计算机测控技术与系统第4章-计算机测控系统的数据处理课件.ppt
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- 计算机 测控 技术 系统 数据处理 课件
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1、2022-7-281第第4 4章章 计算机测控系统的数据处理计算机测控系统的数据处理学习目标:学习目标:l了解测控系统中误差校正和量程切换的基本方了解测控系统中误差校正和量程切换的基本方法法l掌握测控系统中线性标度变化的方法掌握测控系统中线性标度变化的方法l掌握测控系统中常用的数字滤波方法掌握测控系统中常用的数字滤波方法l了解目前工业测控系统中常用的非线性校正方了解目前工业测控系统中常用的非线性校正方法法2022-7-2824.1 4.1 误差校正与量程切换误差校正与量程切换1 1.软件校正方法软件校正方法(1 1)系统误差的全自动校正方法)系统误差的全自动校正方法 校准电路原理如图,其输入部
2、分设有一个多路转换开关,系统在刚上校准电路原理如图,其输入部分设有一个多路转换开关,系统在刚上电时或每隔一定时间,自动校准一次。具体方法是:先将开关接地,测出电时或每隔一定时间,自动校准一次。具体方法是:先将开关接地,测出零输入时的测量输入值零输入时的测量输入值X X0 0;然后将开关接基准电压;然后将开关接基准电压V VR R,测出此时的测量输,测出此时的测量输入值入值X X1 1,注意,注意:X:X0 0、X X1 1是与实际输入值对应的含有误差的输入测量信号。是与实际输入值对应的含有误差的输入测量信号。2022-7-283 如果测量输入信号如果测量输入信号X X与系统实际输入值与系统实际
3、输入值Y Y的关系是线性的,即:的关系是线性的,即:Y=Y=a+bXa+bX ,可得到两个误差方程可得到两个误差方程010bxabxaVR解上面的方程组,有解上面的方程组,有 100 xxxVaR01xxVbR从而可得到对实际输入值的校正公式从而可得到对实际输入值的校正公式010)(xxxxVyR式中式中X X为测控系统正常工作时与实际输入值对应的输入测量信号。校正后的为测控系统正常工作时与实际输入值对应的输入测量信号。校正后的Y Y值与放大器的零点漂移产生的放大电路增益变化无关,与基准电压值与放大器的零点漂移产生的放大电路增益变化无关,与基准电压V VR R的精度的精度也无关,就是测控系统的
4、实际输入值,不含有系统误差。也无关,就是测控系统的实际输入值,不含有系统误差。按照上式编写程序,在每个采样周期都计算按照上式编写程序,在每个采样周期都计算Y Y值,便是不含有系统误差值,便是不含有系统误差的实际采样值。的实际采样值。2022-7-284(2 2)随机误差的软件校正方法)随机误差的软件校正方法 随机误差是测量误差的一部分,虽然不知道其大小和符号,但在相同随机误差是测量误差的一部分,虽然不知道其大小和符号,但在相同条件下对同一稳定被控量的多次重复测量中,它们的分布常常满足一定的条件下对同一稳定被控量的多次重复测量中,它们的分布常常满足一定的统计规律,大多可以用正态分布来描述。因此具
5、有单峰性、对称性、有界统计规律,大多可以用正态分布来描述。因此具有单峰性、对称性、有界性和抵偿性。性和抵偿性。随机误差的抵偿性是指随着测量次数的增加,其正、负误差之和趋近随机误差的抵偿性是指随着测量次数的增加,其正、负误差之和趋近于零。于零。因此用多次测得值的算术平均值作为被控量的实际值,能减小随机误因此用多次测得值的算术平均值作为被控量的实际值,能减小随机误差的影响。差的影响。niiyny11设对同一被控量重复测了设对同一被控量重复测了n n次,一般应使次,一般应使 n6n6,测得值为,测得值为 Y Yi i,平均值为,平均值为2022-7-285(3 3)粗大误差的校正方法)粗大误差的校正
6、方法 既然粗大误差是一种错误,就必须将错误数据删除。但删除错误数据既然粗大误差是一种错误,就必须将错误数据删除。但删除错误数据必须有充分理由,不能随心所欲任意删除。审查数据要借助于误差理论。必须有充分理由,不能随心所欲任意删除。审查数据要借助于误差理论。审查数据时,先计算测量值标准偏差审查数据时,先计算测量值标准偏差s s,再根据测量次数,确定该组,再根据测量次数,确定该组测量值的残差最大限测量值的残差最大限VmaxVmax,若一组测量值中各测量值的残差,若一组测量值中各测量值的残差ViVi中某一个的中某一个的绝对值大于绝对值大于VmaxVmax,那么该数据就是坏数据,应该从测量值中删除,然后
7、再,那么该数据就是坏数据,应该从测量值中删除,然后再重新求平均值、标准偏差,再重新审查数据,直至测量值中无坏数据为止。重新求平均值、标准偏差,再重新审查数据,直至测量值中无坏数据为止。审查数据好坏所依据的准则有拉依达准则、肖维勒准则和格拉布斯准审查数据好坏所依据的准则有拉依达准则、肖维勒准则和格拉布斯准则,由于测量数据少于则,由于测量数据少于1010个时,拉依达准则无效,因此目前很少用该准则。个时,拉依达准则无效,因此目前很少用该准则。肖维勒准则计算最大残差肖维勒准则计算最大残差它给出的残差最大限为它给出的残差最大限为sCvnmax式中式中s为标准偏差为标准偏差Cn称为肖维勒系数,它与测量次数
8、有关,用如下的拟合公式计算:称为肖维勒系数,它与测量次数有关,用如下的拟合公式计算:3300/22.184.2/)69.1ln(nnCn2022-7-286 格拉布斯准则计算最大残差格拉布斯准则计算最大残差它给出的残差最大限为它给出的残差最大限为sCvnmax式中式中s为标准偏差为标准偏差Cn称为格拉布斯系数,它也与测量次数有关,用如下的拟合公式计算:称为格拉布斯系数,它也与测量次数有关,用如下的拟合公式计算:305.131.2)65.2ln(30nGnn时,55036.130.2)3ln(30nnGnn时,式中式中n也为测量次数。也为测量次数。2022-7-2872 2.量程量程自动切换自动
9、切换 在微机测控系统中,往往是多个模拟量输入,由于各路在微机测控系统中,往往是多个模拟量输入,由于各路信号的幅值差别较大,从微伏级到伏级,要想通过一个放大信号的幅值差别较大,从微伏级到伏级,要想通过一个放大器放大到器放大到A/DA/D转换器输入要求的标准电压,就提出了对各路采转换器输入要求的标准电压,就提出了对各路采集信号有不同放大倍数的要求。集信号有不同放大倍数的要求。对于单通道的测控系统,如果放大器的放大倍数相同,对于单通道的测控系统,如果放大器的放大倍数相同,若输入信号变化范围大,则小信号也将得不到有效放大。因若输入信号变化范围大,则小信号也将得不到有效放大。因此最好能根据采集的被控量的
10、信号范围,自动地选择合适的此最好能根据采集的被控量的信号范围,自动地选择合适的放大倍数,以切换到合适的量程。放大倍数,以切换到合适的量程。可以采用可编程增益放大器(可以采用可编程增益放大器(Programmable Gain Programmable Gain AmplifierAmplifier),简称),简称PGAPGA,实现量程的自动切换。,实现量程的自动切换。2022-7-288(1 1)集成)集成PGA102PGA102 PGA102 PGA102是一种高速、数控增益可编程放大器。由三部分组成:是一种高速、数控增益可编程放大器。由三部分组成:3 3通道可通道可转换输入运算放大器;精密
11、电阻网络;增益转换输入运算放大器;精密电阻网络;增益/通道选择电路。通道选择电路。用户可通过程序控制脚用户可通过程序控制脚1 1和脚和脚2 2的电平,来选择增益为的电平,来选择增益为1 1、1010、100100。每种。每种增益均有独立的输入端,通过一个多路开关进行选择。增益均有独立的输入端,通过一个多路开关进行选择。2022-7-289(2 2)AD612/614 AD612/614数控增益测量放大器数控增益测量放大器 AD612/614 AD612/614是美国是美国ADAD公司生产的数控增益测量放大器。它采用三运放结公司生产的数控增益测量放大器。它采用三运放结构,增益控制方式有两种:一是
12、数控增益,二是外接电阻可调增益。构,增益控制方式有两种:一是数控增益,二是外接电阻可调增益。数控增益利用片内的精密电阻网络获得的。当脚数控增益利用片内的精密电阻网络获得的。当脚3 31010分别与脚分别与脚1 1相连时,相连时,按二进制关系建立增益。按二进制关系建立增益。2022-7-2810(3 3)基于)基于PGAPGA的数字电压表的数字电压表 在数字电压表中,其测量电压范围可从几个微伏到几百伏,对于这样大在数字电压表中,其测量电压范围可从几个微伏到几百伏,对于这样大的测量动态范围,要想提高测量精度,必须进行量程转换。在智能化数字电的测量动态范围,要想提高测量精度,必须进行量程转换。在智能
13、化数字电压表中,采用可编程增益放大器和微机,可以很方便地实现量程自动转换。压表中,采用可编程增益放大器和微机,可以很方便地实现量程自动转换。2022-7-28114.2 4.2 标度变换标度变换 在微机测控系统中,各种被测参数都有不同的物理量纲,在微机测控系统中,各种被测参数都有不同的物理量纲,如电压的单位为如电压的单位为V V,电流的单位为,电流的单位为A A,温度的单位为,温度的单位为,压力,压力的单位为的单位为PaPa等。这些参数经过传感器与变送器转换成等。这些参数经过传感器与变送器转换成A/DA/D转换转换器所能接收的器所能接收的0 05V5V统一电压信号,又由统一电压信号,又由A/D
14、A/D转换器转换后得转换器转换后得到一个不带量纲的数字量,该数字量仅表示原参数的大小,到一个不带量纲的数字量,该数字量仅表示原参数的大小,并不带有原参数的物理量纲,为了进一步显示、打印、记录并不带有原参数的物理量纲,为了进一步显示、打印、记录以及报警等,必须把这些数字量转换成带有原参数物理量纲以及报警等,必须把这些数字量转换成带有原参数物理量纲的数据,供操作人员对生产过程进行监视和管理,这种转换的数据,供操作人员对生产过程进行监视和管理,这种转换称为标度变换。称为标度变换。2022-7-28121 1.线性线性参数的标度变换参数的标度变换 所谓线性参数所谓线性参数,是指被测参数与是指被测参数与
15、A/DA/D转换结果之间为线性转换结果之间为线性关系,线性参数标度变换是最常用的变换方法。关系,线性参数标度变换是最常用的变换方法。0000()xxmmNNYYYYNN式中,式中,YxYx表示被测参数值,表示被测参数值,YmYm表示检测被测参数所用仪表的表示检测被测参数所用仪表的最大值,最大值,Y0Y0表示检测被测参数所用仪表的最小值,表示检测被测参数所用仪表的最小值,NmNm表示表示Ym Ym 对应的对应的A/DA/D转换后的数字量,转换后的数字量,N0N0表示表示Y0Y0对应的对应的A/DA/D转换后的数转换后的数字量,字量,NxNx表示表示YxYx对应的对应的A/DA/D转换后的数字量。
16、转换后的数字量。2022-7-28132.2.非线性非线性参数的标度变换参数的标度变换 当传感器检测出的数据与实际被测参数之间不是线性关当传感器检测出的数据与实际被测参数之间不是线性关系时,其标度变换公式应根据具体问题具体分析。系时,其标度变换公式应根据具体问题具体分析。首先应求出它们之间所对应的函数关系,如果这种函数首先应求出它们之间所对应的函数关系,如果这种函数关系可以用解析式来表示,就可以直接求出它所对应的标度关系可以用解析式来表示,就可以直接求出它所对应的标度变换公式来进行计算。变换公式来进行计算。例如,在流量测量中,实际流量例如,在流量测量中,实际流量G G与差压变送器来的差压信号与
17、差压变送器来的差压信号PP之间之间成平方根关系,即:成平方根关系,即:GKP式中,式中,K K为刻度系数,与流体的性质及节流装置的尺寸有关。为刻度系数,与流体的性质及节流装置的尺寸有关。2022-7-2814 由于流体的流量与被测流体流经节流装置时前后的压力差的平方根成由于流体的流量与被测流体流经节流装置时前后的压力差的平方根成正比,于是可以得到测量流量时的标度变换公式为:正比,于是可以得到测量流量时的标度变换公式为:00000000()xxmmxxmmKNKNGGGGKNKNNNGGGGNN式中,式中,GxGx为被测流量;为被测流量;GmGm为流量传感器的上限值;为流量传感器的上限值;G0G
18、0为流量传感器的下限为流量传感器的下限值;值;NxNx为与为与GxGx对应的差压变送器所测得的差压值经对应的差压变送器所测得的差压值经A/DA/D转换后的数字量;转换后的数字量;NmNm为与差压变送器上限对应的为与差压变送器上限对应的A/DA/D转换后的数字量;转换后的数字量;N0N0为与差压变送器下为与差压变送器下限对应的限对应的A/DA/D转换后的数字量。该式为流量测量中标度变换的通用表达式。转换后的数字量。该式为流量测量中标度变换的通用表达式。对于流量测量,一般下限均取对于流量测量,一般下限均取0 0,所以此时,所以此时G0=0G0=0,N0=0N0=0,故上式变为:,故上式变为:mxm
19、xNNGG 2022-7-28154.3 4.3 非线性校正方法非线性校正方法 在数据采集与处理系统中,一般总希望传感器的输出和在数据采集与处理系统中,一般总希望传感器的输出和输入呈简单的线性关系,这样当用仪表来检测和显示测控系输入呈简单的线性关系,这样当用仪表来检测和显示测控系统中的某个物理量时,能得到均匀的刻度,不仅读数看起来统中的某个物理量时,能得到均匀的刻度,不仅读数看起来清楚方便,而且仪表在整个范围内灵敏度一致。但是在实际清楚方便,而且仪表在整个范围内灵敏度一致。但是在实际工程中,计算机从模拟量输入通道得到的现场信号与该信号工程中,计算机从模拟量输入通道得到的现场信号与该信号所代表的
20、被测物理量之间不一定是线性关系,经常存在着非所代表的被测物理量之间不一定是线性关系,经常存在着非线性关系。例如,在温度测量中,热电阻及热电偶与温度之线性关系。例如,在温度测量中,热电阻及热电偶与温度之间就存在着非线性关系;在流量测量中,流经孔板的差压信间就存在着非线性关系;在流量测量中,流经孔板的差压信号与流量之间也是非线性关系。为了保证这些参数能有线性号与流量之间也是非线性关系。为了保证这些参数能有线性输出,需要进行非线性校正,将输出信号与被测物理量之间输出,需要进行非线性校正,将输出信号与被测物理量之间的非线性关系变为线性关系。的非线性关系变为线性关系。2022-7-28161 1.查表查
21、表法法 计算机测控系统中,有一些非线性参数不能用一般算术计算机测控系统中,有一些非线性参数不能用一般算术运算求出,有的还涉及到指数、对数、三角函数以及积分、运算求出,有的还涉及到指数、对数、三角函数以及积分、微分等运算。要用程序实现这些计算,不仅程序长,而且很微分等运算。要用程序实现这些计算,不仅程序长,而且很费机时,影响系统的实时性。对于这种情况,可以将事先计费机时,影响系统的实时性。对于这种情况,可以将事先计算好的结果存放在数据表格中,然后通过查表的方式进行线算好的结果存放在数据表格中,然后通过查表的方式进行线性化处理。性化处理。所谓查表法,就是把事先计算或测得的数据按一定顺序所谓查表法,
22、就是把事先计算或测得的数据按一定顺序编制成表格,查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中编制成表格,查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果,查出最终所需要的结果。查表是一种非数值计算方间结果,查出最终所需要的结果。查表是一种非数值计算方法,利用这种方法可以完成数据补偿、计算、转换等各种工法,利用这种方法可以完成数据补偿、计算、转换等各种工作,它具有回避复杂数学运算和无规则数学运算等优点。作,它具有回避复杂数学运算和无规则数学运算等优点。2022-7-2817(1 1)顺序查表法)顺序查表法 顺序查表法是针对无序排列表格的一种方法。即按照顺顺序查表法是针对无序排列表格的一种方法。即按照顺
23、序从第一项开始逐项查找,直到找到所要查找的关键字为止。序从第一项开始逐项查找,直到找到所要查找的关键字为止。顺序查表法虽然比较顺序查表法虽然比较“笨笨”,但对无序表格或较短表格而言,但对无序表格或较短表格而言,仍是一种比较常用的方法。仍是一种比较常用的方法。(2 2)计算查表法)计算查表法 计算查表法通常用于要搜索的内容与表格的排列有一定计算查表法通常用于要搜索的内容与表格的排列有一定关系的表格。对于这种表格,为了提高查表速度,可以不采关系的表格。对于这种表格,为了提高查表速度,可以不采用从头至尾逐一进行比较的方法,只要根据所给的元素用从头至尾逐一进行比较的方法,只要根据所给的元素xixi,通
24、过一定的计算,求出元素通过一定的计算,求出元素xixi所对应的数值的地址,然后将所对应的数值的地址,然后将该地址单元的内容取出即可。该地址单元的内容取出即可。2022-7-2818(3 3)对分查表法对分查表法 对分查表法是一种在实际应用中常使用的方法。对于那对分查表法是一种在实际应用中常使用的方法。对于那些表格比较长,满足从大到小或从小到大的排列顺序,且难些表格比较长,满足从大到小或从小到大的排列顺序,且难以用计算查表法进行查找的表格,可以采用对分查表法。对以用计算查表法进行查找的表格,可以采用对分查表法。对于从小到大顺序来说,若元素大于中间值,则下一次取中间于从小到大顺序来说,若元素大于中
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