数据处理技术教学课程课件.ppt

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1、第5章 数据处理技术学习目标：1.1.理解对测量数据的预处理技术理解对测量数据的预处理技术2.2.学会几种学会几种常用的常用的数字滤波方法数字滤波方法3.3.掌握几种非线性补偿掌握几种非线性补偿方法方法4.4.学习查表方法学习查表方法返回总目录返回总目录引言引言5.1查表技术查表技术5.2测量数据的预处理技术测量数据的预处理技术5.3非线性补偿非线性补偿5.4数字滤波方法数字滤波方法本章主要内容 引言 在微机控制系统中，在微机控制系统中，数据采集数据采集是最基本的一种模是最基本的一种模式。一般是通过式。一般是通过传感器传感器、变送器变送器把生产过程的各种物把生产过程的各种物理参数转换成电信号，

2、然后经理参数转换成电信号，然后经A/D通道或通道或DI通道，把数通道，把数字量送入计算机中。计算机在对这些数字量进行显示字量送入计算机中。计算机在对这些数字量进行显示和控制之前，还必须根据需要进行相应的和控制之前，还必须根据需要进行相应的数据处理数据处理。数据处理数据处理离不开数值计算，而最基本的数值计算离不开数值计算，而最基本的数值计算为四则运算。由于控制系统中遇到的现场环境不同，为四则运算。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同，精度要求也不一样，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方法也各不相同。因此，各种数据的输入方法及表示方

3、法也各不相同。因此，为了满足不同系统的需要，设计出了许多有效的数据为了满足不同系统的需要，设计出了许多有效的数据处理技术方法，如数据的极性、字长处理技术方法，如数据的极性、字长预处理预处理，数字滤数字滤波，标度变换，查表，非线性补偿波，标度变换，查表，非线性补偿和和越限报警越限报警等。等。5.1 查表法查表法 所谓所谓查表法查表法就是把事先计算或测得的数据按照就是把事先计算或测得的数据按照一定顺序编制成一定顺序编制成表格表格，查表程序的任务就是根据，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果，查出最终所需要的被测参数的值或者中间结果，查出最终所需要的结果。它是一种非数值计算方法，利用这种方

4、法结果。它是一种非数值计算方法，利用这种方法可以完成数据的补偿、计算、转换等各种工作。可以完成数据的补偿、计算、转换等各种工作。比如输入通道中对热电偶特性的处理，可以用非比如输入通道中对热电偶特性的处理，可以用非线性插值法进行标度变换，也可以采用精度更高线性插值法进行标度变换，也可以采用精度更高效果更好的查表法进行标度变换效果更好的查表法进行标度变换利用热电偶利用热电偶的的mV-分度表，通过计算机的查表指令就能迅速分度表，通过计算机的查表指令就能迅速便捷地由电势便捷地由电势mV值查到相应的温度值查到相应的温度值；当然控值；当然控制系统中还会有一些其它参数或表格也是如此，制系统中还会有一些其它参

5、数或表格也是如此，如对数表、三角函数表、模糊控制表等。如对数表、三角函数表、模糊控制表等。查表程序的繁简程度及查询时间的长短，除与表格查表程序的繁简程度及查询时间的长短，除与表格的长短有关外，很重要的因素在于表格的的长短有关外，很重要的因素在于表格的排列方法。排列方法。一般来讲，表格有两种排列方法：一般来讲，表格有两种排列方法：(1)无序表格，即无序表格，即表格中的数据是任意排列的；表格中的数据是任意排列的；(2)有序表格，即表格有序表格，即表格中的数据按一定的顺序排列。表格的排列不同，查表中的数据按一定的顺序排列。表格的排列不同，查表的方法也不尽相同。的方法也不尽相同。具体的查表方法有：具体

6、的查表方法有：顺序查表法顺序查表法，计算查表法计算查表法，折半查表法折半查表法等。等。5.1.1 顺序查表法顺序查表法 顺序查表法顺序查表法是针对是针对无序表格无序表格的一种方法。其查的一种方法。其查表方法类似人工查表。因为无序表格中所有各项的表方法类似人工查表。因为无序表格中所有各项的排列均无一定的规律，所以只能按照顺序从第一项排列均无一定的规律，所以只能按照顺序从第一项开始逐项寻找，直到找到所要查找的关键字为止。开始逐项寻找，直到找到所要查找的关键字为止。顺序查表法虽然比较顺序查表法虽然比较“笨笨”，但对于无序表格或较短，但对于无序表格或较短表格而言，仍是一种比较常用的方法。表格而言，仍是

7、一种比较常用的方法。5.1.2 计算查表法计算查表法 在微机数据处理中，一般使用的表格都是线性表，在微机数据处理中，一般使用的表格都是线性表，它是若干个数据元素它是若干个数据元素X1，X2，Xn的集合，各数据元的集合，各数据元素在表中的排列方法及所占的存储器单元个数都是一样素在表中的排列方法及所占的存储器单元个数都是一样的。因此，要搜索的内容与表格的排列有一定的关系。的。因此，要搜索的内容与表格的排列有一定的关系。只要根据所给的关键字只要根据所给的关键字，通过一定的计算，求出此关键，通过一定的计算，求出此关键字所对应的数值的地址，然后将该地址单元的内容取出字所对应的数值的地址，然后将该地址单元

8、的内容取出即可。即可。关键字与表格数据地址之间的关系能用数学公式表关键字与表格数据地址之间的关系能用数学公式表示的一个有序表格示的一个有序表格 这种这种有序表格有序表格要求各元素在表中的排列格式及所要求各元素在表中的排列格式及所占用的空间必须一致，而且各元素是严格按顺序排列。占用的空间必须一致，而且各元素是严格按顺序排列。其关键在于找出一个计算表地址的公式，只要公式存其关键在于找出一个计算表地址的公式，只要公式存在，查表的时间与表格的长度无关。正因为它对表格在，查表的时间与表格的长度无关。正因为它对表格的要求比较严格，并非任何表格均可采用。通常它适的要求比较严格，并非任何表格均可采用。通常它适

9、用于某些用于某些数值计算程序数值计算程序、功能键地址转移程序功能键地址转移程序以及以及数数码转换程序等。码转换程序等。例如，某计算机温度巡回检测系统中，要求能对例如，某计算机温度巡回检测系统中，要求能对128个温度采样点的状态进行监视。当某采样点温度个温度采样点的状态进行监视。当某采样点温度超限（高于上限值或低于下限值）时，控制报警装置超限（高于上限值或低于下限值）时，控制报警装置进行报警。进行报警。步骤：步骤：1）在计算机存储器内建立一个）在计算机存储器内建立一个“温度超限报警数温度超限报警数据表据表”。在该表中，顺次存放各检测回路采样点的。在该表中，顺次存放各检测回路采样点的上限报警值、下

10、限报警值。上限报警值、下限报警值。2）设此数据表的首地址为）设此数据表的首地址为F，巡回检测回路的路，巡回检测回路的路号是号是K，则报警值所在单元地址，则报警值所在单元地址D为：为：D=F+2K3）将）将K路的采样数据分别与路的采样数据分别与D单元及单元及D+1单元的单元的数据进行比较。数据进行比较。5.1.3 折半查表法折半查表法 在前面介绍的两种查表方法中，顺序查表法速度比在前面介绍的两种查表方法中，顺序查表法速度比较慢，计算查表法虽然速度很快，但对表格的要求比较较慢，计算查表法虽然速度很快，但对表格的要求比较挑剔，因而具有一定的局限性。挑剔，因而具有一定的局限性。在实际应用中，很多表格都

11、比较长，且难以用计算在实际应用中，很多表格都比较长，且难以用计算查表法进行查找，但它们一般都满足从大到小或从小到查表法进行查找，但它们一般都满足从大到小或从小到大的排列顺序，如热电偶大的排列顺序，如热电偶mV-分度表，流量测量中差压分度表，流量测量中差压与流量对照表等等。对于这样的表格，通常采用快速而与流量对照表等等。对于这样的表格，通常采用快速而有效的折半查表法。有效的折半查表法。按关键字大小顺序排列的数据表格按关键字大小顺序排列的数据表格 折半查表法折半查表法的具体做法是：的具体做法是：（假设数据表中数（假设数据表中数据按据按从小到大的顺序排列从小到大的顺序排列）先取数组的先取数组的中间值

12、中间值 D=n/2进行查找，与要搜索的进行查找，与要搜索的X值进行比较，若相等，值进行比较，若相等，则查到；如果则查到；如果Xn/2项，则下一次取项，则下一次取n/2n间间的中值，的中值，即即3n/4与与X进行比较；若进行比较；若X X时，则取时，则取Y(n)=X(n-1)式中：式中：X(n)t=nT时的采样值；时的采样值；X(n-1)t=(n-1)T时的采样值；时的采样值；X相邻两次采样值所允许的相邻两次采样值所允许的最大偏差最大偏差，其大小取，其大小取决于控制系统采样周期决于控制系统采样周期T和信号和信号X的正常变化率。的正常变化率。限幅滤波限幅滤波对随机干扰或采样器不稳定引起的失真对随机

13、干扰或采样器不稳定引起的失真有良有良好的滤波效果。好的滤波效果。5.4.2限速滤波限速滤波1、当、当|X(n)X(n 1)|X 时，则取时，则取 Y(n)=X(n)2、当、当|X(n)X(n 1)|X时，则时，则X(n)不用，但先保留，再取第三次采样值不用，但先保留，再取第三次采样值X(n+1)（1）若）若|X(n+1)X(n)|X，则取则取Y(n)=X(n+1)（2）若）若|X(n+1)X(n)|X，则取则取Y(n)=X(n+1)+X(n)/2，即以折中值作为，即以折中值作为数值滤波器的输出。数值滤波器的输出。5.4.3 中（位）值滤波中（位）值滤波 中值滤波是将信号中值滤波是将信号X的连续

14、的连续k次采样值按大小进行次采样值按大小进行排序，取其中间值作为本次的排序，取其中间值作为本次的有效采样值有效采样值。本算法为。本算法为取中值，故采样次数取中值，故采样次数k应为奇数，一般应为奇数，一般39次。次。编制中值滤波的算法程序，首先把编制中值滤波的算法程序，首先把k个采样值从小个采样值从小到大（或从大到小）进行排队，这可采用几种常规的到大（或从大到小）进行排队，这可采用几种常规的排序算法如排序算法如冒泡算法冒泡算法，然后再取中间值。，然后再取中间值。中值滤波对中值滤波对缓变过程中的缓变过程中的偶然因素引起的波动或采偶然因素引起的波动或采样器不稳定造成的误差所引起的脉动干扰比较有效，样

15、器不稳定造成的误差所引起的脉动干扰比较有效，而对快速变化过程而对快速变化过程(如流量如流量)的信号采样则不适用。的信号采样则不适用。5.4.4平均值滤波平均值滤波 平均值滤波就是平均值滤波就是对多个采样值对多个采样值进行进行平均算法平均算法，这，这是是消除随机误差消除随机误差最常用的方法。具体又可分为如下最常用的方法。具体又可分为如下几种。几种。1.算术平均滤波算术平均滤波 算术平均滤波是在采样周期算术平均滤波是在采样周期T内，对测量信号内，对测量信号X 进进行行N次采样，次采样，把把N个采样值相加后的算术平均值作个采样值相加后的算术平均值作为本次的有效采样值为本次的有效采样值Y，即，即 采样

16、次数采样次数N值决定了信号的平滑度和灵敏度。提值决定了信号的平滑度和灵敏度。提高高N的值，可提高平滑度，但系统的灵敏度随之降低，的值，可提高平滑度，但系统的灵敏度随之降低，采样次数采样次数N的取值随被控对象的不同而不同。一般情的取值随被控对象的不同而不同。一般情况下，况下，流量信号流量信号可取可取10左右左右，压力信号压力信号可取可取4左右左右，温度、成分等缓变信号可取温度、成分等缓变信号可取2甚至不进行算术平均。甚至不进行算术平均。在编制算法程序时在编制算法程序时,N一般取一般取2、4、8等等2的整数幂，的整数幂，以便于用移位来代替除法求得平均值。以便于用移位来代替除法求得平均值。这种算法适

17、用于对这种算法适用于对周期性干扰周期性干扰的的信号滤波信号滤波 2.加权平均滤波加权平均滤波 算术平均滤波算术平均滤波和和去极值平均滤波去极值平均滤波都存在都存在平滑性平滑性和和灵灵敏度的矛盾敏度的矛盾。采样次数太少则平滑效果差，次数太多。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感。为协则灵敏度下降，对测量参数的变化趋势不敏感。为协调两者关系，可采用调两者关系，可采用加权平均滤波加权平均滤波。加权平均滤波是对每次采样值不以相同的权系数而加权平均滤波是对每次采样值不以相同的权系数而以增加新鲜采样值的权重相加。以增加新鲜采样值的权重相加。式中，第式中，第m次为最新值

18、，次为最新值，C1、C2、Cm 为为加权系数，先小后大，且均为小于加权系数，先小后大，且均为小于1但总和等于但总和等于1的小数，的小数，即满足下式即满足下式C1+C2+Cm=1CmCm-1C10C1、C2、Cm 的取值应视具体情况选取的取值应视具体情况选取,并通过并通过调试确定。如调试确定。如,某纯滞后时间为某纯滞后时间为的被控对象的被控对象,采用采用m=4的加权平均滤波算式为的加权平均滤波算式为=C1 y 1+C2 y 2+C3 y 3+C4 y 4 式中权系数式中权系数,，,这种算法能协调系统的平滑度和灵敏度的矛盾，提这种算法能协调系统的平滑度和灵敏度的矛盾，提高灵敏度，更适用于纯滞后时间

19、常数较大的对象。由于高灵敏度，更适用于纯滞后时间常数较大的对象。由于需要测试过程的纯滞后时间，并计算各位权系数，所以需要测试过程的纯滞后时间，并计算各位权系数，所以增加了计算量，降低了控制速度。增加了计算量，降低了控制速度。3.抗脉冲干扰平均值滤波抗脉冲干扰平均值滤波(去极值平均滤波去极值平均滤波)算术平均滤波算术平均滤波不能将明显的偶然的脉冲干扰消除，不能将明显的偶然的脉冲干扰消除，只是把其平均到采样结果中，从而降低了只是把其平均到采样结果中，从而降低了测量精度测量精度。将算术平均滤波和中值滤波相结合得到的将算术平均滤波和中值滤波相结合得到的去极值平去极值平均滤波均滤波是对连续采样的是对连续

20、采样的m个数据进行比较，去掉其中个数据进行比较，去掉其中的最大值与最小值，然后计算余下的的最大值与最小值，然后计算余下的m-2 个数据的个数据的算术平均值。算术平均值。在编制算法程序时在编制算法程序时,为便于用移位来代替除法求得为便于用移位来代替除法求得平均值，平均值，m-2应取应取2、4、8等，故等，故m取取4、6、10等。等。这种算法适用于工业场合经常遇到的这种算法适用于工业场合经常遇到的尖脉冲干扰尖脉冲干扰的的信号滤波。信号滤波。保护现场采样次数 R0采样数据排序对除了最大值、最小值以外的N-2个数算术平均保存滤波数据恢复现场返回开始4滑动平均值滤波滑动平均值滤波 前三种的平均滤波算法有

21、一个前三种的平均滤波算法有一个共同点共同点：即每取得：即每取得一个有效采样值必须连续进行若干次一个有效采样值必须连续进行若干次采样采样。当系统的。当系统的采样速度较慢或采样信号变化较快时，系统的实时性采样速度较慢或采样信号变化较快时，系统的实时性就无法得到保证。为了克服这一缺点，可采用就无法得到保证。为了克服这一缺点，可采用滑动平滑动平均滤波均滤波，它指的是在每个采样周期只采样一次，将这，它指的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，所得结果即为结果即为有效采样值有效采样值。具体作法可由循环队列结构方式来实现数据的

22、存放，具体作法可由循环队列结构方式来实现数据的存放，比如取比如取 m 个采样值求滑动平均，只要在个采样值求滑动平均，只要在 RAM 中开中开辟辟 m 个数据暂存区，每次新采集一个数据便存入暂个数据暂存区，每次新采集一个数据便存入暂存区的队尾，存区的队尾，同时冲掉队首的一个数据，这样在存储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器队列中始终保持有m个最新的数据。个最新的数据。具体为：具体为：（1）在计算机的）在计算机的RAM内建立一个数据缓冲区，各内建立一个数据缓冲区，各单元中依次存放单元中依次存放N次采样值；次采样值；（2）每当一个采样周期到来，采集到一个新的数）每当一个采样周期到

23、来，采集到一个新的数据时，首先将该数据缓冲区的数据顺次移动一位，据时，首先将该数据缓冲区的数据顺次移动一位，使最早的采样数据丢失，然后将本次采样值存入使最早的采样数据丢失，然后将本次采样值存入缓冲区入口处。缓冲区入口处。（3）求出当前）求出当前RAM缓冲区中的缓冲区中的N个数据的算术平个数据的算术平均值，并将此值作为当前采样的有效值。均值，并将此值作为当前采样的有效值。滑动平均滤波算法的最大优势就是实时性好，滑动平均滤波算法的最大优势就是实时性好，提高了系统的响应速度。提高了系统的响应速度。5.3 非线性补偿 在过程控制中，由于由传感器等检测元件测得在过程控制中，由于由传感器等检测元件测得的电

24、信号与被检测的物理参数之间往往存在非线的电信号与被检测的物理参数之间往往存在非线性关系，例如，温度测量中，热电偶输出的热电性关系，例如，温度测量中，热电偶输出的热电势信号与温度之间的关系是非线性的。为了得到势信号与温度之间的关系是非线性的。为了得到均匀的显示刻度，希望系统的输出与输入有线性均匀的显示刻度，希望系统的输出与输入有线性关系，往往采用非线性补偿方法，将非线性关系关系，往往采用非线性补偿方法，将非线性关系转化为线性关系。转化为线性关系。硬件补偿：补偿精度不高硬件补偿：补偿精度不高软件补偿：方法灵活，补偿精度高软件补偿：方法灵活，补偿精度高软件补偿方法：软件补偿方法：当参数间的非线性关系

25、可以用数学方程式来表示时，当参数间的非线性关系可以用数学方程式来表示时，计算机直接按公式进行计算即可；计算机直接按公式进行计算即可；当无法用数学方程式表示时，可查表法、分段线性当无法用数学方程式表示时，可查表法、分段线性化等方法来实现。化等方法来实现。查表法查表法，指的是事先将计算好的数据按一定顺序编，指的是事先将计算好的数据按一定顺序编制成表格，并存入计算机中。然后我们根据被测制成表格，并存入计算机中。然后我们根据被测参数的实测数据，查表查出被测量数值。由于受参数的实测数据，查表查出被测量数值。由于受存储容量的限制，表格中一般只给出了一些稀疏存储容量的限制，表格中一般只给出了一些稀疏点上的数

26、据，而对于相邻两点之间的函数值没有点上的数据，而对于相邻两点之间的函数值没有给出，为了获得这部分数值，可以用给出，为了获得这部分数值，可以用插值法插值法进行进行计算。计算。5.3.1线性插值法线性插值法1.线性插值原理线性插值原理设某传感器输入信号设某传感器输入信号X和输出信号和输出信号Y之间的关系如下之间的关系如下图所示。图所示。从上图可以看出：从上图可以看出：（1）曲线斜率变化越小，替代直线越逼近特性曲）曲线斜率变化越小，替代直线越逼近特性曲线，则线性插值法带来的误差就越小。因此，线线，则线性插值法带来的误差就越小。因此，线性插值法适用于斜率变化不大的特性曲线的线性性插值法适用于斜率变化不

27、大的特性曲线的线性化。化。（2）插值节点取得越多，替代直线越逼近实际的）插值节点取得越多，替代直线越逼近实际的曲线，插值计算的误差就越小。因此，只要插值曲线，插值计算的误差就越小。因此，只要插值节点足够多，就可以获得足够的精度。节点足够多，就可以获得足够的精度。2.线性插值的计算机实现线性插值的计算机实现利用计算机实现线性插值的步骤如下：利用计算机实现线性插值的步骤如下：（1）用实验法测出传感器输出特性曲线，应尽可）用实验法测出传感器输出特性曲线，应尽可能保证该曲线的精确性；能保证该曲线的精确性；（2）选取插值节点，将绘制好的曲线分段；）选取插值节点，将绘制好的曲线分段；（3）计算并存储各相邻

28、插值节点间逼近曲线的斜）计算并存储各相邻插值节点间逼近曲线的斜率率Ki；（4）计算）计算X-Xi；（5）读出）读出X所在区间的斜率所在区间的斜率Ki，计算，计算Ki(X-Xi)；（6）计算）计算Y=Yi+Ki(X-Xi)。5.3.2二次抛物线插值法二次抛物线插值法 线性插值法是利用两个插值节点线性插值法是利用两个插值节点(x0,y0),(x1,y1)确定的一条直线段来求得确定的一条直线段来求得y=f(x)的近似值，误差较大。二次抛物线插值的近似值，误差较大。二次抛物线插值法是通过特性曲线上三个节点法是通过特性曲线上三个节点(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2)做一条抛物线，用做一条抛物

29、线，用此抛物线替代特性曲线进行参数计算。由于抛物此抛物线替代特性曲线进行参数计算。由于抛物线比直线能更好地逼近特性曲线，所以抛物线插线比直线能更好地逼近特性曲线，所以抛物线插值法能够提高非线性补偿的精度。线性插值法和值法能够提高非线性补偿的精度。线性插值法和抛物线插值法补偿精度比较如图所示。抛物线插值法补偿精度比较如图所示。假设系数假设系数M0、M1和和M2已经求出并存储到到相应的已经求出并存储到到相应的内存单元中，根据上面的讨论可以画出用抛物线插值法内存单元中，根据上面的讨论可以画出用抛物线插值法进行线性化的程序流程框图，如图所示。进行线性化的程序流程框图，如图所示。其中，其中，本章小结本章

30、小结 本章介绍了本章介绍了微机测控系统对微机测控系统对测量数据的常用数据测量数据的常用数据处理技术：处理技术：查表，查表，数据字长和极性的数据字长和极性的预处理预处理，数字滤数字滤波波和和非线性补偿非线性补偿等技术方法。等技术方法。数字滤波由于具有突出的效果，所以在计算机测数字滤波由于具有突出的效果，所以在计算机测控系统中除了设计必要的硬件滤波电路之外，一般都控系统中除了设计必要的硬件滤波电路之外，一般都要用要用软件软件对采样信号做进一步的对采样信号做进一步的数字滤波数字滤波。读者应掌。读者应掌握几种主要的数字滤波的算法及其应用场合。握几种主要的数字滤波的算法及其应用场合。在非线性补偿的几种插

31、值法中，应注意，线性插在非线性补偿的几种插值法中，应注意，线性插值法速度快，但是精度较低；二次抛物线插值法精度值法速度快，但是精度较低；二次抛物线插值法精度稍高，但是速度慢，可根据实际情况选择。稍高，但是速度慢，可根据实际情况选择。思考题思考题l查表法有哪几种？说明它们的查找过程和适用范查表法有哪几种？说明它们的查找过程和适用范围。围。2掌握数据掌握数据字长的预处理方法字长的预处理方法，并会用程序实现。，并会用程序实现。3何为数字滤波？所学习的数字滤波方法有哪些？何为数字滤波？所学习的数字滤波方法有哪些？简述各种常用数字滤波方法的简述各种常用数字滤波方法的原理原理或或算法算法及及适用场合适用场合。4.了解插值法的原理。了解插值法的原理。