第7章數(shù)據(jù)處理技術(shù)本章要點(diǎn):引宣1,測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理技術(shù)2,常用的幾種數(shù)字濾波方法3.標(biāo)度變換算法4.查表方法5.本章小結(jié)6.思考題在計算機(jī)控制系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)采集是最基本的一種模式。一般是通過傳感器、變送器把生產(chǎn)過程的各種物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號,然后經(jīng)AD通道或D通道,把數(shù)字量送入計算機(jī)中。計算機(jī)在對這些數(shù)字量進(jìn)行顯示和控制之前,還必須根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理離不開數(shù)值計算,而最基本的數(shù)值計算為四則運(yùn)算。由于控制系統(tǒng)中遇到的現(xiàn)場環(huán)境不同,采集的數(shù)據(jù)種類與數(shù)值范圍不同,精度要求也不一樣,各種數(shù)據(jù)的輸入方法及表示方法也各不相同。因此,為了滿足不同系統(tǒng)的需要,設(shè)計出了許多有效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)方法,如預(yù)處理,數(shù)字濾波,標(biāo)度變換,査表和越限報警等。7.1測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)對測量數(shù)據(jù)的予處理是計算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ),這包括數(shù)字調(diào)零技術(shù)、系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)以及輸入、輸出數(shù)據(jù)的極性與字長的予處理技術(shù)7.1.1系統(tǒng)誤差的自動校準(zhǔn)在控制系統(tǒng)的測量輸入通道中,一般均存在放大器等器件的零點(diǎn)偏移和漂移,會造成放大電路的增益誤差及器件參數(shù)的不穩(wěn)定等現(xiàn)象,它們都會影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,這些誤差都屬于系統(tǒng)誤差。它的特點(diǎn)是在一定的測量條件下,其變化規(guī)律是可以掌握的,產(chǎn)生誤差的原因一般也是知道的。因此,系統(tǒng)誤差是可通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)方法來確定并加以校正的,一般采丿軟件程序進(jìn)行處理,即可對這些系統(tǒng)誤差進(jìn)行自動校準(zhǔn)1數(shù)字調(diào)零零點(diǎn)偏移是造成系統(tǒng)誤差的主要原因之一,因此零點(diǎn)的自動調(diào)整在實(shí)際應(yīng)用中最多,常把這種用軟件程序進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整的方法稱為數(shù)字調(diào)零。多路開關(guān)前置放大器模數(shù)轉(zhuǎn)換器計算機(jī)ADCPU圖7-1數(shù)字調(diào)零電路數(shù)字調(diào)零電路如圖7-1所示。在測量輸入通道中,cPU分時巡回采集1路校準(zhǔn)電路與n路傳感變送器送來的電壓信號。首先是第0路的校準(zhǔn)信號即接地信號,理論上電壓為零的信號,經(jīng)放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)入cPU的數(shù)值應(yīng)當(dāng)為零,而實(shí)際上由于零點(diǎn)偏移產(chǎn)生了一個不等于零的數(shù)值,這個值就是零點(diǎn)偏移值№;然后依次采集1、2、…,n路,每次采集到的數(shù)字量M1、N、…Mh值就是實(shí)際值與零點(diǎn)偏移值№之和。計算機(jī)要進(jìn)行的數(shù)字調(diào)零就是做次減法運(yùn)算,使(N-M)的差值成為本次測量的實(shí)際值。很顯然,采用這種方法,可去掉放大電路、D轉(zhuǎn)換電路本身的偏移及隨時間與溫度而發(fā)生的各種漂移的影響,從而大大降低對這些電路器件的偏移值的要求,降低硬件成本。2.系統(tǒng)校準(zhǔn)上述數(shù)字調(diào)零不能校正由傳感器本身引入的誤差。為了克服這種缺點(diǎn),可采用系統(tǒng)校準(zhǔn)處理技術(shù)。系統(tǒng)校準(zhǔn)的原理與數(shù)字調(diào)零差不多,只是把測量電路擴(kuò)展到包括現(xiàn)場的傳感器,而且不是在每次采集數(shù)據(jù)時都進(jìn)行校準(zhǔn),而是在需要時人工接入標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)測量,把測得的數(shù)據(jù)存儲起來,供以后實(shí)際測量使用。一般自動校準(zhǔn)系統(tǒng)只測一個標(biāo)準(zhǔn)輸入信號R,零點(diǎn)漂移的補(bǔ)償仍由數(shù)字調(diào)零來完成。設(shè)數(shù)字調(diào)零后測得標(biāo)準(zhǔn)輸入信號VR的數(shù)據(jù)為NR測得實(shí)際被測輸設(shè)數(shù)字調(diào)零后測得標(biāo)準(zhǔn)輸入信號R的數(shù)據(jù)為MR,而測得實(shí)際被測輸入信號V時的數(shù)據(jù)為N,則可按如下校準(zhǔn)式來計算v。V(7-1)系統(tǒng)校準(zhǔn)特別適于傳感器特性隨時間會發(fā)生變化的場合。如電容式濕度傳感器,其輸入輸出特性會隨著時間而發(fā)生變化,一般一年以上變化會大于精度容許值,這時可每隔一段時間(例如3個月或6個月),用其它精確方法測出這時的濕度值,然后把它作為校準(zhǔn)值輸入測量系統(tǒng)。在實(shí)際測量濕度時,計算機(jī)將自動用該輸入值來校準(zhǔn)以后的測量值12數(shù)據(jù)極性的預(yù)處理控制系統(tǒng)中處理的信號很多是雙極性的,如溫度壓力、位置、角度信號等。這就要求在實(shí)施控制時,不僅要考慮信號的幅度,還要考慮到信號的極性為此,在對AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)和DA轉(zhuǎn)換前的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理前,必須根據(jù)數(shù)據(jù)的極性先進(jìn)行預(yù)處理,才能保證得到正確的結(jié)果。系統(tǒng)中有的輸入信號是單極性的,而輸出信號則要求是雙極性的,如流量、壓力等控制回路;有的則是要求輸入和輸出信號都是雙極性的,如位置、角度等控制回路。下面就這兩種情況分別加以討論。1.輸入、輸出信號同為雙極性在輸入、輸出都是雙極性信號的控制系統(tǒng)中,程處理的輸入和輸出數(shù)據(jù)不僅反映信號幅度的大小,也反映信號的極性。假設(shè)信號的變化范圍為5V~+5V,信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量為00H~FFH數(shù)字量的最高位D7表示信號的極性。當(dāng)D7=0時,表示輸入信號為負(fù)極性,即數(shù)字量00H~7FH表示-5V~0V的模擬信號;當(dāng)D7=1時,表示輸入信號為正極性即數(shù)字量7FH~FFH表示0V~+5V的模擬信號。在由雙極性信號組成的閉環(huán)定值控制系統(tǒng)中,設(shè)給定信號為月,采樣輸入信號為z,則偏差值E=R-z。因?yàn)镽和z的值對應(yīng)的是雙極性信號,所以偏差值E也是雙極性信號,因此在參加運(yùn)算前也必須進(jìn)行預(yù)處理才能保證最終結(jié)果的正確。預(yù)處理的規(guī)則:如果偏差值的絕對值大于80H(此為無符號數(shù)),則偏差信號取最大值,即信號極性。負(fù)時取00H,信號極性為正時取FFH。否則,將運(yùn)算結(jié)果直接作為偏差信號。2.輸入、輸出信號分為單雙極性在控制系統(tǒng)中,有時會出現(xiàn)輸入信號和給定信號是單極性的,即數(shù)字量00H~FFH對應(yīng)同極性的信號,如0~+5V;而輸出信號則要求是雙極性的,即數(shù)字量00