查表的方法有：v顺序查表法；v

21、计算查表法；v对分搜索法等。v1、顺序查表法v从数据表头开始，依次取出表中数据关键字与要查找的关键字进行比较，如果两者相符，取出相应的数据。如果整个表查找完毕仍未找到所需数据，则查找失败。v顺序查表法速度较慢，只适用于数据记录个数较少的情况。v2、计算查表法v如果记录的关键字与存储地址之间存在某一函数关系，那就可以通过函数运算直接求得关键字的所在地址，以便找到相应的记录。v例如，某计算机控制系统中数据采集点记录的关键字K与存储地址D之间的函数关系为v D=KM+Fv式中，M是每个记录的字节数，F是数据表的首地址。v计算查表法的速度是很快的，特别是表中的元素比较多时，优越性更为显著。v3、对分搜

22、索查表法v对分查表法的原理是，先取数组的中间值D=n/2进行查找，与要搜索的参数值进行比较，若相等，则查到。若不相等，按照对比结果在一个更小的搜索空间继续查找。若要搜索的参数值大于中间值，在排序大的一半数据中重复上述过程；若小于中间值，则在排序小的一半数据中重复上述查找过程。这样循环比较下去，经过若干次的逼近搜索，将很快查询到结果。v对分查询方法与顺序查表法相比，其搜索速度快很多，其关键原因是因为数据的排列的规律有章可循，或由大到小，或由小到大，查询起来方便快速。 第六节 数据通信技术v计算机测控系统中，很多情况下是由多台PC工控机或单片机控制系统构成所谓的多机系统，这样在多机系统中，计算机之

23、间需要相互通信，数据共享，而大的测控系统的相互通信，距离往往有远有近，机型互有区别，不同类型计算机之间的数据交换依赖于标准的计算机通信技术。v一、数据通信的基本概念v我们把PC机、单片机，外围设备之间的相互数据交换称为数据通信。v数据通信方式有两种，并行数据通信和串行数据通信。v具体的通信方式的选择，取决于通信距离的长短，以及对通信通道的资源要求。vPC机、单片机、需要通信的外围设备通常提供串行接口和并行接口的两种通信接口。v所谓并行数据通信是指数据各位同时进行传送（发送和接受）的通信方式。v优点是传递速度快；缺点是数据有多少位，在硬件上就需要多少根通信线进行数据传输。当传输位数多，距离长的时

24、候不适宜用并行方式传输。v并行数据通信图v串行数据通信是指数据是一位一位地按顺序进行传送的通信方式。v优点是使用的传输线少，只需要一对传输线就可以满足要求，这样大大降低了传送的成本，特别适用于远距离通信，当然其传输速度比并行通信要慢。理论上讲，并行传输N位数据的时间为t，那么串行传送的时间至少为N t，实际上总是大于N t；v串行数据通信图v二、.串行通信数据传送方式v根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式：（1） 单工方式：通信双方设备中发送器与接收器分工明确，只能由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据。v( 2) 半双工方式：通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以

25、相互传送数据，但某一时刻则只能向一个方向传送数据。v(3) 全双工方式：通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传送数据。v串行数据通信的方式分为异步通信（ASYNC）和同步通信（SYNC），以及同步数据链路通信（SDLC）、高级数据链路通信（HDLC）等。它们的主要区别表现在不同的信息格式上。我们主要介绍其中最基本的异步和同步通信。v三、异步通信v异步通信中，数据是一帧一帧的传送，所谓数据的帧帧是指包含一个字符代码或一个字节的数据，每一个串行帧的数据格式如图所示。v起止式异步通信的特点是：一个字符一个字符地传输，每个字符一位一位地传输，并且传输一个字符时，总是以“起始

26、位”开始，以“停止位”结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。异步通信可以采用正逻辑或负逻辑，正负逻辑如下表所示： 逻辑0逻辑1正逻辑低电平高电平负逻辑高电平低电平v异步通信的信息格式如下表所示起始位逻辑01位数据位逻辑0或15位、6位、7位、8位校验位逻辑0或11位或无停止位逻辑11位，1.5位或2位空闲位逻辑1任意数量v异步通信是按字符传输的，每传输一个字符，就用起始位来通知收方，以此来重新核对收发双方同步。v异步串行通信的可靠性高，传输效率低。v起止协议一般用在数据速率较慢的场合（小于19.2kbps）。在高速传送时，一般要采用同步协议。v串行数据通信的帧的格式由四部分组成，分别是：起始位

27、、数据位、奇偶校验位和停止位。v四、波特率和接收发时钟v串行数据通信的数据传送速率通常用波特率表示。即每秒种传送二进制代码的位数，它的单位是用位/秒（bps）表示，假定数据每秒传送数据120个字符。每个字符包含上述各位，即有十位代码构成数据，这时的传送的波特率为：v 10120bps=1200bpsv每一位代码的传送时间td为波特率的倒数mstd883. 012001异步通信的传送速度在5019200bps之间。v计算机通信由接受/发送时钟信号来控制数据传输的速度，接受/发送时钟信号由计算机内部时钟电路提供。接收数据时，接收器在接收时钟的上升沿对数据采样，进行数据位检测；发送数据时，发送器在发

28、送时钟的下降沿将移位寄存器的数据串行移位输出，如下图所示v收/发时钟频率和波特率关系如下 发波特率收发时钟频率收/ nn发时钟频率收发波特率收/v其中n为频率系数，异步通信方式时n值分别可以取1，16，64,即接受/发送时钟是波特率的1，16，或64倍，对于同步传送方式，必须取n =1。因此，可由要求的传送波特率及所选择的倍数n来确定接收/发送时钟频率。v五、异步通信的发送和接收过程v1、异步通信的接收过程v 接收端以“接收时钟”和“波特率因子”决定一位的时间长度。下面以波特率因子等于16（接收时钟每16个时钟周期，使接收移位寄存器移位一次）、正逻辑为例说明，如图所示。v （1）开始通信时，信

29、号线为空闲（逻辑1）,当检测到由1到0的跳变时，开始对“接收时钟”计数。v （2）当计到8个时钟时，对输入信号进行检测，若仍为低电平，则确认这是“起始位”B，而不是干扰信号。v（3）接收端检测到起始位后，隔16个接收时钟，对输入信号检测一次，把对应的值作为D0位数据。若为逻辑1, 作为数据位1；若为逻辑0，作为数据位0。v（4）再隔16个接收时钟，对输入信号检测一次，把对应的值作为D1位数据。.，直到全部数据位都输入。v（5）检测校验位P（如果有的话）。v（6）接收到规定的数据位个数和校验位后,通信接口电路希望收到停止位S(逻辑1)，若此时未收到逻辑1，说明出现了错误，在状态寄存器中置“帧错误

30、”标志。若没有错误，对全部数据位进行奇偶校验，无校验错时，把数据位从移位寄存器中送数据输入寄存器。若校验错，在状态寄存器中置奇偶错标志。v（7）本帧信息全部接收完，把线路上出现的高电平作为空闲位。v（8）当信号再次变为低时，开始进入下一帧的检测。2、异步通信的发送过程、异步通信的发送过程发送端以“发送时钟”和“波特率因子”决定一位的时间长度。（1）当初始化后，或者没有信息需要发送时，发送端输出逻辑1，即空闲位，空闲位可以有任意数量。（2）当需要发送时，发送端首先输出逻辑0，作为起始位。（3）接着，发送端首先发送D0位，直到各数据位发送完。（4）如果需要的话，发送端输出校验位。（5）最后，发送端输出停止位（逻辑1）。（6）如果没有信息需要发送时，发送端输出逻辑1，即空闲位，空闲位可以有任意数量。如果还有信息需要发送，转入第（2）步。3、异步通信注意事项、异步通信注意事项（1）接收端总是在每个字符的头部（即起始位）进行一次重新定位，因此发送端可以在字符之间插入不等长的空闲位，不影响接收端的接收。（2）发送端的发送时钟和接收端的接收时钟，其频率允许有一定差异，当频率差异在一定范围内，不会引起接收端检测错位，能够正确接收。只有当发送时钟和接收时钟频率差异太大，引起接收端采样错位，才造成接收错误