数据处理技术教学课程(ppt 46页).ppt

1、第五章数据处理技术，学习目标：1 .了解对测量数据的预处理技术2 .学习常用的数字滤波方法3 .学习一些非线性补偿方法4 .学习检查表方法，返回总目录，引言5.1检查表技术5.2测量数据的预处理技术5.3非线性补偿5.4数字夫通常，通过传感器、变送器将生产过程中的各种物理参数转换为电信号，并且经由A/D通道或DI通道将数字量发送到计算机。 计算机在显示和控制这些数值之前，必须根据需要进行数据处理。 数据处理中数值计算是不可或缺的，但最基本的数值计算是四则运算。 根据控制系统遇到的现场环境不同，收集的数据的种类和数值范围不同，精度要求也不同，各数据的输入方法和显示方法也不同。 因此，为了满足不同

2、系统的需要，设计了数据极性、字长预处理、数字滤波器、比例变换、查找表、非线性补偿和极限报警等有效的数据处理技术方法。 5.1检针法、检针法是指，通过以一定的顺序表示预先计算或测定的数据，检针程序的任务是基于被测定参数的值或中间结果，最终检测出必要的结果。 这是一种非数值计算方法，可以进行数据补偿、计算、变换等各种工作。 例如，输入信道中热电偶特性的处理，能够通过非线性插值法进行定标变换，也能够通过精度更高的效果好的查找表法进行定标变换，利用热电偶的mV-量表， 当然，控制系统也有其他参数和表，如对数表、三角函数表和模糊控制表，可以通过计算机标度指令快速、方便地从电位mV值中查找相应的温度值。

3、电子表格程序的复杂性和询问时间的长度，除了和表的长度有关以外，重要的要素是表的排列方法。 一般来说，表中有(1)无序的表、即表中的数据任意排列这两种排列方法(2)规则的表、即表中的数据按一定顺序排列。 根据表的排列，调查表的方法不同。 具体的检针方法有逐次检针法、计算检针法、对折检针法等。 5.1.1逐次调查表法、逐次调查表法是对无序表的一种方法。 那个检针方法和人工检针表很相似。 无序表中所有项目的排列都没有一定的规则，所以必须从第一个项目开始依次检索，直到找到要检索的关键字为止。 顺序检查法虽然是“傻瓜”，但在无序的表和短的表中，仍然是常用的方法。 另外，5.1.2计算查找表方法中，微机数

4、据处理中通常使用的所有表都是线性表，其为若干数据元素X1、X2、Xn的集合，各数据元素在表中所占的排列方法与存储器单元数相同。 因此，检索的内容与表的排列有一定的关系。 基于给定的关键字，通过一定的计算，求出与该关键字对应的数值地址，取出该地址单元格的内容即可。 可以用数学公式表示关键字和表数据地址之间关系的规则表。 在这个规则表中，各要素在表内的配置形式和占有区域必须一致，各要素必须严格地按顺序配置。 那个关键是找到计算表格地址的公式。 只要公式存在，查表的时间与表的长度无关。 并不是因为对表格的要求很严格，所以任何表格都可以使用。 通常，适用于数值计算程序、功能键地址传送程序、数字转换程序

5、等。 例如，在一个计算机温度循环检测系统中，必须能够监视128个温度采样点的状态。 某采样点温度超过(上限值以上或小于下限值)时，控制警报装置进行警报。步骤：1)在计算机内存内建立“温度超过警报数据表”。 此表按顺序保存各检测电路的采样点的上限警报值、下限警报值。 2 )设该数据表的开头地址为f，循环检测电路的电路编号为k，则具有警报值的单元地址d将D=F 2K3电路的采样数据分别与d单元和D 1单元的数据进行比较。 5.1.3折半检针法，在先前介绍的两种检针法中，逐步检针法的速度慢，检针法快，但对表的要求持批判性，有一定的限度。 在实际应用中，很多表较长，用计算表法很难检索，但一般来说，满足

6、热电偶mV-标度表、流量测量中差压和流量对照表等从大到大的排列顺序。 这种表通常采用快速有效的检针法。 假定按照关键字的大小顺序排列的数据表是按照数据表中的数据从小到大的顺序排列的，则首先求出排列的中间值D=n/2进行检索，与检索的x值进行比较，如果相等则检索的Xn/2项，下次是n/2n间的中央Y(n)=X(n-1 )、式中： X(n)t=nT的情况下的采样值x(n-1)-t=(n-1)t时的采样值、x-相邻的2次采样值所允许的最大偏差，其大小是控制系统的采样周期t和信号x 极限滤波对随机噪声和取样器的不稳定引起的失真有良好的滤波效果。 5.4.2限速滤波器1，|X(n)x(n1)|x时，y(

7、n)=x(n)2，|X(n)x(n1)|x时，不使用x(n )，但先保持，第三次采样值X(n 1)(1)时| x (n1) x (n1) 另外，5.4.3中的(比特)值滤波中值滤波按从大到小的顺序排列信号x的连续k次样本值，并且将该中间值设置为此次的有效样本值。 因为本算法取中值，所以采样次数k为奇数，一般为39次。 为了生成中值滤波的算法，首先，将k个样本值从小到大(或从大到小)排序，这采用一些常用排序算法，例如，冒泡算法，然后取得中间值。 中值滤波器对缓慢变化过程的偶然变动和采样器的不稳定误差引起的脉动干扰有效，但不适用于快速变化过程(流量等)的信号采样。5.4.4平均值滤波器平均值滤波是

8、对多个样本值进行平均的算法，这是去除随机误差的最常用方法。 具体可以分类如下。 1 .算术平均滤波器算术平均滤波在采样周期t内对测量信号x进行采样n次，并且通过将n个采样值相加而获得的算术平均值作为本次有效采样值y，即，采样次数n的值来确定信号的平滑度和灵敏度。 增加n的值会提高平滑度，但系统的灵敏度降低，采样次数n的取法会根据被控制对象而不同。 一般而言，流量信号为10左右，压力信号为4左右，温度、成分等缓慢的信号不进行2至算术平均。 另外，在编制算法程序时，n通常采取第二整数倍(例如，2、4、8 )，以求出移位的平均值来代替除法。 该算法被应用于对周期性干扰的信号滤波，2 .加权平均滤波与

9、极值平均滤波存在平滑性与灵敏度之间的矛盾。 采样次数过少，平滑效果差，过多，灵敏度降低，对测量参数的变化倾向不敏感。 为了调整两者之间的关系，可以采用加权平均滤波。 加权平均滤波加上增加新鲜样本值的权重，而不是针对每个样本值的相同权重系数。、式中，第m次是最新值，C1、C2 . cm是加权系数，先小和大，且都小于1，总和等于1的小数，即满足下式的C1 C2 Cm=1CmCm-1C10、C1、C2cm的取法根据情况进行选择例如，某个纯延迟时间为的被控制对象，当采用m=4的加权平均滤波式时，c1y1c2y3c4y4，这样的式的权重系数协调系统的平滑度和灵敏度的矛盾，提高灵敏度，能够应用于纯延迟时常

10、数大的对象。 因为需要计算测试过程的纯延迟时间和各权重系数，所以计算量增加了，控制速度降低了。、3 .抗脉冲干扰平均滤波器(极值平均滤波器)算术平均滤波器无法去除明显的偶然脉冲干扰，仅将其对采样结果进行平均，测量精度降低。 组合了算术平均滤波器和中值滤波器的极值去除平均滤波器将m个连续经取样的数据进行比较，且排除其中的最大值和最小值以计算剩馀m-2个数据的算术平均值。 在制作算法程序时，为了容易用移位求出平均值来代替除法，m-2应该取2、4、8等，所以m取4、6、10等。 该算法适合于工业情况下经常遇到的尖峰噪声的信号滤波。 4 .在滑差平均值滤波器之前的三种平均滤波器算法的共同点在于，每次获

11、得有效样本值时，都必须连续采样几次。 如果系统采样速度较慢或采样信号的变化较快，则不保证系统的实时性。 为了克服这种缺点，可以采用每采样周期仅采样一次，将此次采样值与过去的几次采样值一起平均，从而结果成为有效采样值的滑动平均滤波。 具体的方法可以通过循环队列结构方式实现数据的存储，例如，取得m个采样值来求出滑动平均，如果在ram中开设m个数据的暂时存储区域，则每次收集新的数据时存储到暂时存储区域的队列的末尾，同时抽出队列开头的数据，从而进行梅具体地说，(1)在计算机的RAM内制作数据缓存器，在各单元中依次存储n次采样值(2)每当采样周期到来时，收集新的数据，首先，将该数据缓存器的数据一位一位地

12、依次移动，以获得最早的采样数据(3)求出当前的RAM缓冲器中的n个数据的算术平均值，将该值设为当前采样的有效值。 滑动平均滤波算法的最大优点在于实时性好，提高系统的响应速度。 另外，在5.3非线性补偿、过程控制中，由于在传感器等的检测元件中测量的电信号与检测出的物理参数之间经常存在非线性关系，所以例如在温度测量中，热电偶输出的热电偶信号与温度之间的关系为非线性。 为了获得均匀的显示比例，希望系统的输出和输入具有线性关系，所以通常采用非线性补偿方法，把非线性关系转换成线性关系。 硬件补偿：补偿精度不高的软件补偿：方法灵活，补偿精度高，软件补偿方法：参数之间的非线性关系可以用数学方程式表现，计算机

13、不能用直接公式计算就行的数学公式表现时，可以用表法、段线性化等方法实现。 查找表法是指，将预先计算出的数据以一定的顺序进行表格化，存储在计算机中。 然后，基于被测定参数的实测数据，用查找表检测出被测定值。 由于存储容量限制，表通常仅提供稀疏的点的数据，然而，由于不提供相邻的两点之间的函数值，因此可以通过插值方法来计算相邻的两点之间的函数值来获得这个部分的数值。 5.3.1线性插值法1 .具有线性插值原理的传感器输入信号x与输出信号y的关系如下图所示。 从上图可知，(1)曲线的斜率变化越小，代替直线越接近特性曲线，基于线性插值法的误差越小。因此，线性插值法适用于斜率不怎么变化的特性曲线的线性化。

14、 (2)内插节点越多，代替直线越接近实际曲线，内插计算的误差越小。 因此，只要有足够的插值节点，就可以获得足够的精度。 2、线性插值计算机利用计算机实现线性插值的步骤如下： (1)用实验法测量传感器的输出特性曲线，尽可能保证该曲线的准确度(2)选择插值节点，制作所描绘的曲线段(3)。 计算各相邻的内插节点间的近似曲线的斜率Ki并进行存储(X-Xi )；读出x存在的区间的斜率Ki，计算ki (x-Xi ) (y=yi ki (x-Xi )。 5.3.2二次抛物线插值法的线性插值法使用由两个插值节点(x0，y0)、(x1，y1)决定的直线段求出y=f(x )的近似值，误差大。 二次抛物线插值法由特性曲线上的三个节点(x0，y0)、(x1，y1)、(x2，y2)制作抛物线，用该抛物线代替特性曲线来进行参数计算。 与直线相比，抛物线可以更接近特性曲线，因此抛物线插值法可以提高非线性补偿的精度。 线性插值法和抛物线插值法的修正精度如图所示。 另外，假设求系数M0、M1、M2并将其存储在对应的存储单元中，则可以从上面的讨论描绘利用抛物线内插法进行线性化的过程流程图。 其中，本章总结了微机测量系统测量数据的一般数据处理技术、查找表、数据字长度和极性的预处理、数字滤波器和非线性补偿等技术方法。 由于数字滤波器有效果，所以除了在计算机测量系统中设计必要的硬件滤波器