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微型计算机控制技术教案第1页，共41页，编辑于2022年，星期六数据处理数据处理 进行数字滤波和处理的必要性进行数字滤波和处理的必要性进行数字滤波和处理的必要性进行数字滤波和处理的必要性存在外部干扰存在外部干扰采样系统多次转换信号会掺杂噪声采样系统多次转换信号会掺杂噪声直接测得数据可能不可用直接测得数据可能不可用 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波在计算机中利用某种计算方法对原始输入数据进行数学处理，去掉原始数在计算机中利用某种计算方法对原始输入数据进行数学处理，去掉原始数据中掺杂的噪声数据，提高信号的真实性，获得最具有代表性的数据集据中掺杂的噪声数据，提高信号的真实性，获得最具有代表性的数据集合。合。数据处理数据处理数据处理数据处理通过数字滤波得到比较真实的被测参数，有时不能直接使用，还需要做某些通过数字滤波得到比较真实的被测参数，有时不能直接使用，还需要做某些处理，如线性化、校正运算、标度变换等。处理，如线性化、校正运算、标度变换等。第2页，共41页，编辑于2022年，星期六数据处理数据处理数据处理数据处理离不开数值计算，而最基本的数值计算就是四则运算。离不开数值计算，而最基本的数值计算就是四则运算。由于控制系统中遇到的现场环境不同，采集的数据种类与数值范围不由于控制系统中遇到的现场环境不同，采集的数据种类与数值范围不同，精度要求也不一样，各种数据的输入方法及表示也各不相同。同，精度要求也不一样，各种数据的输入方法及表示也各不相同。为了满足不同系统的需要，设计出了许许多多有效的数据处为了满足不同系统的需要，设计出了许许多多有效的数据处理技术方法，如理技术方法，如预处理、预处理、数字滤波、数字滤波、标度变换、查表和越限报标度变换、查表和越限报警警等。等。第3页，共41页，编辑于2022年，星期六数字滤波技术数字滤波技术滤波滤波:就是从所要测量的信号中除去就是从所要测量的信号中除去干扰信号干扰信号的过程。的过程。数字滤波数字滤波:它是利用一定的计算程序减少干扰在有用信号中的比它是利用一定的计算程序减少干扰在有用信号中的比重，消除随机误差，同时对信号进行必要的平滑处理，以重，消除随机误差，同时对信号进行必要的平滑处理，以保证系统的正常运行，所以是一种保证系统的正常运行，所以是一种程序滤波程序滤波或或软件滤波软件滤波。第4页，共41页，编辑于2022年，星期六数字滤波技术数字滤波技术数字滤波的优点：数字滤波的优点：（1）数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，）数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，可以多个通道可以多个通道“共用共用”一个滤波程序，各回路间不存一个滤波程序，各回路间不存 在阻抗匹配等问题。而且可靠性高、稳定性好、还在阻抗匹配等问题。而且可靠性高、稳定性好、还 可以节约投资；可以节约投资；（2）数字滤波能对频率很低的信号（如）数字滤波能对频率很低的信号（如0.01Hz）实现滤）实现滤 波，而模拟滤波时，则受电容容量限制而无法实现；波，而模拟滤波时，则受电容容量限制而无法实现；（3）要改变滤波方法只需修改滤波程序，因而灵活方便。）要改变滤波方法只需修改滤波程序，因而灵活方便。第5页，共41页，编辑于2022年，星期六数字滤波技术数字滤波技术克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法(非线性法）非线性法）抑制小幅度高频噪声的平均滤波法抑制小幅度高频噪声的平均滤波法复合滤波复合滤波第6页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法(非线性法）非线性法）克服由系统外部环境偶然因素引起的突变性扰动或系克服由系统外部环境偶然因素引起的突变性扰动或系统内部不稳定引起误码等造成的尖脉冲干扰，通常采统内部不稳定引起误码等造成的尖脉冲干扰，通常采用简单的用简单的非线性滤波法非线性滤波法。滤除脉冲干扰是系统数据处理的第一步滤除脉冲干扰是系统数据处理的第一步第7页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法1.1 1.1 程序判断滤波程序判断滤波程序判断滤波程序判断滤波基本思路：基本思路：根据现场经验或生产工艺机理的分析，确定出两次根据现场经验或生产工艺机理的分析，确定出两次采样输入信号之间可能出现的最大偏差采样输入信号之间可能出现的最大偏差X。若超过若超过X，则表明该次输入信号受到严重干扰，则表明该次输入信号受到严重干扰，应该去掉；反之，该次采样信号有效。应该去掉；反之，该次采样信号有效。第8页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法 程序判断滤波程序判断滤波程序判断滤波程序判断滤波程序判断滤波，程序判断滤波，程序判断滤波，程序判断滤波，根据处理方法不同，可分为两种根据处理方法不同，可分为两种：限幅滤波限幅滤波 算法算式算法算式：算式的含义：算式的含义：若本次采样值若本次采样值 与上次采样值与上次采样值 之差绝对值小于等于最大允许之差绝对值小于等于最大允许偏差偏差 ，则取本次采样值为滤波器输出，否则认为是干扰造成的，把，则取本次采样值为滤波器输出，否则认为是干扰造成的，把上次采样值上次采样值 作为本次滤波器输出。作为本次滤波器输出。第9页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法 程序判断滤波程序判断滤波程序判断滤波程序判断滤波限速滤波：限速滤波：三次采样值三次采样值 算法算式算法算式：，是指本次采样值与上次采样值之差；，是指本次采样值与上次采样值之差；，重新采样后的采样值与本次采样值之差，重新采样后的采样值与本次采样值之差。算式的含义：算式的含义：若若 ，则本次采样，则本次采样 有效，取有效，取 为滤波器输出；否则再重新采样一次，得到新采为滤波器输出；否则再重新采样一次，得到新采样值样值 ，若，若 ，则表明，则表明 值接近值接近 ，则用，则用 作为滤波器输出，否则，作为滤波器输出，否则，就以就以 作为滤波器输出。作为滤波器输出。第10页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法 程序判断滤波程序判断滤波程序判断滤波程序判断滤波 是是相相邻邻两两个个采采样样值值的的最最大大允允许许增增量量，其其数数值值可可根根据据 的的最最大大变变化化速率速率 及采样间隔及采样间隔 确定，即确定，即 实实现现本本算算法法的的关关键键是是设设定定被被测测参参量量相相邻邻两两次次采采样样值值的的最最大大允允许许误差误差 。要求准确估计。要求准确估计 和采样间隔和采样间隔 。适用于：适用于：变化较慢的参数，对抑制带有随机性的干扰较有效。变化较慢的参数，对抑制带有随机性的干扰较有效。注意：注意：该滤波方法的关键在于最大允许偏差该滤波方法的关键在于最大允许偏差 的确定，往往需经大量的确定，往往需经大量的观测和实验才能确定。的观测和实验才能确定。第11页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法1.2 1.2 中值滤波中值滤波中值滤波中值滤波（又称防脉冲干扰平均滤波法）（又称防脉冲干扰平均滤波法）（又称防脉冲干扰平均滤波法）（又称防脉冲干扰平均滤波法）基本思路：基本思路：对某一个被测参数连续采样对某一个被测参数连续采样n次（次（n为奇数，且一般取为奇数，且一般取39），然后按大），然后按大小顺序排列，从中选取一个大小居中的采样值作为滤波的输出。小顺序排列，从中选取一个大小居中的采样值作为滤波的输出。算法算式算法算式：若：若n=3时，则时，则 适用于：适用于：滤去由于偶然因素引起的波动或由采样开关或滤去由于偶然因素引起的波动或由采样开关或A/D转换器等工作不稳定造成转换器等工作不稳定造成的误码所引起的脉冲干扰。对变化缓慢的被测参数，如温度、液位、成分等，的误码所引起的脉冲干扰。对变化缓慢的被测参数，如温度、液位、成分等，能收到很好的滤波效果。能收到很好的滤波效果。第12页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法1.3 基于拉依达准则的奇异数据滤波法基于拉依达准则的奇异数据滤波法（剔除粗大误差）拉依达准则（剔除粗大误差）拉依达准则(3准则准则)：当测量次数当测量次数N足够多且测量服从正态分布时，在各次足够多且测量服从正态分布时，在各次测量值中，若某次测量值测量值中，若某次测量值X i 所对应的剩余误差所对应的剩余误差Vi3，则认为该则认为该X i 为坏值，予以剔除。为坏值，予以剔除。第13页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法 基于拉依达准则的奇异数据滤波法基于拉依达准则的奇异数据滤波法拉依达准则法实施步骤拉依达准则法实施步骤（1）求）求N次测量值次测量值X 1至至X N的算术平均值的算术平均值（2）求各项的剩余误差）求各项的剩余误差V i（3）计算标准偏差）计算标准偏差 （4）判断并剔除奇异项）判断并剔除奇异项V i3，则认为该，则认为该X i为坏值，予以剔除。为坏值，予以剔除。依据拉依达准则净化数据的局限性依据拉依达准则净化数据的局限性（1）该准则在样本值少于）该准则在样本值少于10个时不能判别任何奇异数据；个时不能判别任何奇异数据；（2）3准则是建立在正态分布的等精度重复测量基础上，而造成奇准则是建立在正态分布的等精度重复测量基础上，而造成奇 异数据的干扰或噪声难以满足正态分布。异数据的干扰或噪声难以满足正态分布。第14页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法1.4 基于中值数绝对偏差的决策滤波法基于中值数绝对偏差的决策滤波法 中值绝对偏差估计的决策滤波器能够判别出奇异数据，并以中值绝对偏差估计的决策滤波器能够判别出奇异数据，并以有效性的数值来取代。有效性的数值来取代。采用一个移动窗口：采用一个移动窗口：利用利用m个数据来确定的有效性。如果滤波器判定该数据有个数据来确定的有效性。如果滤波器判定该数据有效，则输出，否则，如果判定该数据为奇异数据，用中值来取效，则输出，否则，如果判定该数据为奇异数据，用中值来取代。代。第15页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法 基于中值数绝对偏差的决策滤波法基于中值数绝对偏差的决策滤波法确定当前数据有效性的判别准则确定当前数据有效性的判别准则用中值绝对偏差构造一个尺度序列，设用中值绝对偏差构造一个尺度序列，设 中值为中值为Z，则，则给出了每个数据点偏离参照值的尺度。令给出了每个数据点偏离参照值的尺度。令d(k)的中值为的中值为D，著名的，著名的统计学家统计学家FR.Hampel提出并证明了中值数绝对偏差提出并证明了中值数绝对偏差 ，可以代替标准偏差可以代替标准偏差。对。对3法则的这一修正有时称为法则的这一修正有时称为“Hampel标识符标识符”。第16页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法 基于中值数绝对偏差的决策滤波法基于中值数绝对偏差的决策滤波法 实现基于实现基于L*MAD准则的滤波算法准则的滤波算法建立移动数据窗口建立移动数据窗口计算出窗口序列的中值计算出窗口序列的中值Z（排序法）（排序法）计算尺度序列的中值计算尺度序列的中值d（排序法）（排序法）令令 计算计算如果如果 则，则，；否则否则第17页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法 基于中值数绝对偏差的决策滤波法基于中值数绝对偏差的决策滤波法可以用窗口宽度可以用窗口宽度 m和门限和门限L这两个参数调整滤波器的特性。这两个参数调整滤波器的特性。m影响滤影响滤波器的总一致性，波器的总一致性，m值至少为值至少为7。门限参数。门限参数L直接决定滤波器主动进取直接决定滤波器主动进取程度，程度，L值增大，将值增大，将 判定为奇异数据并用值中取代的可能性减少。判定为奇异数据并用值中取代的可能性减少。当当L0时，滤波器始终是确定的，时，滤波器始终是确定的，满足不了选择判据满足不了选择判据 ，对所有，对所有m值，值，还原成了中值滤波器。还原成了中值滤波器。本非线性滤波器具有比例不变性、因果性、算法快捷等特点，本非线性滤波器具有比例不变性、因果性、算法快捷等特点，实时地完成数据净化。实时地完成数据净化。第18页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法 1.5 NI 中值滤波法中值滤波法（美国国家仪器公司，简称 NI 公司)传统的中位值滤波法是把连续采样的传统的中位值滤波法是把连续采样的 N(N 取奇数取奇数)个采样个采样值按大小排列值按大小排列,取其中间值为本次有效值取其中间值为本次有效值,显然对于要求滤波显然对于要求滤波前后数据数目一致的系统来说是行不通的前后数据数目一致的系统来说是行不通的。而而 NI 中值滤波法中值滤波法可以弥补它的不足可以弥补它的不足,其方法是：其方法是：对连续采样序列对连续采样序列 中的每个采样值进行修正。中的每个采样值进行修正。第第 i 个采个采样值用以其为中心、以样值用以其为中心、以 为阶数的相邻为阶数的相邻 2 r+1 个数的个数的中值来代替中值来代替,即将这即将这 2 r+1 个采样值按大小排队个采样值按大小排队,取中间值为取中间值为第第 i 次采样值。次采样值。第19页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法 NI 中值滤波法中值滤波法 算法：算法：代表输出序列，代表输出序列，J i 代表输入序列代表输入序列 中以中以 为中心、相邻为中心、相邻 2 r+1 个数的一个子集。个数的一个子集。则则其中：当其中：当 时，元素时，元素 ；时，时，。实际应用中阶数实际应用中阶数 r 取值介于取值介于 滤波效果较好。滤波效果较好。中值滤波能有效地克服因偶中值滤波能有效地克服因偶然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误码等造成的脉冲干扰然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误码等造成的脉冲干扰,平滑度很好。平滑度很好。对于温度、液对于温度、液位等缓慢变化的被测参数采用此法能收到良好的效果位等缓慢变化的被测参数采用此法能收到良好的效果,但对于流量、速度等快速变化的参数一般但对于流量、速度等快速变化的参数一般不宜采用中位值滤波算法。不宜采用中位值滤波算法。(即子集按大小排队后取其中值即子集按大小排队后取其中值)第20页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法1.6 Median Mean Filtering（中位值平均滤波法）（中位值平均滤波法）基本思路基本思路:N个采样数据里个采样数据里,对每对每3个相邻的数据进行一次中值运算，个相邻的数据进行一次中值运算，相当于每相当于每 3 个相邻的数据进行一次中位值滤波个相邻的数据进行一次中位值滤波,然后对滤波后的然后对滤波后的 个数据进行算术平均滤波。个数据进行算术平均滤波。显然显然,为了程序不出现异常这里要求为了程序不出现异常这里要求 N 为为 3 的整数倍。的整数倍。算法：算法：代表输出序列代表输出序列 第21页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法1.7 消抖滤波法消抖滤波法基本思路基本思路：设置一个滤波计数器将每次采样值与当前有效值比较：设置一个滤波计数器将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值当前有效值，则计数器清零如果采样值当前有效值，则计数器清零 如果采样值如果采样值当前有效值，则计数器当前有效值，则计数器+1，并判断计数器是否并判断计数器是否=上限上限N(溢出溢出)如果计数器溢出，则将本次值替换当前有效值，如果计数器溢出，则将本次值替换当前有效值，并清计数器。并清计数器。优点：优点：对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果，可避免对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果，可避免 在临界值附近控制器的反复开在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动关跳动或显示器上数值抖动缺点：缺点：对于快速变化的参数不宜如果在计数器溢出的那一次采样到对于快速变化的参数不宜如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值，则会将干扰值当作有效值导入系统。的值恰好是干扰值，则会将干扰值当作有效值导入系统。第22页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法1.8 限幅消抖滤波法限幅消抖滤波法 基本思路基本思路：相当于相当于“限幅滤波法限幅滤波法”+“消抖滤波法消抖滤波法”，先限幅，后消抖。先限幅，后消抖。优点：优点：继承了继承了“限幅限幅”和和“消抖消抖”的优点；的优点；改进了改进了“消抖滤波法消抖滤波法”中的某些缺陷，避中的某些缺陷，避 免将干扰值导入系统。免将干扰值导入系统。第23页，共41页，编辑于2022年，星期六1.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法1.9 概率忽略法概率忽略法 利用概率论的概念利用概率论的概念，当我们对采样点，当我们对采样点扫描一次扫描一次时，该点时，该点出现出现干扰的机率为干扰的机率为 50%，而，而扫描两次扫描两次时干扰机率则变为时干扰机率则变为 25%，依次类推，当依次类推，当扫描扫描 N 次次时，时，随机干扰出现的可能性是随机干扰出现的可能性是 。我们就可以根据实际信号的特点设置适当的扫描次数我们就可以根据实际信号的特点设置适当的扫描次数 N，达，达到忽略随机干扰的目的到忽略随机干扰的目的。第24页，共41页，编辑于2022年，星期六2.抑制小幅度高频噪声的平均滤波法抑制小幅度高频噪声的平均滤波法小小幅幅度度高高频频电电子子噪噪声声：电电子子器器件件热热噪噪声声、A/D量化噪声等。量化噪声等。通常采用具有低通特性的线性滤波：通常采用具有低通特性的线性滤波：算数平均滤波法算数平均滤波法 加权平均滤波法加权平均滤波法 滑动加权平均滤波法滑动加权平均滤波法 第25页，共41页，编辑于2022年，星期六2.抑制小幅度高频噪声的平均滤波法抑制小幅度高频噪声的平均滤波法2.1 2.1 算术平均值滤波算术平均值滤波算术平均值滤波算术平均值滤波基本思路：基本思路：连续采样连续采样n次，把次，把n次采样的算术平均值作为本采样时刻次采样的算术平均值作为本采样时刻t=kT时滤波时滤波器的输出。器的输出。算法算式算法算式：式中式中:y(k)第第kT采样时刻滤波器的输出；采样时刻滤波器的输出；x(k-i)第第i 次采样次采样;n 总的采样次数。总的采样次数。n，平滑度，平滑度，灵敏度灵敏度。一般对于流量一般对于流量n=12，压力压力n=4，温度成分，温度成分n可取更小。可取更小。第26页，共41页，编辑于2022年，星期六2.抑制小幅度高频噪声的平均滤波法抑制小幅度高频噪声的平均滤波法 算术平均值滤波算术平均值滤波算术平均值滤波算术平均值滤波适用于适用于 抑制具有周期性干扰信号的变化快的参数，如流量、压抑制具有周期性干扰信号的变化快的参数，如流量、压力，其值总在某一数值范围内波动，即周期性脉动信号。力，其值总在某一数值范围内波动，即周期性脉动信号。对于采样速度较慢或要求数据更新率较高的系统，算对于采样速度较慢或要求数据更新率较高的系统，算术平均滤法无法使用。术平均滤法无法使用。第27页，共41页，编辑于2022年，星期六2.抑制小幅度高频噪声的平均滤波法抑制小幅度高频噪声的平均滤波法2.2 限幅平均滤波法限幅平均滤波法基本思路基本思路：相当于相当于“限幅滤波法限幅滤波法”+“递推平均滤波法递推平均滤波法”，每次采样每次采样到的新数据先进行限幅处理，再送入队列进行递推平均滤波处到的新数据先进行限幅处理，再送入队列进行递推平均滤波处理理。优点：优点：融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。缺点：缺点：比较浪费比较浪费RAM第28页，共41页，编辑于2022年，星期六2.抑制小幅度高频噪声的平均滤波法抑制小幅度高频噪声的平均滤波法2.3 2.3 加权平均值滤波加权平均值滤波加权平均值滤波加权平均值滤波基本思路：基本思路：算术平均滤波中，算术平均滤波中，n次采样值在输出结果中所占比重是相同的，即每次采样均具次采样值在输出结果中所占比重是相同的，即每次采样均具有相同的加权因子，用这样的滤波算法，对于时变信号会产生滞后，且有相同的加权因子，用这样的滤波算法，对于时变信号会产生滞后，且n越大，滞越大，滞后越严重。所以为了增加新采样数据在结果中的比重，一般对越新的采样值，其权后越严重。所以为了增加新采样数据在结果中的比重，一般对越新的采样值，其权值越大值越大。算法：算法：其中其中 为加权系数，为常数，且满足以下条件：为加权系数，为常数，且满足以下条件：适用于：适用于：较大纯滞后时间常数较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统。的对象和采样周期较短的系统。第29页，共41页，编辑于2022年，星期六2.抑制小幅度高频噪声的平均滤波法抑制小幅度高频噪声的平均滤波法2.4 递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）基本思路基本思路：把连续取把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N。每次采样到一个新数据。每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据(先进先出原则先进先出原则)。把队列中的。把队列中的N个数据进行个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。算术平均运算，就可获得新的滤波结果。其数学表达式为其数学表达式为 式中，式中，第第n 个采个采样值经滤样值经滤波后的波后的输输出；出；N 递递推平均推平均项项数。数。即第即第n次采次采样样的的N项递项递推平均推平均值值是是 次采次采样值样值的算的算术术平均，与算平均，与算术术平均法相似。平均法相似。未未经滤经滤波的第波的第n-I次采次采样值样值；第30页，共41页，编辑于2022年，星期六2.抑制小幅度高频噪声的平均滤波法抑制小幅度高频噪声的平均滤波法 递推平均滤波法递推平均滤波法递推平均滤波法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，递推平均滤波法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，不易灵敏度低；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所引起的采样值偏差，因此它不适用于消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，因此它不适用于 脉脉冲干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡的系统。通过观冲干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡的系统。通过观察不同察不同N值下递推平均的输出响应来选取值下递推平均的输出响应来选取N值，以便既少占用值，以便既少占用计算机时间，又能达到最好的滤波效果。其工程经验值如下：计算机时间，又能达到最好的滤波效果。其工程经验值如下：参数参数流量流量压压力力液面液面温度温度N值值12441214第31页，共41页，编辑于2022年，星期六2.抑制小幅度高频噪声的平均滤波法抑制小幅度高频噪声的平均滤波法2.5加权递推平均滤波法加权递推平均滤波法基本思路基本思路：是对递推平均滤波法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权是对递推平均滤波法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权 。通常是，越接近现时刻的数据，权取得越大。给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但信通常是，越接近现时刻的数据，权取得越大。给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但信号平滑度越低。号平滑度越低。算法算法：式中：式中：第第n 个采个采样值经滤样值经滤波后的波后的输输出；出；未未经滤经滤波的第波的第n-I次采次采样值样值；N 递递推平均推平均项项数。数。即第即第n次采次采样样的的N项递项递推平均推平均值值是是 次采次采样值样值的算的算术术平均，与算平均，与算术术平均法相似。平均法相似。第32页，共41页，编辑于2022年，星期六2.抑制小幅度高频噪声的平均滤波法抑制小幅度高频噪声的平均滤波法 加权递推平均滤波法加权递推平均滤波法优点：优点：适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较 短的系统短的系统缺点：缺点：对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓 慢的信号不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程慢的信号不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程 度，滤波效果差。度，滤波效果差。第33页，共41页，编辑于2022年，星期六用软件实现用软件实现RC RC 低通滤波器功能低通滤波器功能,动态方程为动态方程为 其中其中 ，称为滤波时间常数，称为滤波时间常数2.抑制小幅度高频噪声的平均滤波法抑制小幅度高频噪声的平均滤波法2.6 2.6 惯性滤波惯性滤波惯性滤波惯性滤波基本思路：动态滤波方法，如一阶惯性方法，该方法是根据硬基本思路：动态滤波方法，如一阶惯性方法，该方法是根据硬件件RC RC 低通滤波的特性而确定的一种数字滤波算法。低通滤波的特性而确定的一种数字滤波算法。第34页，共41页，编辑于2022年，星期六2.抑制小幅度高频噪声的平均滤波法抑制小幅度高频噪声的平均滤波法 惯性滤波惯性滤波一阶惯性滤波算法为（一阶惯性滤波算法为（离散化后动态方程，离散化后动态方程，为采样周期）为采样周期）=未经滤波的第未经滤波的第n n次采样值次采样值=上次滤波输出值上次滤波输出值=本次滤波输出值本次滤波输出值 常用常用2 2的负幂次方，这样计算的负幂次方，这样计算 只要把只要把 向右移若干位即可，向右移若干位即可，可加快计算速度。可加快计算速度。由实验确定，只要使被检测的信号不产生明显的纹波即可。由实验确定，只要使被检测的信号不产生明显的纹波即可。,称为滤波系数。称为滤波系数。第35页，共41页，编辑于2022年，星期六2.抑制小幅度高频噪声的平均滤波法抑制小幅度高频噪声的平均滤波法 惯性滤波惯性滤波一阶惯性滤波算法对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于一阶惯性滤波算法对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频繁的参数滤波。波动频繁的参数滤波。其不足之处是带来了相位滞后，灵敏度低。滞后的程度取决于其不足之处是带来了相位滞后，灵敏度低。滞后的程度取决于a a值的大小。值的大小。它不能滤除频率高于采样频率二分之一它不能滤除频率高于采样频率二分之一(称为奈奎斯特频率称为奈奎斯特频率)的干扰信号。的干扰信号。例如：采样频率为例如：采样频率为100Hz100Hz，则它不能滤去，则它不能滤去50Hz50Hz以上的以上的 干扰信号。对于高于奈奎斯特频率的干扰信干扰信号。对于高于奈奎斯特频率的干扰信 号，应该采用模拟滤波器。号，应该采用模拟滤波器。第36页，共41页，编辑于2022年，星期六3.复合滤波复合滤波在在实实际际应应用用中中，有有时时既既要要消消除除大大幅幅度度的的脉脉冲冲干干扰扰，有有要要做做数数据据平平滑滑。因因此此常常把把前前面面介介绍绍的的两两种种以以上上的的方方法法结结合合起起来来使使用用，形形成成复复合滤波。合滤波。防脉冲干扰的算术平均滤波防脉冲干扰的算术平均滤波 (算术平均滤波算术平均滤波+中值滤波中值滤波)：基本思路基本思路 先先用用中中值值滤滤波波算算法法滤滤除除采采样样值值中中的的脉脉冲冲性性干干扰扰，然然后后把把剩剩余余的的各各采采样样值值进进行行平平均均滤滤波波。连连续续采采样样N次次，剔剔除除其其最最大大值值和和最最小值，再求余下小值，再求余下N2个采样的平均值。个采样的平均值。第37页，共41页，编辑于2022年，星期六3.复合滤波复合滤波基本算法：基本算法：如果如果 ，其中，其中，（和和 分别分别 是所有采样值中的最小值和最大，是所有采样值中的最小值和最大，则则优点：优点：既能防止脉冲干扰的影响，又能使周期性干扰得到平滑处理，既能防止脉冲干扰的影响，又能使周期性干扰得到平滑处理，兼具算术平均滤波和中值滤波的优点，对快变和慢变参数都有抑制兼具算术平均滤波和中值滤波的优点，对快变和慢变参数都有抑制干扰的作用。干扰的作用。第38页，共41页，编辑于2022年，星期六4.数字滤波小结数字滤波小结 数字滤波算法是多种多样的数字滤波算法是多种多样的,不同的滤波算法针对不不同的滤波算法针对不同类型的干扰同类型的干扰,在实际应用中究竟选择哪一种应视具体情在实际应用中究竟选择哪一种应视具体情形而定形而定;也可以同时采用几种滤波算法也可以同时采用几种滤波算法,称为综合滤波称为综合滤波。成熟的数字滤波方法很多成熟的数字滤波方法很多,但使用时并非仅仅局限于但使用时并非仅仅局限于现有通用的算法现有通用的算法,完全可以根据具体的环境要求对现有的完全可以根据具体的环境要求对现有的数字滤波技术加以数字滤波技术加以改进和扩充改进和扩充以求采样到的数据尽可能以求采样到的数据尽可能向向真实值逼近真实值逼近。第39页，共41页，编辑于2022年，星期六课业（课业（17）课业任务课业任务 各团队依据课业确定的系统硬件方案，各团队依据课业确定的系统硬件方案，完成系统的数字滤波程序设计。完成系统的数字滤波程序设计。第40页，共41页，编辑于2022年，星期六课业（课业（17）课业目标课业目标 帮助学员认识数字滤波、量程转换及帮助学员认识数字滤波、量程转换及标度变换在系统开发中的重要性；帮助学标度变换在系统开发中的重要性；帮助学员能够根据有关项目，寻求合理的数字滤员能够根据有关项目，寻求合理的数字滤波设计方案，达成系统设计目标的方法。波设计方案，达成系统设计目标的方法。第41页，共41页，编辑于2022年，星期六