误差修正技术演示幻灯片.ppt

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1、9.1 误差修正技术9.1.1 系统误差的数字修正方法系统误差的数字修正方法9.1.2 随机误差的数字滤波方法随机误差的数字滤波方法9.1.3 动态补偿方法动态补偿方法上一页下一页返 回1误差来源有以下几方面：误差来源有以下几方面：l检测系统本身的误差检测系统本身的误差(a)工作原理上，如传感器或电路的非线性的输入、输出关系；工作原理上，如传感器或电路的非线性的输入、输出关系；(b)机械结构上，如阻尼比太小等；机械结构上，如阻尼比太小等；(c)制造工艺上，如加工精度不高，贴片不准，装配偏差等；制造工艺上，如加工精度不高，贴片不准，装配偏差等；(d)功能材料上，如热胀冷缩，迟滞，非线性等。功能材

2、料上，如热胀冷缩，迟滞，非线性等。l外界环境影响外界环境影响例如，温度，压力和湿度等的影响。例如，温度，压力和湿度等的影响。l人为因素人为因素操作人员在使用仪表之前，没有调零、校正；读数误差等。操作人员在使用仪表之前，没有调零、校正；读数误差等。上一页下一页返 回2误差分类：误差分类：l从时间角度，把误差分为静态误差和动态误差。从时间角度，把误差分为静态误差和动态误差。静态误差静态误差包括通常所说的系统误差和随机误差。其中，系统包括通常所说的系统误差和随机误差。其中，系统误差是指在相同条件下，多次测量同一量时，其大小和符号误差是指在相同条件下，多次测量同一量时，其大小和符号保持不变或按一定规律

3、变化的误差。保持不变或按一定规律变化的误差。动态误差动态误差是指检测系统输入与输出信号之间的差异。由于产是指检测系统输入与输出信号之间的差异。由于产生动态误差的原因不同，动态误差又可分为第一类和第二类。生动态误差的原因不同，动态误差又可分为第一类和第二类。第一类动态误差：第一类动态误差：因检测系统中各环节存在惯性、阻尼及非线因检测系统中各环节存在惯性、阻尼及非线性等原因，动态测试时造成的误差。性等原因，动态测试时造成的误差。第二类误差：第二类误差：因各种随时间改变的干扰信号所引起的动态误差因各种随时间改变的干扰信号所引起的动态误差。l针对不同的误差，有不同的修正方法；就是对同一误差，也针对不同

4、的误差，有不同的修正方法；就是对同一误差，也有多种修正方法。有多种修正方法。上一页下一页返 回39.1.1 系统误差的数字修正方法1.1.利用校正曲线修正系统误差利用校正曲线修正系统误差 2 2用神经网络修正系统误差用神经网络修正系统误差3 3非线性特性的校正方法非线性特性的校正方法 上一页下一页返 回41.利用校正曲线修正系统误差l通通过过实实验验校校准准(或或称称标标定定)来来获获得得系系统统的的校校准准曲曲线线(输输入入、输出关系曲线输出关系曲线)。l校校准准：在在标标准准状状况况下下，利利用用一一定定等等级级的的标标准准设设备备，为为系统提供标准的输入量，测试系统的输出。系统提供标准的

5、输入量，测试系统的输出。l在在整整个个量量程程范范围围内内，选选多多点点测测试试；在在每每个个点点上上，测测试试多多次次，由由此此得得出出系系统统的的输输入入、输输出出数数据据，列列成成表表格格或或绘绘出出曲曲线线。将将曲曲线线上上各各校校准准点点的的数数据据存存入入存存储储器器的的校校准准表表格格中中，在在实实际际测测量量时时，测测一一个个值值，就就到到微微处处理理器器去去访访问问这这个个地地址址，读读出出其其内内容容，即即为为被被测测量量经经修修正正过过的值。的值。上一页下一页返 回5内插方法内插方法l对对于于值值介介于于两两个个校校准准点点与与之之间间时时，可可以以按按最最邻邻近近的的一

6、一个个值值或或去去查查找找对对应应的的值值，作作为为最最后后的的结结果果。这这个个结结果果带带有有误误差差。此此时时，可可以以利利用用(分分段段直直线线拟拟合合)来来提提高高准准确度。校准点之间的内插，最简单的是线性内插。确度。校准点之间的内插，最简单的是线性内插。l当取当取上一页下一页返 回62用神经网络修正系统误差上一页下一页返 回7 传感器模型传感器模型 环环 境境 参参 数数 误差修正模型的输出误差修正模型的输出 即误差修正模型的输出即误差修正模型的输出z与被测非电量与被测非电量x成线性关系成线性关系,且与各环境参数无关。且与各环境参数无关。只要使误差修正模型只要使误差修正模型 ，即可

7、实现传感器静态误差的综合修正。即可实现传感器静态误差的综合修正。(912)上一页下一页返 回8通常传感器模型及其反函数是复杂的，难以用数学式子描述。但是，可以通过实验测得传感器的实验数据集：根据前向神经网络具有很强的输入、输出非线性映射能力的特点，以实验数据集的和为输入样本，及对应的为输出样本，对神经网络进行训练，使神经网络逐步调节各个权值自动实现 上一页下一页返 回9归一化处理归一化处理l因因神神经经网网络络学学习习时时，加加在在输输入入端端的的数数据据太太大大，会会使使神神经经元元节节点点迅迅速速进进入入饱饱和和，导导致致网网络络出出现现麻麻痹痹现现象象。此此外外，由由于于在在神神经经网网

8、络络中中采采用用S型型函函数数，输输出出范范围围为为(0，1)，且且很很难难达达到到0或或1。故故在在学学习习之之前前，应应对对数数据据进进行行归一化处理。归一化处理。(913)(914)式中，式中，Di、Do分别是欲作为神经网络输入、输出样本的原始数据分别是欲作为神经网络输入、输出样本的原始数据 上一页下一页返 回10建立神经网络误差修正模型的步骤：(1)取传感器原始实验数据。取传感器原始实验数据。(2)由由式式(913)变变换换原原始始数数据据和和，式式(914)变变换原始数据，得训练神经网络的输入、输出样本对。换原始数据，得训练神经网络的输入、输出样本对。(3)确确定定神神经经网网络络输

9、输入入、输输出出端端数数量量、各各层层节节点点数数、和和的的值值。网网络络输输入入端端数数量量与与输输入入层层节节点点数数量量相相同同，等等于于环环境境参参数数个个数数加加1。输输出出端端数数量量与与输输出出层层节节点点数数均均为为1。隐隐层层节节点点数数根根据据被被测测非非电电量量、环环境境参参数数及及传传感感器器输输出出之之间间的的关关系系的的复复杂杂程程度度而而定定，关关系系复复杂取多些，反之取少些。和一般取杂取多些，反之取少些。和一般取01。(4)训练神经网络得到误差修正模型。训练神经网络得到误差修正模型。上一页下一页返 回113 3非线性特性的校正方法非线性特性的校正方法l传传感感器

10、器和和自自动动检检测测系系统统的的非非线线性性误误差差(或或称称线线性性度度)是是一一种种系系统统误误差差，是是用用其其输输入入、输输出出特特性性曲曲线线与与拟拟合合直直线线之间最大偏差与其满量程输出之比来定义的。之间最大偏差与其满量程输出之比来定义的。l拟拟合合直直线线：依依据据若若干干实实验验数数据据，利利用用一一定定的的数数学学方方法法得得到到的的直直线线。当当采采用用的的数数学学方方法法不不同同时时，拟拟合合直直线线不不同，以此为基准得出的线性度也不同。同，以此为基准得出的线性度也不同。l输入输入、输出关系呈线性的优点、输出关系呈线性的优点：可用线性叠加原理，分析、计算方便；可用线性叠

11、加原理，分析、计算方便；输输出出信信号号的的处处理理方方便便，只只要要知知道道输输出出量量的的起起始始值值和和满满量量程程值值，就可确定其余的输出值，刻度盘可按线性刻度；就可确定其余的输出值，刻度盘可按线性刻度；在在工工业业过过程程控控制制中中常常用用的的电电动动单单元元组组合合仪仪表表，由由于于单单元元之之间间用标准信号联系，要求仪表具有线性特性。用标准信号联系，要求仪表具有线性特性。上一页下一页返 回12非线性校正方法l非线性校正方法很多，例如：非线性校正方法很多，例如：利用校准曲线用查表法作修正；利用校准曲线用查表法作修正；利用分段折线法进行校正；利用分段折线法进行校正；用整段高次多项式

12、近似。用整段高次多项式近似。神经网络的方法。神经网络的方法。上一页下一页返 回13(1)整段校正法整段校正法l整整段段校校正正法法也也称称整整段段多多项项式式近近似似法法，其其核核心心问问题题是是多多项项式式的的生生成成，即即直直接接利利用用非非线线性性方方程程进进行校正。行校正。l由由标标定定传传感感器器所所得得到到的的实实测测数数据据来来推推出出反反映映输输入入、输输出出关关系系的的多多项项式式，并并要要求求这这个个多多项项式式的的次次数数尽尽量量低低、与与实实际际特特性性的的误误差差尽尽量量小小。这这实实质上是个曲线拟合问题。质上是个曲线拟合问题。上一页下一页返 回14最小二乘意义下的多

13、项式拟合最小二乘意义下的多项式拟合对于对实验数据对于对实验数据 使得使得 构造多项式构造多项式 根据最小二乘原理，要使根据最小二乘原理，要使为最小，按通常求极值的方法，为最小，按通常求极值的方法，取对的偏导数，并令其为零，得到正则方程组，解出取对的偏导数，并令其为零，得到正则方程组，解出ai在实际修正中，预先把方程的系数存在存储器中。在实际修正中，预先把方程的系数存在存储器中。单片机进行校正时，将测量值与存储器中的系数进行运算，单片机进行校正时，将测量值与存储器中的系数进行运算，就可获得实际被测量。就可获得实际被测量。上一页下一页返 回15(2)神经网络校正法神经网络校正法传感器的静态输入、输

14、出特性可用一个多项式表示传感器的静态输入、输出特性可用一个多项式表示 可简化为可简化为 实际应用中往往需要根据所得的输出量实际应用中往往需要根据所得的输出量y，求出输入非电量，求出输入非电量xi。而由而由y表示的表示的xi表达式为表达式为通过静态标定，事先得到一组传感器的输入、输出数据，通过静态标定，事先得到一组传感器的输入、输出数据，然后用函数联接型神经网络，通过迭代得到然后用函数联接型神经网络，通过迭代得到ki这些系数。这些系数。上一页下一页返 回16利用输入数据集利用输入数据集()和输出和输出yi，经神经网络的学习算法，经神经网络的学习算法不断调整权值不断调整权值Wn(n=0,1,2,3

15、)。估计输出为估计输出为误差为误差为 权值调整为权值调整为 第第i个输入数据的期望输出、估计输出个输入数据的期望输出、估计输出 Wn(k)网络在第网络在第k步的第步的第n个联接权，个联接权，ai学习因子学习因子 经过学习，当权值趋于稳定时，所得的经过学习，当权值趋于稳定时，所得的Wn(n=0,1,2,3)就是系数就是系数k0、k1、k2、k3。上一页下一页返 回179.1.2 随机误差的数字滤波方法l数数字字滤滤波波：通通过过特特定定的的计计算算程程序序处处理理，降降低低干干扰扰信信号号在在有有用用信信号号中中的的比比例例，故故实质上是一种程序滤波。实质上是一种程序滤波。l数数字字滤滤波波可可

16、以以对对各各种种干干扰扰信信号号，甚甚至至极极低频率的信号滤波。低频率的信号滤波。l数数字字滤滤波波由由于于稳稳定定性性高高，滤滤波波器器参参数数修修改方便，因此得到广泛应用。改方便，因此得到广泛应用。上一页下一页返 回18数字滤波器优点：数字滤波器优点：(1)不不需需要要增增加加任任何何硬硬设设备备，只只要要程程序序在在进进入入数数据据处处理理和和控制算法之前，附加一段数字滤波程序即可。控制算法之前，附加一段数字滤波程序即可。(2)不存在阻抗匹配问题。不存在阻抗匹配问题。(3)可可以以对对频频率率很很低低，例例如如0.01Hz的的信信号号滤滤波波，而而模模拟拟RC滤波器由于受电容容量的影响，

17、频率不能太低。滤波器由于受电容容量的影响，频率不能太低。(4)对对于于多多路路信信号号输输入入通通道道，可可以以共共用用一一个个滤滤波波器器，从从而而降低仪表的硬件成本。降低仪表的硬件成本。(5)只只要要适适当当改改变变滤滤波波器器程程序序或或参参数数，就就可可方方便便地地改改变变滤滤波波特特性性，这这对对于于低低频频脉脉冲冲干干扰扰和和随随机机噪噪声声的的克克服服特特别别有效。有效。上一页下一页返 回19数字滤波方法数字滤波方法 1 限幅滤波限幅滤波 2 平滑滤波平滑滤波 3 算术平均滤波法算术平均滤波法 4 递推平均滤波法递推平均滤波法 5 加权移动平均滤波法加权移动平均滤波法 6 一阶惯

18、性滤波一阶惯性滤波 7 复合滤波复合滤波 上一页下一页返 回201 1限幅滤波限幅滤波 l当当采采样样信信号号由由于于随随机机干干扰扰而而引引起起严严重重失失真真时时，可可采采用用限限幅幅滤滤波波。根根据据经经验验，确确定定出出两两次次采采样样信信号号可能出现的最大偏差。可能出现的最大偏差。l限限幅幅滤滤波波：把把两两次次相相邻邻的的采采样样值值相相减减，求求出出其其增增量量(以以绝绝对对值值表表示示)，然然后后与与两两次次采采样样允允许许的的最最大大差差值值进进行行比比较较。如如果果小小于于或或等等于于，则则取取本本次次采采样样值；如果大于，则仍取上次采样值作为采样值。值；如果大于，则仍取上

19、次采样值作为采样值。l应应用用：变变化化比比较较缓缓慢慢的的参参数数测测量量，如如温温度度、物物位位等等。也也可可以以在在大大电电流流、大大电电感感负负载载切切断断时时，即即干干扰的特点为时间短，但幅值却很大的情况下使用。扰的特点为时间短，但幅值却很大的情况下使用。上一页下一页返 回21中位值滤波中位值滤波l中中位位值值滤滤波波是是对对某某一一被被测测量量连连续续采采样样N次次(一一般般N取取为为奇奇数数)，然然后后把把N次次采采样样值值按按大大小小排排列列，取取中中间间值值为为本本次次采采样样值值。中中位位值值滤滤波波能能有有效效地地克服偶然因素引起的波动。克服偶然因素引起的波动。l对对于于

20、温温度度、液液位位等等缓缓慢慢变变化化的的被被测测量量，采采用用此此法法能能收收到到良良好好的的滤滤波波效效果果，但但对对于于流流量量、压压力力等变化较快的被测量一般不宜采用中位值滤波。等变化较快的被测量一般不宜采用中位值滤波。上一页下一页返 回222 2平滑滤波平滑滤波 l叠加在有用数据上的随机噪声在很多情叠加在有用数据上的随机噪声在很多情况下可以近似地认为是白噪声。白噪声况下可以近似地认为是白噪声。白噪声具有一个很重要的统计特性，即它的统具有一个很重要的统计特性，即它的统计平均值为零。因此可以求平均值的办计平均值为零。因此可以求平均值的办法来消除随机误差，这就是所谓平滑滤法来消除随机误差，

21、这就是所谓平滑滤波。波。平滑滤波有以下几种。平滑滤波有以下几种。上一页下一页返 回233 3算术平均滤波法算术平均滤波法 l算算术术平平均均滤滤波波法法适适用用于于对对一一般般的的具具有有随随机机干干扰扰的的信信号号进进行行滤滤波波。这这种种信信号号的的特特点点是是信信号号本本身身在在某某一一数数值值范范围围附附近近上上下下波波动动，如如测测量量流流量量、液液位位时时经经常常遇遇到到这这种种情况。情况。l算算术术平平均均滤滤波波是是要要按按输输入入的的N个个采采样样数数据据xi，寻寻找找这这样样一一个个y，使使y与与各各采采样样值值之之间间的的偏偏差差的的平平方方和和最最小小，即即使使上一页下

22、一页返 回24由一元函数求极值的原理，可得由一元函数求极值的原理，可得算术平均滤波的算式算术平均滤波的算式 设第设第i次测量的测量值包含信号成分次测量的测量值包含信号成分Si和噪声成分和噪声成分ni，则进行则进行N次测量的信号成分之和为次测量的信号成分之和为噪声的强度是用均方根来衡量的，当噪声为随机信号时，噪声的强度是用均方根来衡量的，当噪声为随机信号时，进行次测量的噪声强度之和为进行次测量的噪声强度之和为式中，式中，S、n分别为进行分别为进行N次测量后信号和噪声的平均幅度。次测量后信号和噪声的平均幅度。上一页下一页返 回25对对N次测量进行算术平均后的信噪比为次测量进行算术平均后的信噪比为式

23、中，式中，S/n是求算术平均值前的信噪比，是求算术平均值前的信噪比，因此采用算术平均值后，信噪比提高了因此采用算术平均值后，信噪比提高了 倍。倍。(9117)由式可知，算术平均值法对信号的平滑滤波程度完全取决于由式可知，算术平均值法对信号的平滑滤波程度完全取决于N。当当N较大时：较大时：平滑度高，但灵敏度低，外界信号的变化对测量计算结果的影响小；平滑度高，但灵敏度低，外界信号的变化对测量计算结果的影响小；当当N较小时：较小时：平滑度低，但灵敏度高。应按具体情况选取平滑度低，但灵敏度高。应按具体情况选取N。如对一般流量测量，可取如对一般流量测量，可取N=812；对压力等测量，可取；对压力等测量，

24、可取N=4。上一页下一页返 回264 4递推平均滤波法递推平均滤波法 l算算术术平平均均滤滤波波方方法法每每计计算算一一次次数数据据，需需测测量量N次次，对对于于测测量量速速度较慢或要求数据计算速率较高的实时系统，则无法使用。度较慢或要求数据计算速率较高的实时系统，则无法使用。l递递推推平平均均滤滤波波法法：在在存存储储器器中中，开开辟辟一一个个区区域域作作为为暂暂存存队队列列使使用用，队队列列的的长长度度固固定定为为N，每每进进行行一一次次新新的的测测量量，把把测测量量结结果果放放入入队队尾尾，而而扔扔掉掉原原来来队队首首的的那那个个数数据据，这这样样在在队队列列中中始始终终有有个个“最新最

25、新”的数据。的数据。上一页下一页返 回递推平均项数的选取是比较重要的环节，递推平均项数的选取是比较重要的环节，N选得过大，平均效果好，选得过大，平均效果好，但是，对参数变化的反应不灵敏；但是，对参数变化的反应不灵敏；N选得过小，滤波效果不显著。选得过小，滤波效果不显著。关于关于N的选择与算术平均滤波法相同。的选择与算术平均滤波法相同。275 5加权移动平均滤波法加权移动平均滤波法 l递推平均滤波法最大的问题是随着随机误差的消除，有用信号的递推平均滤波法最大的问题是随着随机误差的消除，有用信号的灵敏度也降低了。因为我们假设对于灵敏度也降低了。因为我们假设对于N次内的所有采样值，在结次内的所有采样

26、值，在结果中所占比重是均等的。用这样的滤波算法，对于时变信号会引果中所占比重是均等的。用这样的滤波算法，对于时变信号会引入滞后。入滞后。N越大，滞后越严重。越大，滞后越严重。l为了增加新的采样数据在滑动平均中的比重，以提高系统对当前为了增加新的采样数据在滑动平均中的比重，以提高系统对当前采样值中所受干扰的灵敏度，可以对不同时刻的采样值加以不同采样值中所受干扰的灵敏度，可以对不同时刻的采样值加以不同的权的权,通常越接近现时刻的数据，权取得越大。然后再相加求平均，通常越接近现时刻的数据，权取得越大。然后再相加求平均，这种方法就是这种方法就是加权移动平均法加权移动平均法。上一页下一页返 回28N项加

27、权移动平均滤波算法为项加权移动平均滤波算法为为常数，且满足以下条件：为常数，且满足以下条件：常系数的选取有多种方法，其中最常用的是加权系数法。常系数的选取有多种方法，其中最常用的是加权系数法。式中，式中，y为第为第N次采样值经滤波后的输出；次采样值经滤波后的输出；x N-i为未经滤波的第为未经滤波的第N-i次采样值；次采样值；上一页下一页返 回29加权系数法加权系数法 l设设为被测对象的纯滞后时间，且为被测对象的纯滞后时间，且l因因为为越越大大，越越小小，则则给给予予新新的的采采样样值值的的权权系系数数就就越越大大，而而给给先先前前采采样样值值的的权权系系数数就就越越小小，从从而而提提高高了了

28、新新的的采采样样值值在在平平均均过过程程中中的比重。的比重。l所所以以，加加权权移移动动平平均均滤滤波波适适用用于于有有较较大大纯纯滞滞后后时时间间常常数数的的被被测测对对象象和和采采样样周周期期较较短短的的测测量量系系统统，而而对对于于纯纯滞滞后后时时间间常常数数较较小小，采采样样周周期期较较长长，变变化化缓缓慢慢的的信信号号，则则不不能能迅迅速速反反映映系系统统当当前前所所受受干干扰的严重程度，滤波效果较差。扰的严重程度，滤波效果较差。上一页下一页返 回306 6一阶惯性滤波一阶惯性滤波 l在检测系统的电路中常常伴随有电源干扰及工业干扰，在检测系统的电路中常常伴随有电源干扰及工业干扰，这些

29、干扰特点是频率很低这些干扰特点是频率很低(例如频率为例如频率为0.01Hz)，对这，对这样低频的干扰信号，采用样低频的干扰信号，采用RC滤波显然是不适宜的，因滤波显然是不适宜的，因为为C太大，很难做到。但是，用数字滤波很容易解决。太大，很难做到。但是，用数字滤波很容易解决。假设一阶假设一阶RC滤波器的输入电压为滤波器的输入电压为x(t)，输出为，输出为y(t)，则，则上一页下一页返 回(9124)31设采样时间间隔足够小，将式设采样时间间隔足够小，将式(9124)离散为离散为 式中，式中，=RC为时间常数。即为时间常数。即 通过实际运行来确定时间常数通过实际运行来确定时间常数，不断地计算出，不

30、断地计算出值，值，当低频周期性噪声减至最弱时，即为该滤波器的当低频周期性噪声减至最弱时，即为该滤波器的值。值。一阶惯性滤波的缺点：一阶惯性滤波的缺点：造成信号的相位滞后，滞后相位的大小与造成信号的相位滞后，滞后相位的大小与Q值有关。值有关。如果相位滞后太大，还必须采取其它补救措施。如果相位滞后太大，还必须采取其它补救措施。上一页下一页返 回327 7复合滤波复合滤波 l在实际应用中，所受到的随机扰动往往不是单在实际应用中，所受到的随机扰动往往不是单一的，有时即要消除脉冲扰动的影响，又要作一的，有时即要消除脉冲扰动的影响，又要作数据平滑。因此，在实际中往往把前面介绍的数据平滑。因此，在实际中往往

31、把前面介绍的两种或两种以上的滤波方法结合在一起使用，两种或两种以上的滤波方法结合在一起使用，形成所谓的复合滤波，例如，防脉冲扰动平均形成所谓的复合滤波，例如，防脉冲扰动平均值滤波算法就是一种实例。值滤波算法就是一种实例。l算法的特点：算法的特点：l先用中位值滤波算法滤掉采样值中的脉冲干扰，先用中位值滤波算法滤掉采样值中的脉冲干扰，然后把剩下的各采样值进行滑动平均滤波。然后把剩下的各采样值进行滑动平均滤波。上一页下一页返 回33基本算法基本算法 l如果如果 ,其中其中 x1，xN和分别是所有采样值中的最小值和最大值，则和分别是所有采样值中的最小值和最大值，则优点：优点：这种滤波方法兼容了滑动平均

32、滤波算法和中位值滤波算法的，这种滤波方法兼容了滑动平均滤波算法和中位值滤波算法的，无论是对缓慢变化的过程变量，还是快速变化的过程变量，无论是对缓慢变化的过程变量，还是快速变化的过程变量，都能起到较好的滤波效果。都能起到较好的滤波效果。在一个检测系统中究竟应选用哪种滤波算法，在一个检测系统中究竟应选用哪种滤波算法，取决于使用场合及过程中所含随机干扰的情况。取决于使用场合及过程中所含随机干扰的情况。上一页下一页返 回349.1.3 动态补偿方法动态补偿方法随随着着科科技技生生产产的的发发展展，对对自自动动检检测测和和仪仪器器仪仪表表提提出出了了更更高要求，要求测量一些瞬变的非电量。高要求，要求测量

33、一些瞬变的非电量。同同时时，传传感感器器广广泛泛应应用用于于生生产产过过程程的的检检测测，作作为为控控制制系系统统中中提提供供信信息息的的单单元元，要要能能迅迅速速反反映映被被控控参参量量的的变变化化，否则，整个控制系统就无法正常工作。否则，整个控制系统就无法正常工作。在在许许多多生生产产工工艺艺中中，反反应应速速度度加加快快了了，设设备备结结构构尺尺寸寸减减小小了了，即即控控制制对对象象的的时时间间常常数数日日益益减减小小，这这就就需需要要选选择择快速的检测元件。快速的检测元件。传传感感器器的的阻阻尼尼比比太太小小，阶阶跃跃响响应应振振荡荡剧剧烈烈，达达到到稳稳态态的的时间长。时间长。传传感

34、感器器的的工工作作频频带带窄窄，对对被被测测信信号号中中的的高高频频分分量量没没有有反反应，以致动态响应速度慢。应，以致动态响应速度慢。上一页下一页返 回35提高传感器动态响应的快速性提高传感器动态响应的快速性1、在在传传感感器器本本身身想想办办法法，改改变变传传感感器器的的结结构构、参参数数和设计。和设计。2、在在传传感感器器输输出出信信号号的的后后续续处处理理方方面面想想办办法法，设设计计用用于于动动态态补补偿偿的的模模拟拟或或数数字字滤滤波波器器(通通常常称称为为动动态态补补偿器偿器)，对传感器的信号进行校正，改善其动态性能。，对传感器的信号进行校正，改善其动态性能。进行传感器动态补偿器

35、设计的方法：进行传感器动态补偿器设计的方法：零极点配置法、零极点配置法、系统辨识法系统辨识法神经网络方法等。神经网络方法等。上一页下一页返 回361 1零极点配置法零极点配置法 l传传感感器器的的动动态态特特性性与与其其传传递递函函数数的的极极点点位位置置密密切切相相关关。例例如如，对对于于一一个个属属于于二二阶阶系系统统的的传传感感器器，其其传传递递函函数数为为上一页下一页返 回当动态响应不满足要求时，可在传感器后串接一个补偿器。当动态响应不满足要求时，可在传感器后串接一个补偿器。式中式中 。选择。选择和和 n来调整新加入的极点位置，来调整新加入的极点位置，而原来的极点将被消去，使传感器的动

36、态特性得以改善。而原来的极点将被消去，使传感器的动态特性得以改善。37(1)一阶模型的补偿器一阶模型的补偿器AD590集成温度传感器可以等效为一阶系统集成温度传感器可以等效为一阶系统传感器的时间常数较大，响应速度在某些场合不能满足要求。传感器的时间常数较大，响应速度在某些场合不能满足要求。设计动态补偿器为设计动态补偿器为T由实验测定由实验测定 经过动态补偿后，等效系统经过动态补偿后，等效系统(传感器和补偿器的组合传感器和补偿器的组合)为为因为因为TT，所以等效系统的响应速度比原传感器的快。，所以等效系统的响应速度比原传感器的快。上一页下一页返 回38(2)二阶模型的补偿器二阶模型的补偿器l设传

37、感器为二阶系统，其传递函数为设传感器为二阶系统，其传递函数为有两种方法构造补偿器：有两种方法构造补偿器：第一种是将传感器的零极点全部消去，换上合适的极点。第一种是将传感器的零极点全部消去，换上合适的极点。第二种方法是替换传感器的极点，不动零点。第二种方法是替换传感器的极点，不动零点。上一页下一页返 回39第一种补偿器第一种补偿器 等效系统为等效系统为对上式进行变换对上式进行变换根据需要，确定根据需要，确定和和 n，代入上式，即可求出补偿器的模型，代入上式，即可求出补偿器的模型 上一页下一页返 回40 第二种补偿器第二种补偿器l替换传感器的极点，不动零点。替换传感器的极点，不动零点。确定确定和和

38、 n，代入上式，即可求出补偿器的模型，代入上式，即可求出补偿器的模型上一页下一页返 回41两种方法比较：两种方法比较：l两种方法的效果相当。两种方法的效果相当。第一种方法得出的补偿器是三阶非齐次模型；第一种方法得出的补偿器是三阶非齐次模型；第二种是二阶齐次模型，较易实现，更为可靠。第二种是二阶齐次模型，较易实现，更为可靠。l用用零零极极点点配配置置法法设设计计补补偿偿器器，要要依依据据传传感感器器的的模模型型，所所以以，对对传传感感器器建建模模精精度度有有一一定定要要求求，但但是是，并并不不严严格格。由由于于人人为为控控制制极极点点，补补偿偿效效果非常明显。果非常明显。l对于高阶系统，对于高阶

39、系统，可以采用降阶的方法去近似处理；可以采用降阶的方法去近似处理；可以用低阶补偿器去校正。可以用低阶补偿器去校正。上一页下一页返 回422.2.系统辨识设计方法系统辨识设计方法 (1)理想的动态响应理想的动态响应(2)设计步骤设计步骤上一页下一页返 回43(1)理想的动态响应理想的动态响应 设等效系统为一阶系统设等效系统为一阶系统调整时间常数调整时间常数T，使阶跃响应的上升时间满足要求，使阶跃响应的上升时间满足要求，就得到了等效系统的理想动态响应。就得到了等效系统的理想动态响应。K传感器的静态灵敏度。传感器的静态灵敏度。设等效系统为二阶系统设等效系统为二阶系统 选取不同的选取不同的 n，展宽等

40、效系统的工作频带。，展宽等效系统的工作频带。=0.707上一页下一页返 回44(2)设计步骤设计步骤l把把传传感感器器的的阶阶跃跃响响应应作作为为补补偿偿器器的的输输入入，把把等等效效系系统统的的理理想想阶阶跃跃响响应应作作为为补补偿偿器器的的输输出出，用用最最小小二二乘乘辨辨识识方法建立补偿器的模型。方法建立补偿器的模型。l如如果果对对传传感感器器做做阶阶跃跃响响应应法法标标定定不不方方便便，没没有有传传感感器器的的阶阶跃跃响响应应数数据据，可可以以依依据据其其它它标标定定方方法法的的数数据据，建建立传感器的模型，再计算出传感器的阶跃响应。立传感器的模型，再计算出传感器的阶跃响应。l无无论论

41、等等效效系系统统构构造造成成一一阶阶或或二二阶阶，均均可可用用系系统统辨辨识识方方法法求求出出动动态态补补偿偿器器的的模模型型。通通过过比比较较发发现现，用用二二阶阶等等效效系系统统构构造造理理想想动动态态响响应应，得得出出的的补补偿偿器器，效效果果更更好好些些。当当传传感感器器可可做做阶阶跃跃标标定定时时，无无需需知知道道其其模模型型，就就可构造出补偿器模型。可构造出补偿器模型。当当传传感感器器为为一一、二二阶阶系系统统时时，用用系系统统辨辨识识方方法法设设计计补补偿偿器器，效果较佳。效果较佳。当传感器是高阶系统时，可用降阶的方法处理。当传感器是高阶系统时，可用降阶的方法处理。上一页返 回45