智能仪器的基本数据处理算法.pptx
《智能仪器的基本数据处理算法.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《智能仪器的基本数据处理算法.pptx(52页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、基本数据处理算法内容提要基本数据处理算法内容提要v 克服随机误差的数字滤波算法克服随机误差的数字滤波算法v 消除系统误差的算法、非线性校正消除系统误差的算法、非线性校正v 工程量的标度变换工程量的标度变换 诸诸如如频频谱谱估估计计、相相关关分分析析、复复杂杂滤滤波波等等算法,阅读数字信号处理方面的文献。算法,阅读数字信号处理方面的文献。第1页/共52页第一节第一节 克服随机误差的数字滤波算法克服随机误差的数字滤波算法 随随机机误误差差:由由串串入入仪仪表表的的随随机机干干扰扰、仪仪器器内内部部器器件件噪噪声声和和A/DA/D量量化化噪噪声声等等引引起起的的,在在相相同同条条件件下下测测量量同同
2、一一量量时时,其其大大小小和和符符号号无无规规则则变变化化而而无无法法预预测测,但但在在多多次次测测量量中中符符合合统统计计规规律律的的误误差差。采采用用模模拟拟滤滤波波器器是是主主要要硬硬件件方方法。法。第2页/共52页数字滤波算法的优点数字滤波算法的优点(1)数字滤波是一个计算过程,通常用软件实现,在实时性要求高的情况下用FPGA实现,因此可靠性高。无需模拟电路,不存在阻抗匹配、特性波动、非一致性等问题。(2)只要适当改变数字滤波程序有关参数,就能方便的改变滤波特性,因此数字滤波使用时方便灵活。第一节 克服随机误差的数字滤波算法 第3页/共52页常用的常用的数字滤波算法数字滤波算法 一、克
3、服大脉冲干扰的数字滤波法一、克服大脉冲干扰的数字滤波法(非线性非线性法)法)1 1限幅滤波法限幅滤波法 2 2中值滤波法中值滤波法 3 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 4.4.基于中值数绝对偏差的决策滤波器基于中值数绝对偏差的决策滤波器 二、抑制小幅度高频噪声的平均滤波法二、抑制小幅度高频噪声的平均滤波法 1 1算数平均算数平均;2;2滑动平均滑动平均;3;3加权滑动平均加权滑动平均 三、复合滤波法三、复合滤波法 第一节 克服随机误差的数字滤波算法 第4页/共52页一、克服大脉冲干扰的数字滤波法一、克服大脉冲干扰的数字滤波法v克服由仪器外部环境偶然因素引起的突克
4、服由仪器外部环境偶然因素引起的突变性扰动或仪器内部不稳定引起误码等造变性扰动或仪器内部不稳定引起误码等造成的大脉冲干扰,通常采用简单的成的大脉冲干扰,通常采用简单的非线性非线性滤波法滤波法。v滤除脉冲干扰是仪器数据处理的第一步。滤除脉冲干扰是仪器数据处理的第一步。第一节 克服随机误差的数字滤波算法 第5页/共52页1 1限幅滤波法限幅滤波法 限限幅幅滤滤波波法法(又又称称程程序序判判别别法法、增增量量判判别别法法)通通过过程程序序判判断断被被测测信信号号幅幅度度的的变变化量,从而消除缓变信号中的化量,从而消除缓变信号中的尖脉冲干扰尖脉冲干扰。具具体体方方法法是是,依依赖赖已已有有的的时时域域采
5、采样样结结果果,将将本本次次采采样样值值与与上上次次采采样样值值进进行行比比较较,若它们的差值超出允许范围,则认为本次采样值受到了干扰,应予剔除。若它们的差值超出允许范围,则认为本次采样值受到了干扰,应予剔除。第一节 克服随机误差的数字滤波算法 第6页/共52页 a a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y y的的最最大大变变化化速速率率V Vmaxmax及及采采样样间间隔隔TsTs确确定定,即即 a a=V Vmaxmax TsTs。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最最大大允允许许误误差
6、差a.a.要求准确估计要求准确估计V Vmaxmax和采样间隔和采样间隔TsTs。适合对温度、压力等变化较慢测控系统适合对温度、压力等变化较慢测控系统已滤波的采样结果:若本次采样值为yn,则本次滤波的结果由下式确定:第7页/共52页2 2中值滤波法中值滤波法 v中中值值滤滤波波是是一一种种典典型型的的非非线线性性滤滤波波器器,它它运运算算简简单单,在在滤滤除除脉脉冲冲干干扰扰的的同同时可以很好地保护信号的时可以很好地保护信号的细节信息。细节信息。v对对某某一一被被测测参参数数连连续续采采样样n n次次(一一般般n n应应为为奇奇数数),然然后后将将这这些些采采样样值值进进行行排序,选取中间值为
7、本次采样值。排序,选取中间值为本次采样值。v最适合单调变化信号中最适合单调变化信号中脉冲干扰滤除。脉冲干扰滤除。v温度、液位等温度、液位等缓慢变化缓慢变化的信号中的信号中脉冲干扰滤除。脉冲干扰滤除。第一节 克服随机误差的数字滤波算法 第8页/共52页 设设滤滤波波器器窗窗口口的的宽宽度度为为n=2k+n=2k+1 1,离离散散时时间间信信号号x x(i i)的的长长度度为为N N,(i i=1=1,2 2,N N;N Nn n),则当窗口在信号序列上滑动时,一维中值滤波器的输出),则当窗口在信号序列上滑动时,一维中值滤波器的输出:med med x x(i i)=x x(k k)表示窗口表示窗
8、口2 2k k+1+1内排序的第内排序的第k k个值,即排序后的中间值。个值,即排序后的中间值。原始信号 中值滤波后的信号对不同宽度脉冲滤波效果第一节第一节 克服随机误差的数字滤波算法克服随机误差的数字滤波算法 第9页/共52页3 3基于拉依达准则的奇异数据滤波基于拉依达准则的奇异数据滤波法法 (剔除粗大误差)(剔除粗大误差)拉依达准则(又叫拉依达准则(又叫33准则)准则):当测量次数当测量次数N N足够多且测量服从正态分布足够多且测量服从正态分布时,在各次测量值中,若某次测量值时,在各次测量值中,若某次测量值X Xi i所所对应的剩余误差对应的剩余误差V Vi i33,则认为该,则认为该X
9、Xi i为坏为坏值,予以剔除。值,予以剔除。第一节 克服随机误差的数字滤波算法 第10页/共52页 拉依达准则法实施步骤拉依达准则法实施步骤(1 1)求)求N N次测量值次测量值X X1 1至至X XN N的算术平均值的算术平均值(2)求各项的剩余误差Vi(3)计算标准偏差(4)判断并剔除奇异项Vi3,则认为该Xi为坏值,予以剔除。N第11页/共52页依据拉依达准则净化数据的局限依据拉依达准则净化数据的局限性性 L中中的的L L值值(L L2 2,3 3,4 4,5 5)调调整整净净化化门门限限,L L3 3,门门限限放放宽宽,L L3 3,门门限限紧紧缩缩。采用采用33准则净化采样数据有其局
10、限性,有时甚至失效。准则净化采样数据有其局限性,有时甚至失效。(1 1)该准则在样本值少于)该准则在样本值少于1010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 2)33准准则则是是建建立立在在正正态态分分布布的的等等精精度度重重复复测测量量基基础础上上,而而造造成成奇奇异异数数据据的的干干扰扰或或噪噪声难以满足正态分布。声难以满足正态分布。第一节 克服随机误差的数字滤波算法 第12页/共52页例41判别下列等权测量某一物理量15次所得的测得值中是否有异常值。解:首先根据测量数据计算算术平均值和标准差对剩余的14个测量值重新判别第13页/共52页4.4.基于中值数绝对偏差的决策滤
11、波器基于中值数绝对偏差的决策滤波器,一一个个序序列列的的中中值值对对奇奇异异数数据据的的灵灵敏敏度度远远小小于于序序列列的的平平均均值值,用用中中值值构构造一个尺度序列,设造一个尺度序列,设xi(k)xi(k)中值为中值为Z Z,则,则(1)确定当前数据有效性的判别准则给出了每个数据点偏离参照值的尺度 第一节 克服随机误差的数字滤波算法 第14页/共52页令d(k)的中值为d,著名的统计学家提出并证明了中值数绝对偏差MAD1.4826*d,MAD可以代替标准偏差。对3法则的这一修正有时称为“Hampel标识符”。4.4.基于中值数绝对偏差的决策滤波器基于中值数绝对偏差的决策滤波器 第一节 克服
12、随机误差的数字滤波算法 第15页/共52页(2)(2)基于基于L*MADL*MAD准则的滤波算法实现准则的滤波算法实现建立移动数据窗口(宽度m)计算出窗口序列的中值Z(排序法)计算尺度序列 的中值d(排序法)令 Q1.4826*d=MAD计算如果 则 否则可以用窗口宽度m和门限L调整滤波器的特性。m影响滤波器的总一致性,m值至少为7。门限参数L直接决定滤波器主动进取程度,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。第16页/共52页二、抑制小幅度高频噪声的平均滤波法二、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
13、声A/DA/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器:通常采用具有低通特性的线性滤波器:v 算数平均滤波法算数平均滤波法v 加权平均滤波法加权平均滤波法v 滑动加权平均滤波法滑动加权平均滤波法第一节 克服随机误差的数字滤波算法 第17页/共52页1 1算数平均滤波算数平均滤波 N N个个连连续续采采样样值值(分分别别为为X X1 1至至X XN N)相相加加,然然后后取取其其算算术术平平均均值值作作为为本本次次测测量量的的滤滤波器输出值。即波器输出值。即滤波效果主要取决于采样次数N,N越大,滤波效果越好,但系统的灵敏度要下降。因此这种方法只适用于慢变信号。Si为采样值中的信号
14、,ni为随机误差。第18页/共52页2 2滑动平均滤波法滑动平均滤波法 v对于采样速度较慢或要求数据更新率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。较高的系统,算术平均滤法无法使用。v将将N N个测量数据看成一个队列,每进行个测量数据看成一个队列,每进行一次新的采样,把测量结果放入队尾,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,这样在而去掉原来队首的一个数据,这样在队列中始终有队列中始终有N N个个“最新最新”的数据。的数据。第一节 克服随机误差的数字滤波算法 第19页/共52页为第n次采样经滤波后的输出;为未经滤波的第ni次采样值;N为滑动平均点数。
15、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。实际应用时,通过观察不同N值下滑动平均的输出响应来选取N值以便少占用计算机时间,又能达到最好的滤波效果。第20页/共52页 增增加加新新的的采采样样数数据据在在滑滑动动平平均均中中的的比比重重,以以提提高高系系统统对对当当前前采采样样值值的的灵灵敏敏度度,即对不同时刻的数据加以不同的权。通常越接近现时刻的数据,权取得越大。即对不同时刻的数据加以不同的权。通常越接近现时刻的数据,权取得越大。按FIR滤波设计确定系数3加权滑动平均滤波第一节第一节 克服随机误差的数字滤波算法克服随机误差的数字滤波算法 FIR(Finite Impulse R
16、esponse)滤波器:有限长单位冲激响应滤波器第21页/共52页三、复合滤波法三、复合滤波法 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。因因此此常常把前面介绍的两种以上的方法结合起来使用,把前面介绍的两种以上的方法结合起来使用,形成复合滤波。形成复合滤波。去极值平均滤波算法:去极值平均滤波算法:连连续续采采样样N N次次,剔剔除除其其最最大大值值和和最最小小值值,再再求求余余下下N N2 2个个采采样样的的平平均均值值。显显然然,这种方法既能抑制随机干扰,又能滤除明显的脉冲干扰。这种方法既能抑制随机干扰,又能滤除明显的脉
17、冲干扰。第一节 克服随机误差的数字滤波算法 第22页/共52页为使计算更方便,为使计算更方便,N N2 2应为应为2 2,4 4,8 8,1616常取常取N N为为4 4,6 6,8 8,1010,第23页/共52页第二节第二节 减小系统误差的算法减小系统误差的算法 系统误差:是指在相同条件下多次测量同一量时,存在着其大小和符号保持不变或按一定规律变化的误差。第24页/共52页u恒恒定定系系统统误误差差:校校验验仪仪表表时时标标准准表表存存在在的的固固有有误误差差、仪仪表表的的基基准准误误差等;差等;u变变化化系系统统误误差差:仪仪表表的的零零点点(或或基基线线)和和放放大大倍倍数数的的漂漂移
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 智能 仪器 基本 数据处理 算法
限制150内