数据处理与滤波

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1、2022-5-27第4章 数据采集系统设计12022-5-27第4章 数据采集系统设计22022-5-27第4章 数据采集系统设计3 经过处理后，可直接引用采样经过处理后，可直接引用采样数据。数据。 线性化处理：线性化处理： (1)孔板差压与流量孔板差压与流量 (2)热电偶的热电势与温度热电偶的热电势与温度 校正运算：如温度补偿校正运算：如温度补偿 测量值与工程量的转换：测量值与工程量的转换： (1)线性值公式；线性值公式； (2)开方值转换公式；开方值转换公式； (3)热电偶与热电阻公式热电偶与热电阻公式2022-5-27第4章 数据采集系统设计4 在数据采集与处理系统中，一般总希在数据采集

2、与处理系统中，一般总希望系统的输出和输入呈简单的线性关望系统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系统系，这样当用仪表来检测和显示系统中的某个物理量时，能得到均匀的刻中的某个物理量时，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。仪表在整个范围内灵敏度一致。 在实际工程中，计算机从模拟量输入在实际工程中，计算机从模拟量输入通道得到的现场信号与该信号所代表通道得到的现场信号与该信号所代表的被测物理量之间，经常存在着非线的被测物理量之间，经常存在着非线性关系。性关系。2022-5-27第4章 数据采集系统设计5 线性化处理

3、线性化处理为了保证这些参数能有线为了保证这些参数能有线性输出，需要引入非线性补偿，将输出性输出，需要引入非线性补偿，将输出信号与被测物理量之间的非线性转化为信号与被测物理量之间的非线性转化为线性关系，这种转化过程称为线性关系，这种转化过程称为。 方法方法 直接计算法：可以用解析式明确表示的非直接计算法：可以用解析式明确表示的非线性函数关系；线性函数关系； 查表法：将事先计算好的结果存放在数据查表法：将事先计算好的结果存放在数据表中；表中； 线性插值法：非线性关系不能用数学公式线性插值法：非线性关系不能用数学公式精确表达。精确表达。2022-5-27第4章 数据采集系统设计6yy0yiyyi 1

4、yn0 x0 xixxi 1xnx图图425 分段线性插值法分段线性插值法 2022-5-27第4章 数据采集系统设计7例如，设例如，设x在在(xi，xi+1 )区间内，则其对应区间内，则其对应的逼近值为的逼近值为11()()iiiiiiiiiyyyyxxxxyyk xx (46) (47) 或或 只要只要n n取得足够大，即分段足够多，就可取得足够大，即分段足够多，就可获得良好的非线性转换精度。获得良好的非线性转换精度。2022-5-27第4章 数据采集系统设计8用实验法测量输入输出的非线性关系曲线用实验法测量输入输出的非线性关系曲线y=f(x)。将测量得到的曲线进行分段，选择插值基点。将测

5、量得到的曲线进行分段，选择插值基点。等距分段法等距分段法非等距分段法非等距分段法确定并计算出各插值点的确定并计算出各插值点的xi、yi值及两相邻插值及两相邻插值点间拟合直线段的斜率值点间拟合直线段的斜率ki。通过查表找出通过查表找出x所在的区间，取出该段直线的所在的区间，取出该段直线的斜率斜率ki和基点值和基点值xi、yi根据插值公式根据插值公式y=yi+ki(x-xi)，计算出，计算出x点所对应点所对应的的y值。值。2022-5-27第4章 数据采集系统设计9 将将A/D转换后的数字量转换成带有量纲转换后的数字量转换成带有量纲的数值。的数值。 线性参数的标度变换线性参数的标度变换 线性参数：

6、参数值与线性参数：参数值与A/D转换结果之间为转换结果之间为线性关系线性关系 变换公式：变换公式：0000()xxmmNNYYYYNN(48) 00()xxmmNYYYYN(49) 2022-5-27第4章 数据采集系统设计10 例已知某热处理炉温度测量仪表的量程例已知某热处理炉温度测量仪表的量程为为200800，在某一时刻计算机经采，在某一时刻计算机经采样、数字滤波后得到的数字量为样、数字滤波后得到的数字量为CDH。设该仪表的量程是线性的，在设该仪表的量程是线性的，在Y0=200时，时，N0为为0；Ym=800时，时，Nm=FFH=(255)10 ；x=CDH=(205)10 。因。因此，根

7、据公式此，根据公式(49)，此时的温度为：，此时的温度为： 00205()200 (800 200)682255xxmmNYYYYCN2022-5-27第4章 数据采集系统设计11 非线性参数的标度变换非线性参数的标度变换 传感器测出的数据与实际被测参数之间不传感器测出的数据与实际被测参数之间不是线性关系是线性关系 求出它们之间所对应的函数关系求出它们之间所对应的函数关系 有解析表达式，直接计算对应结果有解析表达式，直接计算对应结果 例，流量测量中，从差压变送器来的信号例，流量测量中，从差压变送器来的信号P与实际流量与实际流量G成平方根关系成平方根关系GKP2022-5-27第4章 数据采集系

8、统设计12 非线性参数的标度变换非线性参数的标度变换 测量流量时的标度变换公式为：测量流量时的标度变换公式为：00000000()xxmmxxmmKNKNGGGGKNKNNNGGGGNN对于流量测量仪表，一般下限均取对于流量测量仪表，一般下限均取0 0，所以此，所以此时时G G0 0=0=0，N N0 0=0=0 xxmmNGGN2022-5-27第4章 数据采集系统设计13 通过一定的计算程序减少干扰信号在有用信通过一定的计算程序减少干扰信号在有用信号中的比重号中的比重 计算机控制系统是采样系统计算机控制系统是采样系统 提高信号的可靠性提高信号的可靠性 合理性的判别与滤波合理性的判别与滤波

9、软测量的基本思想软测量的基本思想2022-5-27第4章 数据采集系统设计14 设某通道当前采样值为设某通道当前采样值为y(k)yL y(k)yH 时时; y(k)为当前采样有效值为当前采样有效值 (上限值上限值)，报警，报警 y(k)y0, 则 y(k)=y(k-1)2022-5-27第4章 数据采集系统设计23适用于周期性干扰；适用于周期性干扰；适用于纯滞后较大的过程；适用于纯滞后较大的过程； 适用于偶然出现的适用于偶然出现的脉冲干扰；脉冲干扰； 适用于高频干扰。适用于高频干扰。2022-5-27第4章 数据采集系统设计24 实际生产过程中，一些重要质量指标变量如实际生产过程中，一些重要质

10、量指标变量如精馏塔精馏塔的产品组分浓度、生物发酵罐中菌体浓度等的产品组分浓度、生物发酵罐中菌体浓度等都难以都难以直接测量，以前的解决方法：直接测量，以前的解决方法：（1）采用间接的质量指标：如温度控制）采用间接的质量指标：如温度控制（2）采用在线分析仪表）采用在线分析仪表2022-5-27第4章 数据采集系统设计25 选择与被估计变量选择与被估计变量的一组可测变量，构造出某的一组可测变量，构造出某种以可测变量为种以可测变量为、被估计变量为、被估计变量为的的，用计算机，用计算机的重要过程变量的的重要过程变量的。 这类这类的计算机的计算机被称为被称为软测量器软测量器或或“软仪表软仪表”。2022-5-27第4章 数据采集系统设计26 软测量建模方法软测量建模方法 模型实时演算的工程化实施技术模型实时演算的工程化实施技术 模型自校正（模型维护）技术模型自校正（模型维护）技术 软测量是实用性的应用技术，它以软测量模型在线软测量是实用性的应用技术，它以软测量模型在线运算并给出准确的估计值为目标运算并给出准确的估计值为目标),(*1txyudfx 2022-5-27第4章 数据采集系统设计27