计算机控制的技术6课件

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+1xn | 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,6.1.6 RC低通滤波器的数字形式 yk=(1-)yk-1+ xk =1-e-T/Tf， 0 1 T 采样周期 Tf=RC xk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：05V，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（Programmable Gain Amplifier, 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PGA B-B公司的PGA101，PGA102，PGA202/203 AD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=12R8)/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05V的统一电压信号，经过A/D转换成为二进制数字量（00FF），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2080 C，所得模拟信号为15V，采用铂热电阻测温，8位A/D转换器，A/D转换器输入05V时输出为00FFH。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=255 Nmin=255*1V/（5 -0）=51 Nx = 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 （2）多路开关接基准电压VR，测量得到x1 （3）自动校准：,6.3 数据预处理技术数据有效性检查,6.3.3 数据有效性检查 目的：避免由于传感器故障、变送器故障、信号传输线路开路而造成的采集数据不真实的情况。 目前采用的模拟量信号标准：420mA，15V或其它范围010V，05V等。使可测量的模拟量信号处于某一范围内，当出现意外情况时，信号达到或超过给定范围，则报警。,本章内容结束！,谢谢大家！,