WX05_微型计算机控制技术_第五章(精品).ppt
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1、微型计算机控制技术微型计算机控制技术第第5 5章章 常用应用程序设计常用应用程序设计微型计算机控制技术微型计算机控制技术本本章章以以5151单单片片机机为为基基础础,主主要要介介绍绍结结构构化化汇汇编编语语言言的的监监控控程程序序设设计计思思想想和和实实时时测测控控系系统统中中最最常常用用的的数数字字滤滤波波技技术术、标标度度变变换换、插插值值算法以及报警程序设计等。算法以及报警程序设计等。微型计算机控制技术微型计算机控制技术程序与程序设计的概念程序与程序设计的概念 使使用用计计算算机机求求解解某某些些问问题题或或完完成成某某一一特特定定功功能能,就就要要先先对对问问题题或或特特定定功功能能进
2、进行行分分析析,确确定定形形成成的的算算法法和和步步骤骤,然然后后选选择择相相应应的的指指令令,按按一一定定顺顺序序排排列列起起来来,这这样样就就构构成成了了求求解解某某一一问问题题或或实实现现特特定定功功能能的的程程序序。通常把这一编制程序的工作称为程序设计。通常把这一编制程序的工作称为程序设计。常用程序设计语言有汇编语言、常用程序设计语言有汇编语言、C C语言等。语言等。微型计算机控制技术微型计算机控制技术5.1 5.1 软件程序设计思想软件程序设计思想 l程序设计的基本概念程序设计的基本概念 程序程序 =算法算法 +数据结构数据结构 +程序设计方法程序设计方法 +语言工具和环境语言工具和
3、环境l算法是灵魂,数据结构是加工对象,语言是算法是灵魂,数据结构是加工对象,语言是工具,编程需要采用合适的方法。工具,编程需要采用合适的方法。微型计算机控制技术微型计算机控制技术l程序设计的基本步骤:程序设计的基本步骤:(1)分析问题。分析问题。弄清问题要求,对问题有正确理解。(2)算法设计。算法设计。针对问题设计一个能完成相应功能的算法,尽可能速度快,占有计算机存储量小。(3)程序结构设计。程序结构设计。模块化方法、自顶向下逐步求精的方法进行设计。(4)编写源程序。编写源程序。(5)建立可运行的目标程序。建立可运行的目标程序。(6)程序的调试与修改。程序的调试与修改。(7)编制程序的说明文件
4、。编制程序的说明文件。微型计算机控制技术微型计算机控制技术5.2 5.2 数字滤波技术数字滤波技术l数字滤波就是通过一定的计算程序,对测量信号(采样数据)进行平滑加工,提高其有用信号,消除或减少各种干扰和噪音,以保证计算机控制系统的可靠性。微型计算机控制技术微型计算机控制技术 l数字滤波器与模拟滤波器相比优点如下:数字滤波器与模拟滤波器相比优点如下:(1)无需增加任何硬件设备,在程序进入数据处理和控制算法之前,附加一段数字滤波程序即可。(2)由于数字滤波器不需要增加硬件设备,各回路间不存在阻抗匹配问题,所以系统可靠性高。(3)数字滤波器可多通道共享,从而降低了成本,而对于模拟滤波器,通常是各通
5、道专用的。(4)可以对频率很低的信号进行滤波,而模拟滤波器由于受电容容量的限制,频率不可能太低。(5)可根据需要选择不同的滤波方法或改变滤波器的参数,使用灵活、方便。微型计算机控制技术微型计算机控制技术l主要掌握内容:主要掌握内容:方法方法 优缺点优缺点 使用场合使用场合微型计算机控制技术微型计算机控制技术常用数字滤波器常用数字滤波器5.2.1 5.2.1 中值滤波中值滤波5.2.2 5.2.2 程序判断滤波程序判断滤波5.2.3 5.2.3 平均值滤波平均值滤波5.2.4 5.2.4 一阶滞后滤波一阶滞后滤波微型计算机控制技术微型计算机控制技术5.2.1 5.2.1 中值滤波中值滤波l中值滤
6、波的设计思想中值滤波的设计思想 对某一参数连续采样N次(一般N取奇数,多数情况下N=3),然后把N次采样值从小到大(或从大到小)排队,取中间值作为本次采样值。l中值滤波的特点中值滤波的特点 这种方法对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉冲干扰比较有效。若变量变化比较缓慢,则采用中值滤波效果比较好,但对快速变化的参数,则不宜采用。微型计算机控制技术微型计算机控制技术微型计算机控制技术微型计算机控制技术微型计算机控制技术微型计算机控制技术微型计算机控制技术微型计算机控制技术5.2.2 5.2.2 程序判断滤波程序判断滤波l程序判断滤波的设计思想程序判断滤波的设计思想 根据生
7、产经验,确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差y。若信号采样值与上次采样值的偏差超过此偏差值,则表明该输入信号是干扰信号,应该去掉;若小于此偏差值,则可将该信号作为本次采样值。l程序判断滤波的分类程序判断滤波的分类 程序判断滤波根据滤波方法的不同,可分为限幅滤波和限速滤波两种。微型计算机控制技术微型计算机控制技术1.1.限幅滤波限幅滤波l限幅滤波是把两次相邻的采样值相减,求出增量(以绝对值表示),然后与两次采样允许的最大差值y(由被控对象的实际情况决定)进行比较。若小于或等于y,则表明没有受到干扰,取本次采样值作为系统采样值;若大于y,则表明输入信号受到干扰,用上次采样值作为本次采样值,
8、即:|y(k)y(k1)|y,则取y(k)为本次采样值;|y(k)y(k1)|y,则取y(k-1)为本次采样值。ly(k)为第k次采样值;y(k-1)为第(k-1)次采样值;y为相邻两次采样值所允许的最大偏差。微型计算机控制技术微型计算机控制技术l限幅滤波的用途和使用注意事项:限幅滤波的用途和使用注意事项:限幅滤波主要用于变化比较缓慢的参数,如温度。使用时,关键问题是最大允许误差y的选取,y太大,各种干扰信号将“乘机而入”,使系统误差增大;y太小,又会使某些有用信号被“拒之门外”,使计算机采样效率变低。因此,门限值y的选取是非常重要的。微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.2.限速滤波限速滤
9、波l 方法是:当方法是:当|y(2)|y(2)y(1)|yy(1)|y时,不像限幅滤波那样,时,不像限幅滤波那样,用用y(1)y(1)作为本次采样值,而是再采样一次,取得作为本次采样值,而是再采样一次,取得y(3)y(3),然,然后根据后根据|y(3)|y(3)y(2)|y(2)|与与 yy的大小关系来决定本次采样值。的大小关系来决定本次采样值。其具体判别式如下:其具体判别式如下:设顺序采集的参数分别是设顺序采集的参数分别是y y(1)(1),y y(2)(2),y y(3)(3),那么,那么 当当|y y(2)(2)y y(1)|(1)|y y时,则取时,则取y y(2)(2);当当|y y
10、(2)(2)y y(1)|(1)|y y时,则不采用时,则不采用y y(2)(2),继续采样取得,继续采样取得y y(3)(3);当当|y y(3)(3)y y(2)|(2)|y y时,则取时,则取y y(3)(3);当当|y y(3)(3)y y(2)|(2)|y y时,则取时,则取|y y(3)+(3)+y y(2)|/2(2)|/2。微型计算机控制技术微型计算机控制技术l限速滤波的用途和使用注意事项:限速滤波的用途和使用注意事项:限速滤波是一种折衷的方法,既照顾了采样的限速滤波是一种折衷的方法,既照顾了采样的实时性,又顾及了采样值变化的连续性。但这种方实时性,又顾及了采样值变化的连续性。
11、但这种方法也有明显的缺点:法也有明显的缺点:第一,第一,yy的确定不够灵活,必的确定不够灵活,必须根据现场的情况不断更换新值;须根据现场的情况不断更换新值;第二,第二,不能反映不能反映采样点数采样点数N3N3时各采样数值受干扰的情况。因此,它时各采样数值受干扰的情况。因此,它的应用受到一定的限制。的应用受到一定的限制。在实际使用中,可用在实际使用中,可用|y(1)|y(1)y(2)|+|y(2)y(2)|+|y(2)y(3)|/2y(3)|/2取代取代yy,这样也基本保持限速滤波的特这样也基本保持限速滤波的特性,虽增加运算,但灵活性有所提高。性,虽增加运算,但灵活性有所提高。微型计算机控制技术
12、微型计算机控制技术5.2.3 5.2.3 平均值滤波平均值滤波1.算术平均值滤波算术平均值滤波2.加权平均值滤波加权平均值滤波3.滑动平均值滤波滑动平均值滤波微型计算机控制技术微型计算机控制技术5.2.3 5.2.3 平均值滤波平均值滤波1.算术平均值滤波算术平均值滤波 寻找一个寻找一个Y它与各采样值它与各采样值Xk之间误差的平之间误差的平方和方和E为最小。为最小。根据极值原理得:根据极值原理得:算术平均值法滤波对干扰的抑制各采样时刻得到的采样值;虚线滤波器输出值(a)无干扰情况;(b)有规则干扰情况;(c)带脉冲干扰情况微型计算机控制技术微型计算机控制技术连续取连续取N N个采样值进行算术平
13、均运算。个采样值进行算术平均运算。N N值较大时:信号平滑度较高,但灵敏度较低;值较大时:信号平滑度较高,但灵敏度较低;N N值较小时:信号平滑度较低,但灵敏度较高;值较小时:信号平滑度较低,但灵敏度较高;N N值的选取:一般流量,值的选取:一般流量,N=12N=12;压力:;压力:N=4N=4。算术平均值滤波主要适用于对压力、流量等算术平均值滤波主要适用于对压力、流量等周期脉动的采样值进行平滑加工,但对于脉周期脉动的采样值进行平滑加工,但对于脉冲性干扰信号的平滑效果欠佳。冲性干扰信号的平滑效果欠佳。微型计算机控制技术微型计算机控制技术微型计算机控制技术微型计算机控制技术微型计算机控制技术微型
14、计算机控制技术2.加权平均值滤波加权平均值滤波算术平均滤波和去极值平均滤波都存在算术平均滤波和去极值平均滤波都存在平平滑性滑性和和灵敏度灵敏度的矛盾。的矛盾。采样次数太少则平滑效果差,次数太多则采样次数太少则平滑效果差,次数太多则灵敏度下降,对测量参数的变化趋势不敏灵敏度下降,对测量参数的变化趋势不敏感。为协调两者关系,可采用加权平均滤感。为协调两者关系,可采用加权平均滤波。加权平均滤波是波。加权平均滤波是对每次采样值以不同对每次采样值以不同的权系数,以增加新采样值的权重的权系数,以增加新采样值的权重。微型计算机控制技术微型计算机控制技术 一般采样值次数愈靠后,取的比例愈大,这样可增加新的采样
15、值在平均值中所占的比例。这种滤波方法可以根据需要突出信号的某一部分来抑制信号的另一部分。微型计算机控制技术微型计算机控制技术3.滑动平均值滤波滑动平均值滤波特点:特点:每计算一次有效采样值必须连续进行每计算一次有效采样值必须连续进行N N次采样。滑次采样。滑动平均滤波是在每个采样周期只采样一次,将这一次采样动平均滤波是在每个采样周期只采样一次,将这一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均,所得结果即为当前值和过去的若干次采样值一起求平均,所得结果即为当前有效采样值。有效采样值。具体作法:具体作法:可用循环队列结构方式来实现数据的存放。比可用循环队列结构方式来实现数据的存放。比如取如取N N个采
16、样值求滑动平均,只要在个采样值求滑动平均,只要在RAMRAM中开辟中开辟N N个数据暂个数据暂存区,每次新采集一个数据便存入暂存区的队尾,同时冲存区,每次新采集一个数据便存入暂存区的队尾,同时冲掉队首的一个数据,这样在存储器队列中始终保持有掉队首的一个数据,这样在存储器队列中始终保持有N N个个最新的数据。再求包括新数据在内的最新的数据。再求包括新数据在内的N N个数据的算术平均个数据的算术平均值或加权平均值。值或加权平均值。微型计算机控制技术微型计算机控制技术5.2.4 5.2.4 一阶滞后滤波一阶滞后滤波X(s)Y(s)CR由于大的时间常数及高精度的由于大的时间常数及高精度的RC电路不易制
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- WX05_ 微型计算机 控制 技术 第五 精品
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