紫金橋組態(tài)軟件濾波點(diǎn)
摘要：分析了采用數(shù)字濾波消除隨機(jī)干擾的優(yōu)點(diǎn), 介紹各種數(shù)字濾波算法的適用范圍。
關(guān)鍵字：紫金橋組態(tài)軟件 濾波點(diǎn) 濾波算法
引言：
在工業(yè)控制中，現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)容易受信號(hào)源本身、傳感器、外界等干擾，為了進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和控制，必須消除被測(cè)信號(hào)中的噪聲和干擾。這些非周期的不規(guī)則隨機(jī)信號(hào)可以用數(shù)字濾波方法予以削弱或?yàn)V除。
數(shù)字濾波點(diǎn)是用軟件實(shí)現(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，因而可靠性高、穩(wěn)定性好，不存在阻抗匹配問(wèn)題。
數(shù)字濾點(diǎn)可以根據(jù)信號(hào)的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。
常用數(shù)字濾波算法：
數(shù)字濾波點(diǎn)是將一組輸入數(shù)字序列進(jìn)行一定的運(yùn)算而轉(zhuǎn)換成另一組輸出數(shù)字序列，設(shè)數(shù)字濾波點(diǎn)的輸入為X(n)，輸出為Y(n)，則輸入序列和輸出序列之間的關(guān)系可用差分方程式表示為：
其中：輸入信號(hào)X(n)可以是模擬信號(hào)經(jīng)采樣和A/D變換后得到的數(shù)字序列。
1 算術(shù)平均值濾波
算術(shù)平均值濾波是要尋找一個(gè)Y，使該值與各采樣值X(K)(K=1～N)之間誤差的平方和為最小，即：
這時(shí)，可滿足式(3)。式(4)便是算術(shù)平均值濾波的算法。
設(shè)第二次測(cè)量的測(cè)量值包含信號(hào)成分Si和噪聲成分Ci，則進(jìn)行N次測(cè)量的信號(hào)成分之和為：
噪聲的強(qiáng)度是用均方根來(lái)衡量的，當(dāng)噪聲為隨機(jī)信號(hào)時(shí)，進(jìn)行N次測(cè)量的噪聲強(qiáng)度之和為：
式(5)和式(6)中，S、C分別表示進(jìn)行N次測(cè)量后信號(hào)和噪聲的平均幅度。
這樣對(duì)N次測(cè)量進(jìn)行算術(shù)平均后的信噪比為：
其中，S／C是求算術(shù)平均值前的信噪比。因此采用算術(shù)平均值后，使信噪比提高了
倍。
算術(shù)平均值法適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波，這種信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近作上下波動(dòng)，此時(shí)僅取一個(gè)采樣值作依據(jù)顯然是不準(zhǔn)確的，如壓力、流量、液平面等信號(hào)的測(cè)量。但對(duì)脈沖性干擾的平滑作用尚不理想，因此他不適用于脈沖性干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合。由式(7)可知，算術(shù)平均值法對(duì)信號(hào)的平滑濾波程度完全取決于N。當(dāng)N較大時(shí)，平滑度高，但靈敏度低，即外界信號(hào)的變化對(duì)測(cè)量計(jì)算結(jié)果Y的影響�。划�(dāng)N較小時(shí)，平滑度低，但靈敏度高。應(yīng)視具體情況選取N，以便既少占用計(jì)算時(shí)間，又達(dá)到最好的效果，如對(duì)一般流量測(cè)量，可取N=8～16，對(duì)壓力等測(cè)量，可取N=4。
2.2 加權(quán)平均值濾波 算術(shù)平均值法對(duì)每次采樣值給出相同的加權(quán)系數(shù)，即1／N。但有些場(chǎng)合為了改進(jìn)濾波效果，提高系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前所受干擾的靈敏度，需要增加新采樣值在平均值中的比重，即將各采樣值取不同的比例，然后再相加，此方法稱為加權(quán)平均值法。一個(gè)N項(xiàng)加權(quán)平均式為：
常數(shù)C1，C2，…，CN的選取是多種多樣的，其中常用的是加權(quán)系數(shù)法，即：
加權(quán)平均值法適用于系統(tǒng)純滯后時(shí)間常數(shù)τ較大、采樣周期較短的過(guò)程，他給不同的相對(duì)采樣時(shí)間得到的采樣值以不同的權(quán)系數(shù)，以便能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度。但采用加權(quán)平均值法需要測(cè)試不同過(guò)程的純滯后時(shí)間τ，同時(shí)要不斷計(jì)算各權(quán)系數(shù)，增加了計(jì)算量，降低了控制速度，因而他的實(shí)際應(yīng)用不如算術(shù)平均 值法廣泛。
2.3 滑動(dòng)平均值濾波
以上平均濾波算法有一個(gè)共同點(diǎn)，即每計(jì)算1次有效采樣值必須連續(xù)采樣N次。對(duì)于采樣速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速率較高的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，這些方法是無(wú)法使用的。例如A／D數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣速率為每秒10次，而要求每秒輸入4次數(shù)據(jù)時(shí)，則N不能大于2�；瑒�(dòng)平均值法只采樣1次，將本次采樣值和以前的N－1次采樣值一起求平均，得到當(dāng)前的有效采樣值。
滑動(dòng)平均值法把N個(gè)采樣數(shù)據(jù)看成一個(gè)隊(duì)列，對(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每進(jìn)行一次新的采樣，把采樣結(jié)果放入隊(duì)尾，而扔掉原來(lái)隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)列中始終有N個(gè)“最新”的數(shù)據(jù)。計(jì)算濾波值時(shí)，只要把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，就可得到新的濾波值。
滑動(dòng)平均值法對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，靈敏度低；但對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用差，不易消除由于脈沖干擾引起的采樣值的偏差。因此他不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，而適用于高頻振蕩系統(tǒng)。通過(guò)觀察不同N值下滑動(dòng)平均的輸出響應(yīng)來(lái)選取N值，以便既少占用時(shí)間，又能達(dá)到最好的濾波效果。其工程經(jīng)驗(yàn)值為：流量N取12，壓力N取4，液面N取4～12，溫度N取1～4。
2.4 中值濾波
中值濾波是對(duì)某一被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣N次(一般N取奇數(shù))，然后把N次采樣值從小到大，或從大到小排隊(duì)，再取其中間值作為本次采樣值。
中值濾波對(duì)于去掉偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈沖干擾比較有效，對(duì)溫度、液位等變化緩慢的被測(cè)參數(shù)采用此法能收到良好的濾波效果，但對(duì)流量、速度等快速變化的參數(shù)一般不易采用。
2.5 程序判斷濾波
工程實(shí)踐表明，許多物理量的變化都需要一定的時(shí)間，相鄰兩次采樣值之間的變化有一定的限度。程序判斷濾波就是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定出相鄰兩次采樣信號(hào)之間可能出現(xiàn)的最大偏差ΔY，若超出此偏差值，則表明該輸入信號(hào)是干擾信號(hào)，應(yīng)該去掉；若小于此偏差值，可將信號(hào)作為本次采樣值。
當(dāng)采樣信號(hào)由于隨機(jī)干擾，如大功率用電設(shè)備的啟動(dòng)或停止，造成電流的尖峰干擾或誤檢測(cè)，以及變送器不穩(wěn)定而引起的嚴(yán)重失真等，可采用程序判斷法進(jìn)行濾波。
程序判斷濾波根據(jù)濾波方法的不同，可分為限幅濾波和限速濾波2種。
2.5.1 限幅濾波
限幅濾波把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量(以絕對(duì)值表示)，然后與兩次采樣允許的最大差值(由被控對(duì)象的實(shí)際情況決定)ΔY進(jìn)行比較，若小于或等于ΔY，則取本次采樣值；若大于ΔY，則仍取上次采樣值作為本次采樣值。即：
限幅濾波主要用于變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度、物理位置等測(cè)量系統(tǒng)。具體應(yīng)用時(shí)，關(guān)鍵的問(wèn)題是最大允差ΔY的選取，ΔY太大，各種干擾信號(hào)將“乘虛而入”，使系統(tǒng)誤差增大；ΔY太小，又會(huì)使某些有用信號(hào)被“拒之門外”，使計(jì)算機(jī)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(yàn)數(shù)據(jù)獲得，必要時(shí)也可由實(shí)驗(yàn)得出。
2.5.2限速濾波
限速濾波最多可用3次采樣值來(lái)決定采樣結(jié)果，設(shè)順序采樣時(shí)刻t1，t2，t3的采樣值分別為Y(1)，Y(2)，Y(3)，則
限速濾波較為折中，既照顧了采樣的實(shí)時(shí)性，又顧及了采樣值變化的連續(xù)性。但這種方法也有明顯的缺點(diǎn)：
(1)△Y的確定不夠靈活，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況不斷更換新值；
(2)不能反映采樣點(diǎn)數(shù)N＞3時(shí)各采樣值受干擾的情況，因而其應(yīng)用受到一定的限制。具體應(yīng)用時(shí)，可用(|Y(1)-Y(2)|+|Y(2)-Y(3)|)/2作為ΔY，這樣也可基本保持限速濾波的特性，雖增加計(jì)算量，但靈活性提高了。
2.6 復(fù)合數(shù)字濾波
為了進(jìn)一步提高濾波效果，有時(shí)可以把2種或2種以上不同濾波功能的數(shù)字濾波器組合起來(lái)，組成復(fù)合數(shù)字濾波器，或稱多級(jí)數(shù)字濾波器。
例如防脈沖干擾平均值濾波就是一種應(yīng)用實(shí)例，由于這種濾波方法兼顧了中值濾波和算術(shù)平均值濾波的優(yōu)點(diǎn)，所以無(wú)論對(duì)緩慢變化的信號(hào)，還是對(duì)快速變化的信號(hào)，都能獲得較好的濾波效果。
此外，也可采用雙重濾波的方法，即把采樣值經(jīng)過(guò)低通濾波后，再經(jīng)過(guò)一次高通濾波。這樣，結(jié)果更接近理想值，這實(shí)際上相當(dāng)于多級(jí)RC濾波器。
3 結(jié)語(yǔ)
每種濾波算法都有其各自的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，究竟選取哪一種數(shù)字濾波算法，應(yīng)根據(jù)具體的測(cè)量參數(shù)合理的選用。不適當(dāng)?shù)貞?yīng)用數(shù)字濾波，不僅達(dá)不到濾波效果，反而會(huì)降低控制品質(zhì)，甚至失控，這點(diǎn)必須予以注意。
