智能儀器的算法設計揭秘智能儀器的算法利用微處理器的運算功能設計算法來減小測量誤差和提高控制效果，測量與控制算法程序是智能儀器軟件系統的主要組成部分，主要用于實現儀器的測量與控制功能。測量算法利用微處理器對采集的數據進行數據處理，如數字濾波、標度變換、數值計算、邏輯判斷、非線性補償、壓縮、識別、從而消除和削弱測量誤差的影響，提高測量精度。測量結果的數值處理：隨機誤差、系統誤差、粗大誤差的克服方法標度變換算法

非線性補償智能儀器的測量算法與模擬電路相比，智能儀器的數據處理的優點可用程序代替硬件電路，完成多種運算。能自動修正誤差。能對被測參數進行較復雜的計算和處理。能進行邏輯判斷。智能儀器不但精度高，而且穩定可靠，抗干擾能力強。智能儀器實現數據處理的軟件有哪些？匯編語言、C51、VisualBasic、VisualC++、LabVIEW智能儀器的隨機誤差的處理隨機誤差的處理與數字濾波回顧隨機誤差的一些往事什么是隨機誤差？它是怎么產生的？它應該怎么處理？數字濾波器算法程序判斷濾波、中值濾波、算術平均濾波、去極值濾波、遞推平均濾波、加權遞推平均濾波、一階慣性濾波、低通數字濾波、高通數字濾波隨機誤差產生的來源主要有（）測量環境測量方法測量裝置測量人員ABCD提交多選題1分隨機誤差的基本特征為（）對稱性單峰性抵償性有界性ABCD提交多選題1分智能儀器的隨機誤差的處理程序判斷濾波（限幅濾波）

把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量(以絕對值表示)，然后與兩次采樣允許的最大差值(由被控對象的實際情況決定)△y進行比較，若小于或等于△y，則取本次采樣值；若大于△y，則仍取上次采樣值作為本次采樣值，即：

|Y(k)－Y(k－1)|≤△y，則Y(k)=Y(k)，取本次采樣值；

|Y(k)－Y(k－1)|>△y，則Y(k)=Y(k－1)，取上次采樣值。式中：Y(k)——第k次采樣值；

Y(k－1)——第(k－1)次采樣值；△y——相鄰兩次采樣值所允許的最大偏差，取決于采樣周期T及采樣值Y的動態響應。智能儀器的隨機誤差的處理限幅濾波主要用于變化比較緩慢的參數，如溫度、物位等測量系統。門限值△y的選取是非常重要的，通常可根據經驗數據獲得，必要時也可由實驗得出。智能儀器的隨機誤差的處理中值濾波中值濾波是對某一參數連續采樣N次(N取奇數)，然后把N次采樣值順序排列，再取中間值作為本次采樣值。中值濾波對于去掉由于偶然因素引起的波動或采樣器不穩定所引起的脈沖干擾十分有效。對緩慢變化的過程變量采用此法有良好的效果，但不宜用于快速變化的過程參數(如流量)。

智能儀器的隨機誤差的處理算術平均值濾波算術平均值濾波就是連續取N個采樣值進行算術平均。其數學表達式為：N的取值問題：N值較大時：信號平滑度較高，但靈敏度較低N值較小時：信號平滑度較低，但靈敏度較高N值的選取：一般流量，N=12；壓力：N=4

智能儀器的隨機誤差的處理遞推平均值濾波算術平均值濾波的缺點是什么？把N個測量數據y1、y2．．．、yN看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每進行一次新的測量，把測量結果作為隊尾的yN，而扔掉隊首的y1，這樣在隊列中始終有N個“最新”數據。計算濾波值時，只要把隊列中的N個數據進行算術平均，就可以得到新的濾波值，這樣，每進行一次測量，就可以計算得到一個新的平均濾波值。智能儀器的隨機誤差的處理遞推平均值濾波對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，靈敏度低；適用于高頻震蕩系統。

靈敏度低

對偶然出現的脈沖性干擾的抑制作用較差

不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差

不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合，或要求數據

計算速度較快的實時控制不適用

比較浪費RAM

缺點智能儀器的隨機誤差的處理加權遞推平均值濾波算術平均值濾波和遞推平均值濾波的缺點是什么？為了提高濾波效果，可將各次采樣值取不同的比例系數后再相加，這種方法被稱為加權平均濾波法。其運算關系式為ci為加權系數，對它的選取應滿足：適用于有較大純滯后的時間常數和采樣周期短的系統。智能儀器的隨機誤差的處理一階慣性濾波（低通數字濾波）

分析Tf

對濾波的影響。模仿RC濾波器的特性參數，用軟件做成低通濾波器，實現一階慣性濾波。智能儀器的隨機誤差的處理一階慣性濾波（低通數字濾波）Tf和T分別為濾波時間常數和采樣周期，α可以由實驗確定，只要使被測信號不產生明顯的紋波即可。不足之處：相位滯后、靈敏度低。不能濾出頻率高于采樣頻率二分之一的干擾信號。低通濾波器對濾除變化非常緩慢的被測信號干擾是很有效的。

智能儀器的隨機誤差的處理高通數字濾波復合數字濾波為了進一步提高濾波效果，有時可以把兩種和兩種以上不同濾波功能的數字濾波器組合起來，構成復合數字濾波器，或稱多級數字濾波器。智能儀器的隨機誤差的處理隨機誤差的處理與數字濾波數字濾波——軟件濾波和硬件濾波相比，數字濾波具有以下優點無需增加硬件設備，可多通道共享一個濾波器(多通道共同調用一個濾波子程序)，降低了成本。各回路間不存在阻抗匹配等問題，故可靠性高，穩定性好。可以對頻率很低的信號(如0.01Hz以下)進行濾波可根據需要選擇不同的濾波方法或改變濾波器的參數，使用方便、靈活。下面哪種數字濾波算法可以抑制零均值隨機干擾（）滑動平均濾波法算術平均濾波法中值濾波法去極值平均濾波法ABCD提交多選題1分利用分析儀表測量流體的成分，該系統存在較大純滯后，對于該系統的隨機誤差采用（）數字濾波方法處理。中值濾波算術平均濾波加權遞推平均濾波一階慣性濾波ABCD提交單選題1分智能儀器的系統誤差的處理回顧系統誤差的一些往事什么是系統誤差？系統誤差是怎么產生的？測量裝置測量方法環境方面測量人員方面下列誤差屬于系統誤差的是（）儀器內部存在摩擦和間隙等不規則變化造成的誤差量筒刻度讀數誤差造成的誤差測量系統突發故障造成的誤差測量電流的儀表指針零點偏移造成的誤差ABCD提交單選題1分系統誤差的特點包括以下（）可測性單向性重復性正態性ABCD提交多選題1分3.智能儀器的系統誤差產生于哪里？智能儀器的系統誤差主要產生模擬通道中。誤差的原因是模擬通道器件和內部基準源等部件的電路狀態和參數偏離標準值，隨溫度和時間產生漂移。這種偏離和漂移集中反映在零點漂移和倍率變化上。智能儀器的系統誤差的處理等效零點漂移電壓倍率系數變化以下各種措施，可以消除分析測試中系統誤差的是（

）進行儀器校正增加測定次數增加稱樣量提高測試人員水平ABCD提交單選題1分4.系統誤差應該怎么消除或克服？智能儀器的系統誤差的處理利用誤差模型修正系統誤差；通過離散數據修正系統誤差；

校準數據表修正法智能儀器的系統誤差的處理利用誤差模型修正系統誤差理論分析建立系統誤差的模型確定校正系統誤差的算法系統誤差校正干擾或零漂偏置電流帶有誤差的測量值從輸出端y引入輸入端的反饋量智能儀器的系統誤差的處理利用誤差模型修正系統誤差在無誤差的理想情況下

有誤差的情況智能儀器的系統誤差的處理利用誤差模型修正系統誤差推出簡化形式修正公式修正因子求b1、b0智能儀器的系統誤差的處理利用誤差模型修正系統誤差①零點校準先令輸入端短路，即S1閉合，此時有智能儀器的系統誤差的處理利用誤差模型修正系統誤差②增益校準。令輸入端接上標準電壓，即S2閉合，此時有x=E，其輸出為智能儀器的系統誤差的處理利用誤差模型修正系統誤差求出兩個誤差因子為③實際測量。令S3閉合，此時得到輸出為y（結果），被測量的真值智能儀器的系統誤差的處理利用離散數據修正系統誤差離散數據近似校正模型簡化數學模型逼近法代數插值法最小二乘法智能儀器的系統誤差的處理利用離散數據修正系統誤差1.代數插值

要找到一個函數

，，使得

在

處與

相等。-----插值問題。就是的插值函數，稱為插值點。智能儀器的系統誤差的處理利用離散數據修正系統誤差怎么選擇合適的？多項式、對數函數、指數函數、三角函數等。多項式是最容易計算的一類函數。選擇為n次多項式，并記為n次多項式為去逼近

f(x)，使Pn(x)在節點

xi處滿足未知數

n的選取多項式的次數由逼近精度來確定n越高，精度越高，計算工作量也越大線性插值：函數關系接近線性拋物線插值：函數關系是拋物線關系分段插值多項式插值多項式次數還與自變量范圍有關，自變量的允許范圍越大（即插值區間越大），達到同樣精度的多項式次數也就越高n的選取多項式的次數由逼近精度來確定n越高，精度越高，計算工作量也越大智能儀器的系統誤差的處理案例分析：0～490℃的鎳鉻—鎳鋁熱電偶分度表如表。若允許的校正誤差小于3℃，分析能否用直線方程進行非線性校正。智能儀器的系統誤差的處理利用離散數據修正系統誤差(1)線性插值：從一組數據（xi,yi）中選取兩個有代表性的點（x0,y0）和（x1,y1），然后根據插值原理，求出插值方程Vi=|P1(Xi)－f(Xi)|,i=1,2,…,n，若在x的全部取值區間[a,b]上始終有Vi＜ε(ε為允許的校正誤差)，則直線方程P1(x)=a1x+a0就是理想的校正方程。智能儀器的系統誤差的處理線性插值法分析：①

取A（0,0）和B（20.21,490）兩點②

按線性插值公式，求得a1=24.245，a0=0，

P1(x)=24.245x，此即為直線校正方程。③

分析是否滿足誤差精度要求：最大校正誤差在

x=11.38mV時，此時P1(x)=275.91。計算誤差為4.09℃。注：在240～360℃范圍內校正誤差均大3℃。用直線方程進行非線性校正不能滿足準確度要求。智能儀器的系統誤差的處理(2)拋物線插值（二階插值）

在一組數據中選取（x0,y0），（x1,y1），（x2,y2），插值方程①

選擇（0，0），（10.15，250）和（20.21，490）三點②

按二階插值公式，得：

③

分析是否滿足誤差精度要求：

每點誤差均不大于3℃，最大誤差發生在130℃處，誤差值為2.277℃。

智能儀器的系統誤差的處理（2）二階插值方法分析智能儀器的系統誤差的處理（3）分段插值法對于系統誤差非線性程度嚴重或存在較寬測量范圍時，可采用分段直線方程來進行校正。分段后的每段非線性曲線用一個直線方程來校正，即：

分段節點之間距離是否相等等距節點：非線性特性曲線曲率變化不大的場合。非等距節點：曲率變化大和切線斜率大的非線性曲線智能儀器的系統誤差的處理①

選擇（0，0），（10.15，250）和（20.21，490）三點②

利用分段插值公式③

誤差分析：第一段的最大誤差發生在130℃處，誤差值為1.278℃；第二段最大誤差發生在340℃處，誤差1.212℃。與整個范圍內使用拋物線插值法相比，最大誤差減小約1℃。（3）分段插值法分析智能儀器的系統誤差的處理2.擬合法---最小二乘法

設被逼近函數為f(xi)，逼近函數為g(xi)，xi為x上的離散點，逼近誤差為令

使Ψ最小，即在最小二乘意義上使V（xi）最小化。

---最小二乘法原理。智能儀器的系統誤差的處理

設一組測試數據，要求出一條最能反映這些數據點變化趨勢的直線，設最佳擬合直線方程為a1、a0為直線方程系數，求出直線方程系數a1、a0。令

有

(1)直線擬合法根據最小二乘原理，求取系數aj的最佳估計值，應使誤差的平方和最小。智能儀器的系統誤差的處理分別對α1、α0求偏導數，并令其為0，得聯立求解，得(1)直線擬合法智能儀器的系統誤差的處理(2)曲線擬合

自變量x與因變量y之間的單值非線性關系由自變量x的高次多項式來逼近對于n個實驗數據對（xi，yi）（i=1，2，…，n），則可得如下n個方程智能儀器的系統誤差的處理(2)曲線擬合解即為aj（j=0，…，m）的最佳估計值智能儀器的系統誤差的處理上題取三點（0，0），（10.15，250），（20.21，490），采用分段直線擬合，擬合系數用最小二乘法求取。在3個節點之間求出兩段直線方程：根據最小二乘法直線擬合系數公式，分別求出第一段直線最大絕對誤差在130℃，誤差0.836℃；第二段最大絕對誤差在250℃，誤差為0.925℃【作業】利用MATLAB復現前文的例子，分別利用線性插值、拋物線插值、分段插值以及曲線擬合的方法進行結果驗證。智能儀器的系統誤差的處理智能儀器的系統誤差的處理利用標準數據校正系統誤差

利用實際的校正手段來求得校正數據，然后把校正數據以表格形式存入內存。實時測量中，通過查表來求得修正的測量結果。

獲取校正數據建立表格實際測量查表校正智能儀器的系統誤差的處理利用標準數據校正系統誤差（1）在儀器的輸入端逐次加入已知的標準電壓

x1、x2、．xn，并測出儀器對應的輸出量y1、y2、．．．yn。（2）將輸出量y1、y2、．．yn存入存儲器中，它們的地址分別與x1、x2、．xn對應，這就建立了一張校正數據表。（3）實際測量。

智能儀器的系統誤差的處理利用標準數據校正系統誤差

智能儀器的系統誤差的處理實例分析：MF53-1型NTC熱敏電阻非線性校正⑴串聯并聯補償電路⑵實測獲得校正數據標準溫度x（℃）A/D轉換值y0.02F1H2.02D3H4.02B5H6.0296H8.0277H10.0257HTR-20℃22K50℃補償后曲線1.15KR1R2RtX=26CH=620y=?X0=277H=631,

y0=8X1=257H=599,

y1=10智能儀器的系統誤差的處理實例分析：MF53-1型NTC熱敏電阻非線性校正⑴串聯并聯補償電路⑵實測獲得校正數據標準溫度x（℃）A/D轉換值y0.02F1H2.02D3H4.02B5H6.0296H8.0277H10.0257HTR-20℃22K50℃補償后曲線1.15KR1R2Rt智能儀器的自動補償儀器零位誤差和增益誤差的校正方法1．零位誤差的校正方法(在每一個測量周期的測量過程中)①把輸入接地，此時輸出即為零位輸出No，No存于內存。②輸入接Vx，測得Nx。零位校正后Vx=Nx-No

模擬通道的內部自校準原理圖假設零位誤差是恒定的如果零位誤差是變化的呢？智能儀器的系統誤差的處理儀器零位誤差和增益誤差的校正方法2．增益誤差的自動校正方法測量時，根據測量結果和校正模型求取校正值，從而消除誤差。其基本思想是測量基準參數。需要校正時，先將開關接地，所測數據為No，然后把開關接到Vr，所測數據為Nr，存儲No和Nr。輸入接Vx，測得Nx。智能儀器的系統誤差的處理儀器零位誤差和增益誤差的校正方法2．增益誤差的自動校正方法這種校正方法測得信號與放大器的漂移和增益變化無關，降低了對電路器件的要求，達到與Vr等同的測量精度，但增加了測量時間。智能儀器的系統誤差的處理系統的非線性校正方法傳感器非線性特性的解析式A/D轉換器輸出反函數對應于

的校正函數

智能儀器的系統誤差的處理系統的非線性校正方法表示儀器溫度誤差的數學模型，通過理論分析或實驗建立。例如：

智能儀器的系統誤差的處理系統的非線性校正方法例：某測溫熱敏電阻的阻值與溫度之間的關系為

RT為熱敏電阻在溫度為T的阻值

α和β為常數1.44×10-6和4016K。TR利用校正函數法求出與被測量T呈線性關系的校正函數Z案例之一：熱電偶溫度測量系統如何在系統中將電壓值轉換成實際溫度值呢？放大器AD轉換器單片機計算智能儀器測量數據的標度變換溫度傳感器信號調理信號調理AD轉換器單片機11101011這些數碼到底代表什么？智能儀器測量數據的標度變換硬件實現方法軟件實現法實物定標法綜合實現法線性標度變換公式變換法多項式變換公式將傳感器和AD轉換后得到的一系列數碼轉換為帶有量綱的數值后才能顯示或打印輸出，這種轉換就是工程量變換，又稱標度變換。智能儀器測量數據的標度變換線性標度變換法假設包括傳感器在內的整個數據采集系統是線性的，被測物理量的變化范圍為A0~Am，物理量的實際測量值為Ax，而A0對應的數字量為N0，Am對應的數字量為Nm，Ax對應的數字量為Nx。則標度變換公式為式中，A0、Am、N0、Nm對于某一固定的參數，或者儀器的某一量程來說，均為常數，可以事先存入計算機。智能儀器測量數據的標度變換線性標度變換法已知某智能溫度測量儀的溫度傳感器是線性的，溫度測量范圍為10～100℃，ADC轉換位數為8位。對應溫度測量范圍，ADC轉換結果范圍為0～FFH，被測溫度對應的ADC轉換值為28H，求其標度變換值。℃

智能儀器測量數據的標度變換公式變換法

實際中許多智能儀器所使用的傳感器都是非線性的，如果傳感器輸出信號與被測物理量之間有明確的數學關系，可以直接利用該數學關系式進行標度變換。例如，利用節流裝置測量流量時，流量與節流裝置兩邊的差壓之間有以下關系式中：G為流量（即被測量）；

k為系數（與流體的性質及節流裝置的尺寸有關）；ΔP為節流裝置兩邊的差壓。智能儀器測量數據的標度變換多項式變換法若傳感器測出的數據與實際的參數為非線性關系，它們的函數關系無法用一個簡單式表示，或者該解析式難以直接計算。這種情況怎么解決呢？沒有解析式，我們還有離散的數據，有了數據我們可以插值呀！某智能溫度傳感器采用8位ADC，測量范圍200℃~1000℃對應的數字量為0~FFH（255D），假設被測溫度與數字量之間的關系處理已經呈線性，則儀器在某一時刻采集到的數字量為E9H時所對應的溫度測量值是[填空1]℃？（取整數）作答填空題1分測量算法非數值運算查表排序數值運算隨機誤差限幅濾波濾波中值濾波平均值濾波算術平均值遞推平均值加權遞推平均值低通濾波高通濾波系統誤差誤差修正模型離散數據代數插值最小二乘法校正數據粗大誤差拉伊達準則格拉布斯準則標度變換線性標度（公式）非線性標度智能儀器的多傳感器信息融合控制和信息融合計算機自主移動裝配機器人裝配機械手力覺傳感器觸覺傳感器視覺傳感器超聲波傳感器激光測距傳感器智能儀器的多傳感器信息融合控制和信息融合計算機自主移動裝配機器人裝配機械手力覺傳感器觸覺傳感器視覺傳感器超聲波傳感器激光測距傳感器怎么能利用視覺1、2及超聲波傳感器進行地標識別呢？智能儀器的多傳感器信息融合視覺1

視覺2超聲波測距紅外傳感器融合定位多傳感器信息融合充分利用不同的時間與空間的多傳感器數據資源，采用計算機技術按時間序列獲得多傳感器觀測數據，在一定準則下進行分析、綜合支配和使用，獲得對被測對象的一致性解釋與描述，進而實現相應的決策和估計，使系統獲得比它的各組成部分更充分的信息。智能儀器的多傳感器信息融合（1）硬件基礎—多個或多類傳感器系統（2）加工對象—多源信息（3）處理技術—計算機技術（算法）（4）融合目的—導出更豐富的有效信息，獲得最佳協同效果，發揮多個傳感器的聯合優勢，提高傳感器系統的有效性和魯棒性，消除單一傳感器的局限性。（5）信息融合的特性—時、空特性和系統性智能儀器的多傳感器信息融合20世紀70年代末，多傳感器數據融合迅速發展→成為獨立的學科，并在軍事、民用領域得到了廣泛的應用。現代戰爭要求各作戰平臺能互相支援，通力協作，以形成一個緊密結合的整體，最大限度地發揮整體合力。美軍把信息融合作為發展各分系統的最基本要求，指出如果一個分系統不能融入到整個網絡中，并與其他的系統互操作，那么它就不可能被采用。軍事領域智能儀器的多傳感器信息融合

軍事需求

隨著新型武器（精確制導、遠程打擊等）的出現→戰場范圍擴大（五維空間）→必須應用多傳感器系統：微波、毫米波、電視、紅外、激光、電子支援措施（ESM），以及電子情報技術→提供觀測數據→優化綜合→實時發現目標獲取目標狀態估計識別目標屬性分析行為意圖態勢評估威脅分析提供火力控制、精確制導、電子對作戰模式和輔助決策等作戰信息智能儀器的多傳感器信息融合戰區導彈防御系統飛行目標跟蹤虛擬戰場戰場監測士兵機器人智能儀器的多傳感器信息融合民用領域機器手跳舞機器人星球車遙感遙測智能交通無土栽培智能儀器的多傳感器信息融合多傳感器信息融合的融合過程信號獲取數據預處理特征提取融合計算提高信噪比數據相關技術估計理論識別技術智能儀器的多傳感器信息融合智能儀器的控制算法加熱棒加熱至50℃小車加速至50km/h控制算法的作用可以將需要控制的物理量帶到目標附近

可以預見這個量的變化趨勢

可以消除因為散熱、阻力等因素造成的靜態誤差。智能儀器的PID算法什么是PID調節器？PID就是對輸入的偏差（設定值與被調量之間的差值）進行比例、積分、微分運算，運算的疊加結果去控制執行機構工作。智能儀器的PID算法1.

模擬PID調節器PID調節器是一種線性調節器，它是將設定值w與系統被控參數的實際值y進行比較構成控制偏差ee=w-y并將其比例、積分、微分通過線性組合構成控制量。所以簡稱為P(比例)I(積分)D(微分)調節器。模擬PID控制原理圖Ki/s對象+++Kds-weyKp+u智能儀器的PID算法1.模擬PID調節器PID調節器的微分方程:輸入為誤差信號e(t),輸出為控制量u(t)。智能儀器的PID算法1.模擬PID調節器

(1).比例調節器:控制規律：傳遞函數：

對于具有自平衡的對象(即對階躍響應終值為有限值的對象)存在靜差(穩態誤差)，加大比例系數K可以減小靜差，但不能消除。加大比例系數K，一般將加快系統的響應，但K過大會使動態品質變壞，引起被控制量振蕩劇烈超調很大，甚至閉環不穩定。

比例調節作用及時，偏差一旦產生，立即產生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向變化。

智能儀器的PID算法1.模擬PID調節器(2).比例積分調節器控制規律：傳遞函數：

積分調節作用滯后,積分調節作用可以消除比例調節中殘存的靜差，增大

,將減慢消除靜差的過程，但可減小超調和振蕩，提高系統的平穩性(相對穩定性)。智能儀器的PID算法1.模擬PID調節器

微分調節作用超前，按偏差的變化率產生控制作用，阻止偏差的變化，偏差變化越快校正量則越大，故微分作用的加入有助于減小超調，克服振蕩，使系統趨于穩定。(3).比例積分微分調節器:控制規律：傳遞函數：PID的過去、現在和將來現在：P—比例控制系統的響應快速性，快速作用輸出。（作用就是“快”）過去：I—積分控制系統的準確性，消除過去的累積誤差（清除過去積怨，回到準確軌道）將來：D-微分控制系統的穩定性，具有