数据处理与滤波课件

计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术数据处理与滤波河南大学河南大学河南大学河南大学计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院6/28/20241第4章 数据采集系统设计数据处理与滤波河南大学8/11/20231第4章 数据采集计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术数据处理与滤波 一一 线性化处理线性化处理二二 标度变换标度变换三三 数字滤波数字滤波6/28/20242第4章 数据采集系统设计数据处理与滤波 一 线性化处理8/11/20232第4章 计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术数据处理的目的数据处理的目的经过处理后，可直接引用采样经过处理后，可直接引用采样数据。数据。常见的数据处理内容常见的数据处理内容线性化处理：线性化处理：(1)孔板差压与流量孔板差压与流量(2)热电偶的热电势与温度热电偶的热电势与温度校正运算：如温度补偿校正运算：如温度补偿测量值与工程量的转换：测量值与工程量的转换：(1)线性值公式；线性值公式；(2)开方值转换公式；开方值转换公式；(3)热电偶与热电阻公式热电偶与热电阻公式6/28/20243第4章 数据采集系统设计数据处理的目的8/11/20233第4章 数据采集系统设计计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术一一 线性化处理线性化处理在数据采集与处理系统中，一般总希在数据采集与处理系统中，一般总希望系统的输出和输入呈简单的线性关望系统的输出和输入呈简单的线性关系，这样当用仪表来检测和显示系统系，这样当用仪表来检测和显示系统中的某个物理量时，能得到均匀的刻中的某个物理量时，能得到均匀的刻度，不仅读数看起来清楚方便，而且度，不仅读数看起来清楚方便，而且仪表在整个范围内灵敏度一致。仪表在整个范围内灵敏度一致。在实际工程中，计算机从模拟量输入在实际工程中，计算机从模拟量输入通道得到的现场信号与该信号所代表通道得到的现场信号与该信号所代表的被测物理量之间，经常存在着非线的被测物理量之间，经常存在着非线性关系。性关系。6/28/20244第4章 数据采集系统设计一 线性化处理在数据采集与处理系统中，一般总希望系统的输出计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术一一 线性化处理线性化处理线性化处理线性化处理为了保证这些参数能有线为了保证这些参数能有线性输出，需要引入非线性补偿，将输出性输出，需要引入非线性补偿，将输出信号与被测物理量之间的非线性转化为信号与被测物理量之间的非线性转化为线性关系，这种转化过程称为线性关系，这种转化过程称为。方法方法直接计算法：可以用解析式明确表示的非直接计算法：可以用解析式明确表示的非线性函数关系；线性函数关系；查表法：将事先计算好的结果存放在数据查表法：将事先计算好的结果存放在数据表中；表中；线性插值法：非线性关系不能用数学公式线性插值法：非线性关系不能用数学公式精确表达。精确表达。6/28/20245第4章 数据采集系统设计一 线性化处理线性化处理为了保证这些参数能有线性输出，需计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术一一 线性化处理线性化处理1.1.线性插值原理线性插值原理图图425 分段线性插值法分段线性插值法 6/28/20246第4章 数据采集系统设计一 线性化处理线性插值原理图425 分段线性插值法 8计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术一一 线性化处理线性化处理例如，设例如，设x在在(xi，xi+1)区间内，则其对区间内，则其对应的逼近值为应的逼近值为(46)(47)或或 只要只要n n取得足够大，即分段足够多，就可取得足够大，即分段足够多，就可获得良好的非线性转换精度。获得良好的非线性转换精度。6/28/20247第4章 数据采集系统设计一 线性化处理例如，设x在(xi，xi+1)区间内，则其计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术一一 线性化处理线性化处理2.2.线性插值的计算机实现步骤线性插值的计算机实现步骤用实验法测量输入输出的非线性关系曲线用实验法测量输入输出的非线性关系曲线y=f(x)。将测量得到的曲线进行分段，选择插值基点。将测量得到的曲线进行分段，选择插值基点。等距分段法等距分段法非等距分段法非等距分段法确定并计算出各插值点的确定并计算出各插值点的xi、yi值及两相邻插值及两相邻插值点间拟合直线段的斜率值点间拟合直线段的斜率ki。通过查表找出通过查表找出x所在的区间，取出该段直线的所在的区间，取出该段直线的斜率斜率ki和基点值和基点值xi、yi根据插值公式根据插值公式y=yi+ki(x-xi)，计算出，计算出x点所对点所对应的应的y值。值。6/28/20248第4章 数据采集系统设计一 线性化处理线性插值的计算机实现步骤8/11/20238计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术二二 标度变换标度变换将将A/D转换后的数字量转换成带有量纲转换后的数字量转换成带有量纲的数值。的数值。线性参数的标度变换线性参数的标度变换线性参数：参数值与线性参数：参数值与A/D转换结果之间为转换结果之间为线性关系线性关系变换公式：变换公式：(48)(49)6/28/20249第4章 数据采集系统设计二 标度变换将A/D转换后的数字量转换成带有量纲的数值。(计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术二二 标度变换标度变换例已知某热处理炉温度测量仪表的量程例已知某热处理炉温度测量仪表的量程为为200800，在某一时刻计算机经采，在某一时刻计算机经采样、数字滤波后得到的数字量为样、数字滤波后得到的数字量为CDH。设该仪表的量程是线性的，在设该仪表的量程是线性的，在Y0=200时，时，N0为为0；Ym=800时，时，Nm=FFH=(255)10；x=CDH=(205)10。因。因此，根据公式此，根据公式(49)，此时的温度为：，此时的温度为：6/28/202410第4章 数据采集系统设计二 标度变换例已知某热处理炉温度测量仪表的量程为2008计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术二二 标度变换标度变换非线性参数的标度变换非线性参数的标度变换传感器测出的数据与实际被测参数之间不传感器测出的数据与实际被测参数之间不是线性关系是线性关系求出它们之间所对应的函数关系求出它们之间所对应的函数关系有解析表达式，直接计算对应结果有解析表达式，直接计算对应结果例，流量测量中，从差压变送器来的信号例，流量测量中，从差压变送器来的信号P与实际流量与实际流量G成平方根关系成平方根关系6/28/202411第4章 数据采集系统设计二 标度变换非线性参数的标度变换8/11/202311第4计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术二二 标度变换标度变换非线性参数的标度变换非线性参数的标度变换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：对于流量测量仪表，一般下限均取对于流量测量仪表，一般下限均取0 0，所以此，所以此时时G G0 0=0=0，N N0 0=0=06/28/202412第4章 数据采集系统设计二 标度变换非线性参数的标度变换对于流量测量仪表，一般下限计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术三三 数字滤波数字滤波 数字滤波数字滤波通过一定的计算程序减少干扰信号在有用信通过一定的计算程序减少干扰信号在有用信号中的比重号中的比重进行数字滤波的必要性进行数字滤波的必要性计算机控制系统是采样系统计算机控制系统是采样系统提高信号的可靠性提高信号的可靠性主要内容主要内容合理性的判别与滤波合理性的判别与滤波软测量的基本思想软测量的基本思想6/28/202413第4章 数据采集系统设计三 数字滤波 数字滤波8/11/202313第4章 数据采计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术1 1 采样数据的合理性判别及报警采样数据的合理性判别及报警采样数据的合理性判别及报警采样数据的合理性判别及报警(1)(1)越限的限幅与报警越限的限幅与报警 设某通道当前采样值为设某通道当前采样值为y(k)yL y(k)yH 时时;y(k)为当前采样有效值为当前采样有效值 y(k)yH,取取 y(k)=yH (上限值上限值)，报警，报警 y(k)y0,则 y(k)=y(k-1)6/28/202422第4章 数据采集系统设计2 数字滤波程序判断滤波基本概念 克服偶然的、大幅度的跳码计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术2 数字滤波数字滤波各种滤波方法的特点与应用各种滤波方法的特点与应用平均值滤波平均值滤波平均值滤波平均值滤波适用于周期性干扰；适用于周期性干扰；加权平均递推滤波加权平均递推滤波加权平均递推滤波加权平均递推滤波适用于纯滞后较大的过程；适用于纯滞后较大的过程；中值滤波和程序判断滤波中值滤波和程序判断滤波中值滤波和程序判断滤波中值滤波和程序判断滤波适用于偶然出现的适用于偶然出现的脉冲干扰；脉冲干扰；惯性滤波惯性滤波惯性滤波惯性滤波适用于高频干扰。适用于高频干扰。6/28/202423第4章 数据采集系统设计2 数字滤波各种滤波方法的特点与应用8/11/202323计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术3 软测量简介（软测量简介（1）问题的提出背景问题的提出背景实际生产过程中，一些重要质量指标变量如实际生产过程中，一些重要质量指标变量如精馏塔精馏塔的产品组分浓度、生物发酵罐中菌体浓度等的产品组分浓度、生物发酵罐中菌体浓度等都难以都难以直接测量，以前的解决方法：直接测量，以前的解决方法：（1）采用间接的质量指标：如温度控制）采用间接的质量指标：如温度控制（2）采用在线分析仪表）采用在线分析仪表采用软测量方法及其应用技术采用软测量方法及其应用技术6/28/202424第4章 数据采集系统设计3 软测量简介（1）问题的提出背景8/11/202324第计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术3 软测量简介（软测量简介（2）何谓软测量何谓软测量选择与被估计变量选择与被估计变量相关相关相关相关的一组可测变量，构造出某的一组可测变量，构造出某种以可测变量为种以可测变量为输入输入输入输入、被估计变量为、被估计变量为输出输出输出输出的的数学模数学模数学模数学模型型型型，用计算机，用计算机软件实现软件实现软件实现软件实现的重要过程变量的的重要过程变量的估计估计估计估计。这类这类数学模型及相应数学模型及相应数学模型及相应数学模型及相应的计算机的计算机软件软件软件软件被称为被称为软测量器软测量器或或“软仪表软仪表”。6/28/202425第4章 数据采集系统设计3 软测量简介（2）何谓软测量8/11/202325第4章计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术3 软测量简介（软测量简介（3）软测量技术包括三个部分：软测量技术包括三个部分：软测量建模方法软测量建模方法模型实时演算的工程化实施技术模型实时演算的工程化实施技术模型自校正（模型维护）技术模型自校正（模型维护）技术软测量的一般公式软测量的一般公式软软测测量量是是实实用用性性的的应应用用技技术术，它它以以软软测测量量模模型型在在线线运算并给出准确的估计值为目标运算并给出准确的估计值为目标6/28/202426第4章 数据采集系统设计3 软测量简介（3）软测量技术包括三个部分：8/11/20计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术3 软测量简介（软测量简介（4）软测量工程化设计步骤软测量工程化设计步骤软测量工程化设计步骤软测量工程化设计步骤 初选辅助变量初选辅助变量初选辅助变量初选辅助变量 现场数据采集与处理现场数据采集与处理现场数据采集与处理现场数据采集与处理 辅助变量的精选辅助变量的精选辅助变量的精选辅助变量的精选 软测量模型的结构选择软测量模型的结构选择软测量模型的结构选择软测量模型的结构选择 模型参数估计模型参数估计模型参数估计模型参数估计 软测量模型实施软测量模型实施软测量模型实施软测量模型实施 在线数据预处理在线数据预处理在线数据预处理在线数据预处理软测量模型精软测量模型精软测量模型精软测量模型精度保证机制：度保证机制：度保证机制：度保证机制：在线自校正在线自校正在线自校正在线自校正和和和和不定期的不定期的不定期的不定期的模型模型模型模型更新更新更新更新6/28/202427第4章 数据采集系统设计3 软测量简介（4）软测量工程化设计步骤软测量模型精度保证