加权平均值法数字滤波器的设计

1、加权平均值法数字滤波器的设计 沈阳航空航天大学北方科技学院 摘要 在微机控制系统的模拟输入信号中，一般均含有各种噪声和干扰，他们来自被测信号源本身、传感器、外界干扰等。为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪声和干扰。本次计算机控制技术课设任务即为数字滤波系统的设计，通过设计加权平均值滤波算法实现对干扰信号的去除。本课程设计说明书将以设计思路、设计过程为线索，对自接收课题任务、程序的编制直至建模仿真等过程进行详细的介绍和汇报，其中还会有常用的几种滤波方法的优缺点对比及原理介绍，最后通过对加权系数的改变来思考采样数据个数对滤波效果的影响。关键词：数字滤波; 加权平均值; 加权系数; 0.前

2、言微处理器在进行数据采集时，会遇到数据的随机误差，随机误差是由随机干扰引起的，其特点是在相同条件下测量同一量时，其大小和符号会现无规则的变化而无法预测，但多次测量的结果符合统计规律。为克服随机干扰引起的误差，硬件上可采用滤波技术，软件上可采用软件算法实现数字滤波。滤波算法往往是系统测控算法的一个重要组成部分，实时性很强。 “算术平均滤波算法”存在平滑度和灵敏度之间的矛盾。为了协调平滑度和灵敏度之间的关系，可采用“加权平均滤波”。它的原理是对连续N次采样值分别乘上不同的加权系数之后再求累加，加权系数一般先小后大，以突出后面若干采样的效果，加强系统对参数变化趋势的认识。各个加权系数均小于1的小数，

3、且满足总和等于1的结束条件。这样加权运算之后的累加和即为有效采样值。加权平均滤波相对其他来言具有精度高、可靠性强、灵活性大等特点。这种滤波在适用性方面比较广泛，而且比较快速。1.加权平均值算法的基本理论加权平均法，利用过去若干个按照时间顺序排列起来的同一变量的观测值并以时间顺序数为权数，计算出观测值的加权算术平均数，以这一数字作为预测未来期间该变量预测值的一种趋势预测法。2.方案的设计已知一阶惯性滤波器的差分方程为：其中，为第k个采样时刻滤波器的输出；为第k个采样时刻带干扰的原始信号；为加权系数，且满足下式：3.软件编程3.1程序的设计在MATLAB中程序框输入正弦信号的MATLAB程序，并进

4、型仿真。MATLAB的源程序如下：m=zeros(1,2000);for t=1:2000i=t/100000;x=5*sin(200*pi*i);y=0.7*rand(1);c(t)=x+y;endsubplot(2,1,1);plot(c);title('滤波前信号');xlabel('时间t');ylabel('电压值');for a=6:1993m(a)=c(a-5)/66+2*c(a-4)/66+3*c(a-3)/66+4*c(a-2)/66+5*c(a-1)/66+6*c(a)/66+7*c(a+1)/66+8*c(a+2)/66+9

5、*c(a+3)/66+10*c(a+4)/66+11*c(a+5)/66;endsubplot(2,1,2);plot(m);title('滤波后信号');xlabel('时间t');ylabel('电压值');3.2.程序流程图的设计本课程设计是用MATLAB进行仿真，其流程图如1图所示。开始输入信号X函数m（a）处理输出过滤信号C（t）改变采样周期个数结束图 1 加权平均算法的流程图4.系统调试和结果分析4.1系统调试以及输出波形（1）在MATLAB中输入叠加干扰后的信号后得出的滤波信号如图2所示：图2 叠加干扰后输出的滤波信号(2) 各加权

6、系数相等时，比较分析N取不同值时输出的波形图。a.当N=9时，输出的波形图如图3所示图3 当N=9时，输出的波形图b.当N=25时，输出的波形图如图4所示图4 当N=25时输出的波形图4.2.结果的分析推论，在一定范围内，参与加权平均值滤波的采样数据个数越多，滤波效果就越好，但是采样数据个数的增多，采样加权系数的计算量也越大，过于繁琐的计算会加重CPU的负担。对于不同类型的测量信号，其N取值与各加权系数的取值也不尽相同，通过多次调试，最终获得较为理想的数据。参考文献1刘金锟 ,先进PID控制MATLAB仿真(第2版) M.北京:电子工业出版社,2006 2郑阿奇主编，MAT

7、LAB实用教程M.北京:电子工业出版社, 2004 3王常力,集散型控制系统选型与应用M.北京：清华大学出版社,19964 于海生 , 微型计算机控制技术 M. 北京：清华大学出版社，2009.95 张晋格 , 自动控制原理 M. 哈尔滨：哈尔滨工业出版社，20076 李铁桥 张虹 ,计算机控制理论与应用M. 哈尔滨：哈尔滨工业出版社，2005课设体会经过这次的计算机控制课程设计后，我从中学到了很多东西。在我们学了计算机控制技术基础之后，对专业课程基础知识已经有了最基本的掌握和接触。对于我个人而言，我熟练的掌握了加权平均值算法数字滤波的方法，还进一步熟悉了其原理，以及各种方

8、法的优缺点。开始拿到课题难免会感到畏惧，不过经过自己亲手实践后才发现，只有经过实践运用得来的知识，才是真正属于自己的东西。这其中还尤为深刻的就是要养成科学严谨的实验习惯，这样做起来才会更有条理性。要把所学的知识灵活运用，必须要翻阅大量的资料并且要多多请教同学和老师，有很多的知识是平时不会注意的，但到了实际操作时就会因为那么一点小欠缺而不能完成。我们需要有扎实的知识基础，要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。要有耐心和毅力。理论只有与实践结合才能把所学知识灵活运用，本次课程设计我收获很大，既把课本上的理论知识给巩固了，也在实际操作中把所学知识与实际的电路很好的联系起来，并且从客观上理解所学知识。这次设计中不但对以前的知识进行了巩固，而且还学会了更多的新知识，比如仿真软件Matlab软件，提