直接數(shù)字控制系統(tǒng)學習資料

直接數(shù)字控制系統(tǒng)第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)11.1直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述11.2過程輸入輸出通道技術11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理11.4數(shù)字PID控制技術11.5數(shù)字控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)11.6數(shù)字控制器的直接設計方法11.7監(jiān)控組態(tài)軟件11.1直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControl，DDC）就是用一臺計算機通過測量元件變送器對生產(chǎn)過程中的多個被控參數(shù)進行巡回檢測；檢測結果與給定值進行比較，再按PID控制規(guī)律或其他直接數(shù)字控制算法進行運算；然后將運算結果變換成執(zhí)行機構能夠接受的控制量，輸出到執(zhí)行機構對生產(chǎn)過程進行控制，使被控參數(shù)按設定值曲線變化或穩(wěn)定在給定值上。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.1直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

DDC系統(tǒng)的結構框圖第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.1直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

優(yōu)點：經(jīng)濟、靈活性好、可靠性高。缺點：危險集中DDC系統(tǒng)第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.1直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

DDC系統(tǒng)主機單元的結構：模板式——主機板與模擬量輸入/輸出模板、數(shù)字量輸入/輸出模板通過總線母板連接。模塊式——主機模塊與模擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊通過總線連接?？偩€內(nèi)部總線計算機內(nèi)部模板之間進行通信的總線，也指組成系統(tǒng)各種機箱的底板總線。PC/XT（62線）PC/AT或ISA（62線+36線）PCI（124線）PC104（104線）CompactPCI,VXI外部總線計算機之間，計算機與設備之間進行通信的總線。串行總線（RS-232、RS-422、RS-485）現(xiàn)場總線以及局域網(wǎng)（LAN）工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）控制網(wǎng)絡（Control-net）11.2過程輸入輸出通道技術

DDC系統(tǒng)的輸入輸出通道是計算機和傳感器、執(zhí)行器之間的信息傳遞和變換裝置。是連接控制計算機和工業(yè)生產(chǎn)過程的橋梁和紐帶。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

11.2.1概述過程通道模擬量輸入通道（AI）模擬量輸出通道（AO）開關量輸入通道（DI）開關量輸出（DO）通道過程通道過程輸入輸出通道的結構第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2控制輸入輸出通道技術

模板式模塊式模塊式結構：模板式結構：(a)混合集中式(b)分離分布式

模擬量輸入通道(AI)是計算機用于工業(yè)控制、自動測試、計算機輔助醫(yī)療診斷、機器人等科學研究時必需的模擬數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。它把各類傳感器從現(xiàn)場檢測到的模擬量信號如溫度、壓力、流量、物位、成分等轉換成計算機可以接收的數(shù)字量信號。建立模擬量輸入通道的目的，通常是為了進行參數(shù)測量或數(shù)據(jù)采集。它的核心部件是A/D轉換器及其微處理機的接口。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

11.2.2模擬量輸入通道

模擬量輸入通道一般包括：信號調(diào)理電路、多路轉換開關、采樣保持器、A/D轉換器等幾個組成部分。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

1.模擬量輸入通道的結構多路共用采集電路分時采集第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

多路同步取樣共用A/D分時采集多通道同步采樣分時傳輸數(shù)據(jù)通過多路模擬開關將多路參數(shù)分時送入計算機。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

2.模擬量輸入通道的組成⑴信號調(diào)理電路

經(jīng)由傳感器或檢測儀表、變送器輸入的模擬信號，可能是電壓或電流信號，幅值范圍往往和A/D轉換器的量程不匹配，而且一般含有噪聲信號，因此需要進行放大、濾波、隔離保護等處理，稱為信號調(diào)理。⑵多路開關單向多路開關:AD7501(8路)、AD7506(16路)等；雙向多路外關：CD4051等;單端輸入:CD4051是單端8通道;雙端輸入:CD4052是雙4通道;多路輸入多路輸出:CD8816等。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

⑶采樣保持器

在A/D轉換器工作期間采樣保持器一直保持著轉換開始時的輸入值，因而能抑制由放大器干擾帶來的轉換噪聲，提高模/數(shù)轉換器的精確度和消除轉換時間的不準確性。高速采樣(如5000～10000點／秒)必須采用采樣保持器。在低速系統(tǒng)中一般可以省略。采樣保持器的工作方式第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

⑷A/D轉換器

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被測參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位、成分等都是連續(xù)變化的模擬量，而計算機處理的數(shù)據(jù)只能是數(shù)字量，所以在進入計算機之前，必須把模擬量轉換成數(shù)字量（也即A/D轉換）。A／D轉換器即是完成模擬量轉換為數(shù)字量的器件，在一般情況下，模擬量是指電壓。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

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3.模擬量輸入通道A/D轉換器的選擇⑴A/D轉換器的技術指標

分辨率是衡量A/D轉換器分辨輸入模擬量最小變化量的技術指標，是數(shù)字量變化一個字所對應模擬信號的變化量。其大小取決于A/D轉換器的位數(shù)，所以習慣上以數(shù)字量的位數(shù)來表示。

量化誤差是由A/D轉換器有限字長數(shù)字量對輸入模擬量進行離散取樣（量化）引起的誤差，其大小在理論上為一個單位（1LSB）。量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的，即提高分辨率可以減小量化誤差。①分辨率與量化誤差第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

轉換精度反映了一個實際A/D轉換器與一個理想A/D轉換器在量化值上的差值，用絕對誤差或相對誤差來表示。②轉換精度

轉換速率是指A/D轉換器在每秒鐘所能完成的轉換次數(shù)。轉換速率也可表述為轉換時間，即A/D轉換從啟動到結束所需的時間，轉換速率與轉換時間互為倒數(shù)。③轉換速率④滿刻度范圍

滿刻度范圍是指A/D轉換器所允許的最大輸入電壓范圍。滿刻度值只是個名義值，實際的A／D轉換器的最大輸入電壓值總比滿刻度值小1/2n（n為轉換器的位數(shù)）。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

⑵A／D轉換器的分類(根據(jù)轉換原理分)①逐次比較式②積分式③并行比較式④改進型轉換時間一般在μs級，轉換精度一般在0.1％左右，適于一般場合。轉換時間一般在ms級或更長，但抗干擾性能強，轉換精度可達0.01％或更高。適于數(shù)字電壓表類儀器采用。采用并行比較，其轉換時間可達ns級，但抗干擾性能較差.在上述某種形式A／D轉換器的基礎上，為滿足某項高性能指標而改進或復合而成的。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

⑶A/D轉換速度的選擇在選取A/D轉換速度之前，應該首先確定系統(tǒng)的采樣周期。合理地選擇采樣周期T，是過程計算機控制系統(tǒng)設計的關鍵問題之一。確定系統(tǒng)采樣周期的原則及相關知識，將在11.5.5中詳細介紹。A/D轉換器從啟動轉換到轉換結束輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的時間。而且從轉換結束到下一次啟動轉換也需要一段休止時間(或稱復位時間、恢復時間、準備時間等).因此，A/D轉換器的轉換速率應由轉換時間和休止時間二者共同決定。選擇時應該注意。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

⑷A/D轉換器字長的選擇為把量化誤差限制在所允許的范圍內(nèi)，應使A/D轉換器有足夠的字長。確定字長要考慮的因素是輸入信號的動態(tài)范圍和分辨率。為使輸入信號的最大值xmax不至使A/D溢出，且小信號xmin不被量化噪聲淹沒，則需①輸入信號的動態(tài)范圍即需要A/D轉換器的字長為輸入信號的動態(tài)范圍定義為若已知被測模擬電壓動態(tài)范圍為L1，則第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

有時對A/D轉換器的字長要求以分辨率形式給出。分辨率定義為②分辨率如果所要求的分辨率為D0，則字長例：某溫度控制系統(tǒng)的溫度范圍為0-200℃，要求分辨率為0.5%(即相當于1℃)，則A/D轉換器字長為因此，取A/D轉換器字長n為8位。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

此外，考慮到MUX、S/H、A/D組成的數(shù)據(jù)采集電路的總誤差是這三個組成部分的分項誤差的綜合值，選擇元器件精度的一般規(guī)則是：每個元器件的精度指標應優(yōu)于系統(tǒng)精度的10倍左右?？筛鶕?jù)系統(tǒng)精度指標δ，估算所需A/D的位數(shù)n例：要求系統(tǒng)誤差不大于0.1％滿度值(即δ＝0.1％)，則需采用n為14位的A/D轉換器。

由于大多數(shù)執(zhí)行器只能接受模擬量，為了驅動執(zhí)行器，經(jīng)計算機處理后的數(shù)據(jù)還必須再轉換成模擬量（即D/A轉換）。此外，在模擬量輸出通道中，為了實現(xiàn)多回路控制，需要通過多路開關將控制量分配到各條支路上。同時在模擬量輸出通道中，為使各輸出通道得到一個平滑的模擬量輸出也必須保持一個恒定的值。因此，模擬量輸出通道一般包括D/A轉換器、多路分配器和采樣保持器，其中的核心器件是D/A轉換器。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

11.2.3模擬量輸出通道第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

1．D/A轉換器概述

D/A轉換器的輸出多數(shù)為電流形式，如DAC0832，AD7522等。有些芯片內(nèi)部設有放大器，直接輸出電壓信號，如AD558，AD7224等。電壓輸出型又有單極性輸出和雙極性輸出兩種。雙D/A轉換器：AD75284通道D/A轉換器：AD7226串行D/A轉換器：DAC80直接接收BCD碼的D/A轉換器：AD7525輸出4-20mA電流的D/A：AD1420/1422D/A轉換器的數(shù)字量輸入端:不含數(shù)據(jù)鎖存器：與計算機接口時要外加數(shù)據(jù)鎖存器。含單個數(shù)據(jù)鎖存器：與計算機接口時可以不外加數(shù)據(jù)鎖存器。含雙數(shù)據(jù)鎖存器：可用于多個D/A轉換器同時轉換的場合。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

2．D/A轉換器字長的選擇

D/A轉換器輸出一般都通過功率放大器推動執(zhí)行機構。設執(zhí)行機構的最大輸入值為umax，最小輸入值為umin（靈敏限），則D/A轉換器的字長為即D/A轉換器的輸出應滿足執(zhí)行機構動態(tài)范圍的要求。一般情況下，可選D/A字長小于或等于A/D字長。

在過程計算機控制中，常用的A/D和D/A轉換器字長為8位、10位和12位，按照上述公式估算出的字長取整后再選這三種之一。特殊被控對象，可選更高分辨率的器件。

有些工業(yè)過程的輸入?yún)?shù)是通過接近開關輸入，而控制采用繼電器或可控硅來完成，稱其為開關量輸入輸出。所謂開關量控制就是通過控制設備的“開”或“關”狀態(tài)的時間來達到控制的目的。計算機控制系統(tǒng)的輸入數(shù)字信號來自于現(xiàn)場的傳感器，輸出數(shù)字信號又送回現(xiàn)場設備。因此，現(xiàn)場的電磁干擾會通過數(shù)字量輸入、輸出通道竄入計算機系統(tǒng)，故需要采用通道隔離技術。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

11.2.4數(shù)字量輸入/輸出通道第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

1．數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道的任務主要是將現(xiàn)場輸入的開關信號經(jīng)轉換、保護、濾波、隔離等措施后轉換成計算機能夠接收的邏輯信號，即將被控對象的開關狀態(tài)信號(或數(shù)字信號)傳送給計算機，簡稱DI(DigitalInput)通道。數(shù)字量輸入通道的作用：①定時記錄生產(chǎn)過程中某些設備的狀態(tài)。②對生產(chǎn)過程中某些設備的狀態(tài)進行檢查，以便發(fā)現(xiàn)問題。數(shù)字量輸入通道結構第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

典型的開關量輸入通道通常由以下幾部分組成：⑴開關量拾取電路

開關量的拾取即將過程的開關量轉換為電壓或電流的雙位邏輯值。開關量(數(shù)字量)機械有觸點開關量電子無觸點開關量非電量開關量不同的開關量要采用不同的變換方法。⑵整形電路

將混有毛刺之類干擾的輸入雙值邏輯信號或其信號前后沿不符合要求的輸入信號整形為接近理想狀態(tài)的方波或矩形波，而后再根據(jù)系統(tǒng)要求變換為相應形狀的脈沖信號。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

⑶電平變換電路

將輸入的雙值邏輯電平轉換為與CPU兼容的邏輯電平。在計算機控制系統(tǒng)中，CPU一般只接受TTL電平，當開關量變換后的信號為非CPU所需電平時，則需要進行電平變換。電平變換可采用光電隔離、晶體管或CMOS-TTL電子變換芯片。采用光電隔離抗干擾能力強，但反應速度較慢，采用晶體管或CMOS-TTL電子變換芯片則速度較快。⑷總線緩沖器暫存數(shù)字量信息并實現(xiàn)與CPU數(shù)據(jù)總線的連接。⑸接口電路

協(xié)調(diào)通道的同步工作，向CPU傳遞狀態(tài)信息并控制開關量到CPU的輸入。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

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數(shù)字量輸入示例：由光電隔離器和總線緩沖器構成的數(shù)字量輸入通道光電耦合器三態(tài)門緩沖器第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

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2．數(shù)字量輸出通道

數(shù)字量輸出通道的任務是把計算機輸出的數(shù)字信號(或開關信號)傳送給開關器件(如繼電器或指示燈)，控制其通、斷或亮、滅，簡稱DO(DigitalOutput)通道。

由于輸出設備往往需要大電壓(或電流)來控制，而計算機系統(tǒng)輸出的開關量大都為TTL(或CMOS)電平，一般不能直接驅動外部設備開啟或關閉。另外，許多外部設備，如大功率直流電機、接觸器等在開關過程中會產(chǎn)生很強的電磁干擾信號，如不加以隔離，可能會造成計算機控制系統(tǒng)誤動作甚至損壞。因此，在接口設計處理中，一要放大，二要隔離。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

根據(jù)負荷功率的大小不同，可以選用不同的功率放大器件構成不同的開關量驅動輸出通道。晶體管、達林頓管、大功率場效應管輸出驅動電路光電隔離器、繼電器、晶閘管輸出驅動電路固態(tài)繼電器輸出驅動電路常用的輸出驅動電路：第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

使用光電隔離器與繼電器配合的輸出驅動電路繼電器輸出控制電路采用直流型固態(tài)繼電器控制三相步進電機固態(tài)繼電器輸出控制電路在過程計算機控制系統(tǒng)的工程應用中，過程輸入/輸出通道的任務一般可選擇現(xiàn)成的板卡或模塊來完成。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

11.2.5過程輸入/輸出板卡（或模塊）的選擇1.選擇步驟(1)分析具體的工程情況，統(tǒng)計所有模擬量輸入/輸出個數(shù)以及I/O點數(shù)，并填寫表格。(2)根據(jù)需要，選擇輸入、輸出通道數(shù)，并應留有一定的裕量，以備將來系統(tǒng)擴展時使用。(3)根據(jù)參數(shù)表選擇板卡輸入/輸出通道的信號范圍、信號類型、采樣速度；根據(jù)系統(tǒng)的精度要求，選擇A/D、D/A轉換芯片的字長。(4)當需要多通道采集或輸出時，根據(jù)工程的具體要求決定是否需要通道間的同步輸入或同步輸出。(5)考慮價格因素、可靠性、耐用性、配套軟件等綜合因素。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

2.輸入輸出板卡/模塊的選擇

輸入輸出板卡按總線形式分有PCI、ISA、PC/104、VXI、USB等，采樣速率從100KS/s、250KS/s、1MS/s到10MS/s等，采樣位數(shù)有8位、12位、16位等；有模擬量輸入卡、模擬量輸出卡、數(shù)字量輸入/輸出卡和多功能卡等?？筛鶕?jù)需要選擇。

輸入輸出模塊按總線形式分有串行總線（RS-232、RS-422、RS-485等）、現(xiàn)場總線以及局域網(wǎng)（LAN）、工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）、控制網(wǎng)絡（Control-net）等，也有不同的采樣速率和精度可選。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

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數(shù)據(jù)采集卡示例智能接口板卡

PCI-5121智能CAN接口卡第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

常用的數(shù)據(jù)采集卡

1．模擬量輸入卡（A/D卡）

模擬量輸入板卡根據(jù)使用的A/D轉換芯片和總線結構不同，性能有很大的區(qū)別。板卡通常有單端輸入、差分輸入以及兩種方式組合輸入三種。板卡內(nèi)部通常設置一定的采樣緩沖器，對采樣數(shù)據(jù)進行緩沖處理，緩沖器的大小也是板卡的性能指標之一。在抗干擾方面，A/D板卡通常采取光電隔離技術，實現(xiàn)信號的隔離。板卡模擬信號采集的精度和速度指標通常由板卡所采用的A/D轉換芯片決定。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

32路單端或16路差分模擬量輸入，或組合輸入方式，12位A/D轉換分辨率，A/D轉換器的采樣速率可達100kHz，每個輸入通道的增益可編程，卡上有4K采樣FIFO緩沖器，2500VDC隔離保護，支持軟件、內(nèi)部定時器觸發(fā)或外部觸發(fā)。研華PCI-1713模擬量輸入卡第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

2．模擬量輸出卡（D/A卡）

D/A轉換板卡同樣依據(jù)其采用的D/A轉換芯片的不同，轉換性能指標有很大的差別。四路12位D/A輸出通道，多種輸出范圍。由于能夠在輸出和PCI總線之間提供2500VDC的隔離保護，PCI-1720非常適合需要高電壓保護的工業(yè)場合。研華PCI-1720U模擬量輸出卡第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

16路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出，高輸出驅動能力和中斷能力，具有2500VDC高電壓隔離I/O通道。研華PCI-1730數(shù)字量輸入/輸出卡3．數(shù)字量輸入/輸出卡（I/O卡）第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

4．脈沖量輸入/輸出板卡

工業(yè)控制現(xiàn)場有許多高速的脈沖信號，如旋轉編碼器、流量檢測信號等，這些都要用脈沖量輸入板卡或一些專用測量模塊進行測量。脈沖量輸入/輸出板卡可以實現(xiàn)脈沖數(shù)字量的輸出和采集，并可以通過跳線器選擇計數(shù)、定時、測頻等不同工作方式，計算機可以通過該板卡方便地讀取脈沖計數(shù)值，也可測量脈沖的頻率或產(chǎn)生一定頻率的脈沖?？紤]到現(xiàn)場強電的干擾，該類型板卡多采用光電隔離技術，使計算機與現(xiàn)場信號之間全部隔離，來提高板卡測量的抗干擾能力。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

該卡使用了AM9513芯片，能夠通過CPLD實現(xiàn)計數(shù)器/定時器功能。此外，該卡還提供8個16位計數(shù)器通道，并具有8通道可編程時鐘資源，8路TTL數(shù)字量輸出/8路TTL數(shù)字量輸入，最高輸入頻率達20MHz，有多種時鐘可以選擇，可編程計數(shù)器輸出，同時有計數(shù)器門選通功能。研華PCI-1780U計數(shù)器/定時器卡第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

遠程I/O模塊

遠程I/O模塊又稱為牛頓模塊，為近年來比較流行的一種I/O方式，它安裝在工業(yè)現(xiàn)場，就地完成A/D、D/A轉換、I/O操作及脈沖量的計數(shù)、累計等操作。遠程I/O以通訊方式和計算機交換信息，通訊接口一般采用RS-485總線，通訊協(xié)議與模塊的生產(chǎn)廠家有關，但都是采用面向字符的通訊協(xié)議。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

有線傳輸介質(zhì)

1．雙絞線電纜雙絞線電纜（簡稱雙絞線）是將一對或一對以上的雙絞線封裝在一個絕緣外套中而形成的一種傳輸介質(zhì)。1）非屏蔽雙絞線

2）屏蔽雙絞線

無線傳輸介質(zhì)

有線傳輸介質(zhì)

**信息傳輸介質(zhì)**第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

2.同軸電纜

3.扁平電纜

4.光導纖維第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.2過程輸入輸出通道技術

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾波就是在計算機中通過軟件按照某種算法對輸入信號進行平滑加工等處理，以減少干擾在有用信號中的比重，提高信號的真實性。11.3.1數(shù)字濾波與模擬濾波裝置相比，數(shù)字濾波有以下優(yōu)點：⑴通過程序實現(xiàn)，不需硬件設備，系統(tǒng)的可靠性較高；⑵數(shù)字濾波子程序可多通道共用；⑶可對極低頻率的信號（如0.01Hz）進行濾波；⑷采用不同的算法和參數(shù)就可實現(xiàn)對不同信號的濾波，使用靈活、方便。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理把N個采樣值相加，然后取其算術平均值作為本次有效的采樣值.第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理1.算術平均值濾波法

對于隨機干擾信號，多采用算術平均值濾波法加以抑制。N值決定了信號的平滑度和靈敏度。應視具體情況選取N，以便得到滿意的濾波效果。通常流量信號取8-12項，壓力信號取4項，溫度、成份等緩慢變化的信號取2項甚至不平均。為了提高濾波效果，將各個采樣值取不同的比重，然后再相加求平均值，加權平均式為第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理2.加權平均值濾波法加權系數(shù)

加權系數(shù)體現(xiàn)了各次采樣值在平均值中所占的比例，可根據(jù)具體情況決定。一般采樣次數(shù)越靠后，加權系數(shù)越大，這樣可增加新的采樣值在平均值中所占的比重。這種濾波方法可以根據(jù)需要突出信號的某一部分來抑制信號的另一部分。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理例：某純遲延較大的被控對象，采用四次采樣值加權平均的算式為τ為被控對象的純遲延時間。權系數(shù)為

先在RAM中建立一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，依順序存放N個采樣數(shù)據(jù)，每采進一個新數(shù)據(jù)，就將最早采集的數(shù)據(jù)丟掉，而后求包括新數(shù)據(jù)在內(nèi)的N個數(shù)據(jù)的算術平均值或加權平均值。這樣，每進行一次采樣，就可計算出一個新的平均值，從而加快了數(shù)據(jù)處理的速度。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理3.滑動平均值濾波法滑動平均值濾波法滑動算術平均值濾波滑動加權平均值濾波。

平均值濾波法一般適用于具有周期性干擾噪聲的信號，但對偶然出現(xiàn)的脈沖干擾信號濾波效果尚不理想。因而它不適用于脈沖性干擾比較嚴重的場合。

對某一被測參數(shù)連續(xù)采樣n次（n一般取奇數(shù)），然后把n次采樣值按順序排列，取其中間值作為本次采樣的有效數(shù)據(jù)。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理4．中值濾波法

中值濾波對于去掉偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈動干擾比較有效。若參數(shù)變化比較緩慢，則采用中值濾波效果比較好，但對快速變化的參數(shù)，如流量，則不宜采用。n值一般取3-5即可。若把中值濾波法和平均值濾波法結合起來使用，濾波效果會更好，稱其為去極值平均值濾波法，也稱復合濾波法。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理5.去極值平均值濾波法

這種方法既可以去掉脈沖干擾，又可以對采樣進行平滑加工，在快、慢速系統(tǒng)中都能削弱干擾，提高控制質(zhì)量。當采樣點數(shù)為3時，便是中值濾波。若則

由于大的隨機干擾或采樣器的不穩(wěn)定，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實際值太遠，為此，可采用上、下限限幅，即當y(n)≥yH時，則取y(n)=yH(上限值)；當y(n)≤yL時，則取y(n)=yL(下限值)；當yL<y(n)<yH時，則取y(n)。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理6．限幅及限速濾波法

限幅可以剔除明顯不合理的數(shù)據(jù)。但剔除后只能用上、下限值替代，有時效果不太好，更好的辦法是限幅與限速濾波相結合。

限速濾波就是限制變化率，即第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理6．限幅及限速濾波法

這種濾波方法，主要用于變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度、物位等。使用時，關鍵問題是Δy的選取，其大小取決于采樣周期T和信號y的正常變化率。Δy太大，各種干擾信號將“乘機而入”，使系統(tǒng)誤差增大；Δy太小，又會使某些有用信號被“拒之門外”，使計算機采樣效率變低。因此，門限值Δy的選取是非常重要的。通?？筛鶕?jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)獲得，必要時，也可由實驗得出。

若|y(n)-y(n-1)|≤Δy，則取y(n)=y(n)；若|y(n)-y(n-1)|>Δy，則取y(n)=y(n-1)。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理限速濾波法的改進：設在順序采樣時刻T1、T2、T3所采集的數(shù)據(jù)分別為y1、y2、y3，則

當|y2－y1|≤Δy時，取y2作為采樣值；

當|y2－y1|＞Δy時，保留y2，繼續(xù)采樣得y3；

當|y3－y2|≤Δy時，取y3作為采樣值；

當|y3－y2|＞Δy時，則取(y3+y2)/2作為采樣值。

改進限速濾波是一種折衷的方法，既照顧了采樣的實時性，又顧及了采樣值變化的連續(xù)性。

第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理7．一階滯后濾波法

一階滯后濾波法是模擬硬件RC低通濾波器的數(shù)字實現(xiàn)。常用的RC低通濾波器的傳遞函數(shù)為

算術平均值濾波法屬于靜態(tài)濾波，主要適用于變化比較快的參數(shù)，如壓力、流量等。對于慢速隨機變化的參數(shù)，采用在短時間內(nèi)連續(xù)采樣求平均值的方法，濾波效果不太好。在這種情況下，通常采用動態(tài)濾波法，如一階滯后濾波。

由于大時間常數(shù)及高精度的RC電路不易制作，所以硬件RC濾波器不可能對極低頻率的信號進行濾波。為此，可以模仿硬件RC濾波器的特性參數(shù)，用軟件實現(xiàn)。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理RC低通濾波器的差分形式為

T——采樣周期；Tf——濾波器時間常數(shù)——濾波平滑系數(shù)，

一般采樣周期T遠遠小于慣性時間Tf，因此α<<1，表明本次有效采樣值主要取決于以前的有效采樣值，而本次采樣值僅起到一些修正作用。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理當采樣周期T足夠小時濾波算法的截止頻率為

當采樣周期一定時，濾波系數(shù)α越小，數(shù)字濾波器的截止頻率就越低。

設計時，應根據(jù)采樣周期與截止頻率適當選取α值，使得濾波器的輸出既無明顯波紋，又不太滯后。

該算法比較簡單，比起平均值濾波法要快，能很好地消除周期性干擾和較寬頻率的隨機干擾信號。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理一般情況下，算術平均濾波適用于周期性干擾；加權平均濾波和滑動平均濾波的實時性更好；限幅/限速濾波適用于大的偶然的脈沖干擾；去極值平均濾波既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機干擾；慣性濾波能很好地消除周期性干擾和較寬頻率的隨機干擾信號。在實際應用中，是否需要采用以及采用何種數(shù)字濾波，都應視具體情況而定。幾種數(shù)字濾波方法各有特點

在計算機過程控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)中的溫度、壓力、流量、液位等各個參數(shù)都有著不同的數(shù)值和量綱，所有這些參數(shù)都經(jīng)過變送器轉換成統(tǒng)一的電流或電壓信號，又由A/D轉換成數(shù)字量。為進一步進行顯示、記錄、打印以及報警等操作，必須把這些數(shù)字量轉換成工程單位，以便操作人員對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視和管理，這就是所謂的標度變換。標度變換有許多不同的方法，取決于被測參數(shù)測量傳感器的類型，設計時應根據(jù)實際情況選擇相應的標度變換方法。11.3.2標度變換第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理線性參數(shù)標度變換是最常用的標度變換方法，其前提條件是被測參數(shù)值與A/D轉換結果為線性關系。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理1．線性參數(shù)標度變換

為了使程序設計簡單，一般把一次測量儀表的下限Ymin所對應的A/D轉換值置為0，即Nmin=0，則在許多測量系統(tǒng)中，儀表下限值Ymin=0，此時，對應的Nmin=0，則線性標度變換公式

【例11.1】某壓力測量儀表的測量范圍為400～1200Pa，采用8位A/D轉換器，設某采樣周期計算機經(jīng)采樣及數(shù)字濾波后的數(shù)字量為ABH，求此時的壓力值。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理解：根據(jù)題意，已知Ymin=400Pa，Ymax=1200Pa，Nx=ABH=171D，選Nmax=FFH=255D，Nmin=0，則由公式答：此時的壓力值為936Pa.

一般而言，非線性參數(shù)的變化規(guī)律各不相同，故標度變換公式亦需根據(jù)各自的具體情況建立。第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理2.非線性參數(shù)標度變換

例如，在用節(jié)流裝置和差壓變送器測量流量時，流量與差壓之間的關系為被測流量的采樣過程為⑴公式變換法第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理

由于差壓變送器的輸出與輸入之間為線性關系，A/D轉換器亦為線性關系，因此壓差與A/D采樣值之間為線性變換，即而壓差與流量之間是非線性關系，即當

均為0時，第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理

在許多控制系統(tǒng)及智能化儀器中，一些參量往往是非線性參量，常常不便于計算和處理，而在實際測量和控制系統(tǒng)中，都允許有一定范圍的誤差。因此，應找出一種既方便，又能滿足實際功能要求的數(shù)據(jù)處理方法。在這種情況下，可以采用多項式插值法、線性插值法或查表法進行標度變換。⑵其它標度變換方法第11章直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述

11.3數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理

多項式插值法是用一個N次多項式來代替某種非線性函數(shù)關系的方法。插值原理:假設被測參數(shù)y與傳感器的輸出值x具有的函數(shù)關系為y=f(x)，只知道在n+1個相異點處的函數(shù)值為: