第3章 常用应用程序设计

1、计算机控制技术计算机控制技术3.1 3.1 数字滤波数字滤波3.2 3.2 标度变换标度变换本章具体内容本章具体内容第第3 3章章 常用应用程序设计常用应用程序设计第三章常规数字控制器的设计方法2第三章 常用应用程序设计3.1 数字滤波数字滤波 所谓数字滤波，就是在计算机中用某种计算方法所谓数字滤波，就是在计算机中用某种计算方法对输入的信号进行数学处理，以便减少干扰在有用信对输入的信号进行数学处理，以便减少干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性。号中的比重，提高信号的真实性。 这种滤波方法不需要增加硬件设备，只需根据预定的这种滤波方法不需要增加硬件设备，只需根据预定的滤波算法编制相应的程序即

2、可达到信号滤波的目的。滤波算法编制相应的程序即可达到信号滤波的目的。 数字滤波可以对各种干扰信号，甚至极低频率的信数字滤波可以对各种干扰信号，甚至极低频率的信号进行滤波。号进行滤波。 数字滤波由于稳定性高，滤波参数修改也方便，一数字滤波由于稳定性高，滤波参数修改也方便，一种滤波子程序可以被各控制回路种滤波子程序可以被各控制回路调用，因此得到广泛的应调用，因此得到广泛的应用。用。第三章常规数字控制器的设计方法3第三章 常用应用程序设计3.1 数字滤波数字滤波3.1.1 程序判断滤波程序判断滤波 程序判断滤波的方法，是根据生产经验，确定出两次采程序判断滤波的方法，是根据生产经验，确定出两次采样输入

3、信号可能出现的最大偏差样输入信号可能出现的最大偏差y y。若超过此偏差值，则。若超过此偏差值，则表明该输入信号是干扰信号，应该去掉；如小于此偏差值，表明该输入信号是干扰信号，应该去掉；如小于此偏差值，可将信号作为本次采样值。可将信号作为本次采样值。 当采样信号由于随机干扰，如大功率用电设备的启动或当采样信号由于随机干扰，如大功率用电设备的启动或停止，造成电流的尖峰干扰或误检测，以及变送器不稳定而停止，造成电流的尖峰干扰或误检测，以及变送器不稳定而引起的严重失真等，使得采样数据偏离实际值太远，可采用引起的严重失真等，使得采样数据偏离实际值太远，可采用程序判断滤波。程序判断滤波。 程序判断滤波可分

4、为两种，即限幅滤波和限速滤波。程序判断滤波可分为两种，即限幅滤波和限速滤波。第三章常规数字控制器的设计方法4第三章 常用应用程序设计3.1 数字滤波数字滤波1限幅滤波限幅滤波当当| | Y Y（n n）- -Y Y（n n-1-1）|Y Y时，则取时，则取Y Y（n n）= = Y Y（n n），取本次采样值），取本次采样值当当| | Y Y（n n）- -Y Y（n n-1-1）| |Y Y时，则取时，则取Y Y（n n）= = Y Y（n n-1-1），取上次采样值），取上次采样值 Y（n）第n次采样值； Y（n-1）第n-1次采样值； Y相邻两次采样值所允许的最大偏差，它的大小取决于采样

5、周期T及被测参数Y应有的正常变化率。 一定要按照实际情况来确定一定要按照实际情况来确定Y Y，否则非但达不到滤波，否则非但达不到滤波效果，反而会降低控制品质。效果，反而会降低控制品质。Y Y通常可根据经验数据获得，通常可根据经验数据获得，必要时，也可由实验得出。必要时，也可由实验得出。 第三章常规数字控制器的设计方法5第三章 常用应用程序设计3.1 数字滤波数字滤波程序流程图程序流程图 第三章常规数字控制器的设计方法6第三章 常用应用程序设计3.1 数字滤波数字滤波2限速滤波限速滤波 设顺序采样时刻设顺序采样时刻tn-1、tn、tn+1所采集的参数分别为所采集的参数分别为Y（n-1）、）、Y（

6、n）、）、Y（n+1），那么），那么| ( )(1)|1 |1|1|11|1|2Y n Y nYY nY n Y nYY nY nY nY nYY nY n Y nY nY nY 当时 ，（） 输 入 计 算 机当（）（）时 ，（） 不 采 用 ， 但 仍 保 留 ， 继 续 采 样 取 得（）当（）（）时 ，（） 输 入 计 算 机（）（）当（）（）时 ， 则 取输 入 计 算 机第三章常规数字控制器的设计方法7第三章 常用应用程序设计3.1 数字滤波数字滤波程序流程图 第三章常规数字控制器的设计方法8第三章 常用应用程序设计3.1 数字滤波数字滤波3.1.2 算术平均值滤波算术平均值滤波

7、算术平均值法滤波是把一个采样周期内对信号的算术平均值法滤波是把一个采样周期内对信号的n n次采样次采样值进行算术平均，作为本次的输出值进行算术平均，作为本次的输出 。)(nYninYnnY1)(1)(n值决定了信号平滑度和灵敏度。随着值决定了信号平滑度和灵敏度。随着n n的增大，平滑度提高，的增大，平滑度提高，灵敏度降低。为方便求平均值，灵敏度降低。为方便求平均值，n n值一般取值一般取4 4、8 8、1616之类的之类的2 2的的整数幂。通常流量信号取整数幂。通常流量信号取1212，压力信号取，压力信号取6 6，温度、成分等缓慢，温度、成分等缓慢变化的信号取变化的信号取2 2甚至不平均。甚至

8、不平均。主要用于对压力、流量等周期脉动的采样值进行平滑加工，但主要用于对压力、流量等周期脉动的采样值进行平滑加工，但对偶然出现的脉冲性干扰的平滑作用尚不理想，因而它不适用对偶然出现的脉冲性干扰的平滑作用尚不理想，因而它不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。于脉冲性干扰比较严重的场合。第三章常规数字控制器的设计方法9第三章 常用应用程序设计3.1 数字滤波数字滤波3.1.3 加权平均值滤波加权平均值滤波加权平均值滤波法公式为加权平均值滤波法公式为11110010nnniiiYkYkYkYkYk k0 0、k k1 1、k kn-1n-1为加权系数，体现了各次采样值在平均值中所占为加权系数，体现了各次

9、采样值在平均值中所占的比例，它们都为大于的比例，它们都为大于0 0的常数项，且满足的常数项，且满足110niik 一般采样次数愈靠后，取的比例愈大，这样可增加新的采一般采样次数愈靠后，取的比例愈大，这样可增加新的采样值在平均值中的比例。该滤波方法可以根据需要突出信号样值在平均值中的比例。该滤波方法可以根据需要突出信号的某一部分，抑制信号的另一部分。适用于纯滞后较大的被的某一部分，抑制信号的另一部分。适用于纯滞后较大的被控对象控对象。第三章常规数字控制器的设计方法10第三章 常用应用程序设计3.1 数字滤波数字滤波3.1.4 中值滤波中值滤波 中值滤波是对某一参数连续采样中值滤波是对某一参数连续

10、采样n n次（一般次（一般n n取奇数），取奇数），然后把然后把n n次的采样值从小到大或从大到小排队，再取中间次的采样值从小到大或从大到小排队，再取中间值作为本次采样值。值作为本次采样值。中值滤波对于由于偶然因素引起的波动或采样不稳定中值滤波对于由于偶然因素引起的波动或采样不稳定引起的脉动干扰比较有效。一般应用于变化比较缓慢引起的脉动干扰比较有效。一般应用于变化比较缓慢的过程参数。的过程参数。一般一般n n取取3-53-5次。次。第三章常规数字控制器的设计方法11第三章 常用应用程序设计3.1 数字滤波数字滤波 去极值平均滤波的算法是：连去极值平均滤波的算法是：连续采样续采样n n次，去掉一

11、个最大值，再次，去掉一个最大值，再去掉一个最小值，求余下去掉一个最小值，求余下n n-2-2个采个采样值的平均值。为使平均滤波方样值的平均值。为使平均滤波方便，便，n-2n-2应为应为2 2、4 4、8 8、1616，故，故n n常常取取4 4、6 6、1010、1818。去极值平均滤波流程图 3.1.5去极值平均去极值平均滤波滤波第三章常规数字控制器的设计方法12第三章 常用应用程序设计3.1 数字滤波数字滤波3.1.6 滑动平均滤波滑动平均滤波 滑动平均滤波法每个周期只采样一次，把滑动平均滤波法每个周期只采样一次，把n n个测量数据看个测量数据看成一个队列，队列的长度固定为成一个队列，队列

12、的长度固定为n n，每进行一次新的采样，把，每进行一次新的采样，把测量结果放入队尾，而去掉原来队首的一个数据，这样在队测量结果放入队尾，而去掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有列中始终有n n个个“最新最新”的数据。然后把队列中的的数据。然后把队列中的n n个数据进个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。 滑动平均值滤波对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度滑动平均值滤波对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差，不高，灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差，不易消除由于脉冲干扰引起的采样值的偏差

13、，因此它不适用于脉易消除由于脉冲干扰引起的采样值的偏差，因此它不适用于脉冲干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡系统冲干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡系统。 通常对流量信号，通常对流量信号，n n取取1212，压力信号，压力信号n n取取4 4，液面参数，液面参数n n取取412412，温度信号，温度信号n n取取1414。第三章常规数字控制器的设计方法13第三章 常用应用程序设计3.1 数字滤波数字滤波3.1.7 低通数字滤波低通数字滤波 对于对于变化过程比较缓慢的随机变量变化过程比较缓慢的随机变量采用短时间内连续采样，采用短时间内连续采样，然后求平均值的方法进行滤波，其效果往往不够理想。

14、为了提然后求平均值的方法进行滤波，其效果往往不够理想。为了提高滤波效果，可以仿照模拟系统高滤波效果，可以仿照模拟系统RCRC低通滤波器的方法，将普通低通滤波器的方法，将普通硬件硬件RCRC低通滤波器的微分方程用差分方程来表示，便可以用软低通滤波器的微分方程用差分方程来表示，便可以用软件算法来模拟硬件滤波器的功能。件算法来模拟硬件滤波器的功能。 图3-5 RC低通滤波器第三章常规数字控制器的设计方法14第三章 常用应用程序设计3.1 数字滤波数字滤波模拟低通滤波器的传递函数为模拟低通滤波器的传递函数为11)()()(ssXsYsG 为RC滤波器的时间常数， RC离散后，可得：Y（n）=（1-）Y

15、（n-1）+X（n） 式中，式中，X X（n n）本次采样值本次采样值； Y Y（n n）本次滤波的输出值。本次滤波的输出值。 Y Y（n n-1-1）上次的滤波输出值；上次的滤波输出值； 滤波系数滤波系数/Te1 RCRC滤波器时间常数，滤波器时间常数，=RC=RC； TT采样周期采样周期低通数字滤波适用于高频和低频的干扰信号。低通数字滤波适用于高频和低频的干扰信号。第三章常规数字控制器的设计方法15第三章 常用应用程序设计3.1 数字滤波数字滤波3.1.8 复合滤波程序复合滤波程序 为了进一步提高滤波效果，改善控制精度，有时可以把为了进一步提高滤波效果，改善控制精度，有时可以把两种或两种以

16、上有不同滤波效果的数字滤波器组合起来，形两种或两种以上有不同滤波效果的数字滤波器组合起来，形成复合数字滤波器，或称多级数字滤波器。成复合数字滤波器，或称多级数字滤波器。例如：把中值滤波和算术平均值滤波结合起来，就可以结例如：把中值滤波和算术平均值滤波结合起来，就可以结合两者的优点，既可以消除周期性的干扰信号，又可对随合两者的优点，既可以消除周期性的干扰信号，又可对随机的脉冲干扰信号进行滤波。也可将采用多重滤波方法，机的脉冲干扰信号进行滤波。也可将采用多重滤波方法，将多个滤波器串联起来。将多个滤波器串联起来。第三章常规数字控制器的设计方法16第三章 常用应用程序设计标度变换：标度变换： 在计算机

17、控制系统中，生产中的各个参数都有着不在计算机控制系统中，生产中的各个参数都有着不同的数值和量纲，所有这些参数都经过变送器转换成同的数值和量纲，所有这些参数都经过变送器转换成A/DA/D转换器所能接收的转换器所能接收的0 05V5V统一电压信号，又由统一电压信号，又由A AD D转换成转换成0000FFHFFH（8 8位）的数字量。为进一步显示、记录、打印位）的数字量。为进一步显示、记录、打印以及报警等，必须把这些数字量转换成不同的单位，以以及报警等，必须把这些数字量转换成不同的单位，以便操作人员对生产过程进行监视和管理。便操作人员对生产过程进行监视和管理。 3.2 标度变换标度变换第三章常规数

18、字控制器的设计方法17第三章 常用应用程序设计3.2 标度变换标度变换3.2.1 线性参数标度变换线性参数标度变换 所谓线性参数，指一次仪表测量值与所谓线性参数，指一次仪表测量值与A/DA/D转换结果具有线转换结果具有线性关系，或者说一次仪表是线性刻度的。性关系，或者说一次仪表是线性刻度的。 标度变换公式为标度变换公式为 0000)(NNNNAAAAmxmx 式中， A0 一次测量仪表的下限；一次测量仪表的下限； Am 一次测量仪表的上限；一次测量仪表的上限； Ax 实际测量值（工程量）实际测量值（工程量）； N0 仪表下限对应的数字量；仪表下限对应的数字量； Nm 仪表上限对应的数字量；仪表

19、上限对应的数字量； Nx 测量值所对应的数字量。测量值所对应的数字量。第三章常规数字控制器的设计方法18第三章 常用应用程序设计3.2 标度变换标度变换 一般把被测参数的起点一般把被测参数的起点A0（输入信号为（输入信号为0）所）所对应的对应的A/D输出值为输出值为0，即，即N0=0，这样上式可化作，这样上式可化作00)(AAANNAmmxx例：某热处理炉温度测量仪表的量程为例：某热处理炉温度测量仪表的量程为200-1000200-1000，在某一，在某一时刻计算机采样并经数字滤波后的数字量为时刻计算机采样并经数字滤波后的数字量为0CDH0CDH，设仪表量，设仪表量程为线性的，求出此时温度值。

20、程为线性的，求出此时温度值。A0=200 ，Am=1000 ，Nx=0CDH=（205）D，Nm=0FFH=（255）D，可得此时温度为可得此时温度为843200)2001000(255205)(00AAANNAmmxx第三章常规数字控制器的设计方法19第三章 常用应用程序设计3.2 标度变换标度变换 有时工有时工程量的实际值还需经过一次变换。如电程量的实际值还需经过一次变换。如电压测量值是电压互感器的二次测的电压，则其一次压测量值是电压互感器的二次测的电压，则其一次侧的电压还有一个互感器的变比问题，这时上式应侧的电压还有一个互感器的变比问题，这时上式应再乘上一个比例系数，即再乘上一个比例系数，即)