计算机控制技术基础数据处理

1、第三章第三章 测量数据处理测量数据处理u信号的采样和量化信号的采样和量化u线性化处理线性化处理u标度变换标度变换u越限报警处理越限报警处理u数字滤波技术数字滤波技术第第 1 1 节节信号的采样信号的采样u采样过程采样过程u采样定理采样定理u采样频率的选择采样频率的选择信号的采样信号的采样一、采样过程一、采样过程典型的计算机控制系统的结构：典型的计算机控制系统的结构：计算机控制系统的采样过程计算机控制系统的采样过程过程连续信号采样过程示意图过程连续信号采样过程示意图信号的采样信号的采样信号的采样信号的采样信号的采样信号的采样二、采样定理二、采样定理信号的采样信号的采样信号的采样信号的采样三、采样

2、频率的选择三、采样频率的选择被控物理量被控物理量采样周期采样周期T T备注备注流量流量1 15(s)5(s)优先选用优先选用2s2s压力压力3 310(s)10(s)优先选用优先选用8s8s液位液位6 68(s)8(s)优先选用优先选用7s7s温度温度151520(s)20(s)优先选用纯滞后时间优先选用纯滞后时间成份成份151520(s)20(s)优先选用优先选用18s18s位置位置101050(ms)50(ms)优先选用优先选用30ms30ms第第 2 2 节节线性化处理线性化处理线性化处理线性化处理 计算机从工程输入通道得到的现场信号与该信号所计算机从工程输入通道得到的现场信号与该信号所

3、代表的对应的物理量之间不一定是线性关系，经常存在代表的对应的物理量之间不一定是线性关系，经常存在着非线性关系。着非线性关系。 例如在温度测量中，常用的例如在温度测量中，常用的Pt100铂电阻，其适用范铂电阻，其适用范围为围为200850，根据根据IEC标准标准751-1983规定，规定，Pt100铂电阻的阻值与温度的关系为铂电阻的阻值与温度的关系为 20301100tRRAtBtC tC t-2000 0850 201tRRAtBt线性化处理线性化处理 再如在流量测量中，孔板测量气体或液体的流量，再如在流量测量中，孔板测量气体或液体的流量，差压变送器输出的孔板差压信号差压变送器输出的孔板差压信

4、号P，同实际流量，同实际流量F之间之间成平方根关系，即：成平方根关系，即：式中式中K是流量系数，也是非线性关系。是流量系数，也是非线性关系。P KF线性化处理线性化处理非线性补偿的三种方法：非线性补偿的三种方法：1. 公式计算法公式计算法（可以用解析式明确表示的非线性函数关系）（可以用解析式明确表示的非线性函数关系） 2. 查表法查表法3. 线性插值法线性插值法)(11iiiiiixxxxyyyy第第 3 3 节节标度变换标度变换u线性参数标度变换线性参数标度变换u非线性参数标度变换非线性参数标度变换标度变换标度变换 标度变换：标度变换：测量值（进入计算机的二进制）与工程测量值（进入计算机的二

5、进制）与工程值的转换（实际温度、压力、流量）。值的转换（实际温度、压力、流量）。 目的：目的：为了进行显示、记录、打印以及报警，必须为了进行显示、记录、打印以及报警，必须将数字量转换成不同量纲，以便操作人员进行监视和管将数字量转换成不同量纲，以便操作人员进行监视和管理生产。理生产。一、线性参数标度变换一、线性参数标度变换0000AAANNNNAMMXX标度变换标度变换标度变换标度变换（一）如被测量为非线性刻度时，其标度变换应具体分（一）如被测量为非线性刻度时，其标度变换应具体分析，如：流量测量中，其流量与差压的公式为：析，如：流量测量中，其流量与差压的公式为： 二、非线性参数标度变换二、非线性

6、参数标度变换PKG0000NKNKNKNKGGGGmxmx 测量流量时的标度变换公式为：测量流量时的标度变换公式为： 标度变换标度变换（二）线性化处理（二）线性化处理级数展开法：级数展开法：牛顿迭代法：牛顿迭代法：YX231111112816XXXX 112KKKXYYY第第 4 4 节节越限报警处理越限报警处理越限报警处理越限报警处理 超限报警分为上限报警、下限报警及上下限报警。超限报警分为上限报警、下限报警及上下限报警。 1、上限报警、上限报警 若若XnXmax，则上限报警，否则继续执行原定操作。，则上限报警，否则继续执行原定操作。2、下限报警、下限报警 若若XnXmin，则下限报警，否则

7、继续执行原定操作。，则下限报警，否则继续执行原定操作。3、上下限报警、上下限报警 若若XnXmax，则上限报警，否则对下式作判别：，则上限报警，否则对下式作判别：XnXmin?若是，则下限报警，否则继续原定操作。若是，则下限报警，否则继续原定操作。 越限报警处理越限报警处理简单的上下限报警流程图简单的上下限报警流程图 报警程序报警程序初始化初始化X1A取取2号下限报警值号下限报警值输出输出2号上限报警控制号上限报警控制输出输出1号上限报警控制号上限报警控制输出输出2号下限报警控制号下限报警控制取取1号上限报警值号上限报警值取取1号下限报警值号下限报警值输出输出1号下限报警控制号下限报警控制X2

8、A 取取2号上限报警值号上限报警值X1 X1max？X1 X2max？X2X2min？YNYNYNYN越限报警处理越限报警处理考虑越限次数的报警流程图考虑越限次数的报警流程图 置本次采样不正常标志置本次采样不正常标志注：注：“正常正常”指的是上次采样正常指的是上次采样正常上下限报警处理上下限报警处理保护现场保护现场设置初值设置初值Xmax Xmin取采样值取采样值Xn报警转手动报警转手动下限处理下限处理置允许检测次数置允许检测次数N-1报警转手动报警转手动置允许检测次数置允许检测次数N-1置本次采样不正常标志置本次采样不正常标志上限处理上限处理返回返回恢复现场恢复现场置本次采样正常标志置本次采

9、样正常标志采样值送内存采样值送内存N次？次？上次上次正常正常？ X Xmax上次上次正常正常？N次？次？NYNYYNNYNYYN 返回返回 返回返回第第 5 5 节节数字滤波技术数字滤波技术数字滤波技术数字滤波技术 实质上它是一种程序滤波。实质上它是一种程序滤波。 数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比，有以下几个优点：器相比，有以下几个优点：v 数字滤波是用程序实现的，可多个通道公用一个滤波数字滤波是用程序实现的，可多个通道公用一个滤波程序；程序；v 不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好，不存不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好

10、，不存在各个回路之间的阻抗匹配问题；在各个回路之间的阻抗匹配问题；v 数字滤波可以对很低的频率进行滤波；数字滤波可以对很低的频率进行滤波；v 数字滤波器可根据信号的不同，采用不同的滤波方法数字滤波器可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。 数字滤波技术数字滤波技术1、 程序判断滤波方法程序判断滤波方法（1）限幅滤波）限幅滤波消除幅度较大的尖峰干扰消除幅度较大的尖峰干扰（2）限速滤波）限速滤波消除高频干扰消除高频干扰1nnYYy 1nnYYy nY取1nY取21yyy 2y取21yyy 23yy存 ， 采32yyy

11、3y取32yyy 232yy取数字滤波技术数字滤波技术2、中值滤波方法、中值滤波方法 这种滤波法是将被测参数连续采样这种滤波法是将被测参数连续采样N次次(一般一般N取奇取奇数数)，然后把采样值按大小顺序排列，再取中间值作为本，然后把采样值按大小顺序排列，再取中间值作为本次的采样值。消除脉冲性质的干扰。次的采样值。消除脉冲性质的干扰。3、算术平均滤波、算术平均滤波4、加权平均滤波、加权平均滤波11nniiYxn12n 4n 流量：流量：压力：压力：10nniiiYC x101niiC数字滤波技术数字滤波技术5、 一阶滞后滤波（惯性滤波方法）一阶滞后滤波（惯性滤波方法）慢速随机变量，短时间内连续采样慢速随机变量，短时间内连续采样RCTf) 1()()1 ()(kxkukxTTTff)()() 1()(kukxTkxkxTfX(s)RCU(s)sTsGf11)(令令数字滤波技术数字滤波技术6、 复合数字滤波复合数字滤波 复合滤波就是把两种以上的滤波方法结合起复合滤波就是把两种以上的滤波方法结合起来使用。例如把中值滤波的思想与算术平均的方来使用。例如把中值滤波的思想与算术平均的方法结合起来，就是一种常用的复合滤波法。具体法结合起来，就是一种常用的复合滤波法。具体方法是首先将采样值按大小排队，去掉最大和最方法是首先将采样值按大小排队，去掉最大和最小的，然后再把剩下的取平均值。这样显然比单小