计算机控制系统中的数字滤波研究

《工业控制计算机）２０１２年第２５卷第１０期　计算机控制系统中的数字滤波研究　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｆｉｌｔｅｒ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　范秋风　胡万里　秦长海（安阳工学院，河南安阳４５５０００）　摘要　计算机控制系统中，干扰是影响系统可靠性和稳定性的主要原因，随着数字化技术的发展，数字滤波已成为处理原始　采样信号干抗的关键性技术。对限幅滤波方法做了详细的分析，并针对不同的问题对通用的限幅滤波算法进行了相应的改　进。最后通过仿真验证了改进算法的有效性。　关键词：计算机控制，数字滤波，限幅滤波，采样信号　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｎｏｉｓｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆａｃｔｏｒ　ｔｈａｔ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｆｉｌｔｅｒ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ　ｔｏ　ｄｅａｌ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｎｏｉｓｅ　ｏｆ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌ　Ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔｉｎｇ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　Ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｌｉｍ　ｎｇ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　Ｆｉｎａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｔｈｅ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｄｉｇｉｔａｌ　ｆｉｌｔｅｒ，ｌｉｍｉｔｉｎｇ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ，ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌ　随着自动控制技术和计算机技术的飞速发展，计算机控制　的干扰，相应的滤波对策是不同的。实际设计中常用的滤波算法　技术已成为控制系统中普遍采用的技术。计算机控制系统的基　有：限幅滤波、中位值滤波、递推平均滤波、加权平均滤波和惯性　本框图如图１所示，其中在连续控制系统中的给定信号、比较器　滤波．本文将针对限幅滤波作详细分析。　和控制器的功能用计算机来实现。　２限幅滤波　限幅滤波方法用于因随机干扰和误检测或者变送器不稳定　而引起采样信号严重失真的场合，对于变化比较缓慢的输人量，　如温度、液位等信号的滤波效果较好。限幅滤波算法的思想是：　在两次采样时间间隔内，认为最大变化量增量ＡＸ的绝对值总　图１　计算机控制系统的基本结构　是在一定范围内变化，ＡＸ的值需要根据生产经验确定。若实际　计算机控制系统在运行时，由于受信号源本身、传感器、外　增量超出此范围，则把这种不正常的现象看成是由于干扰造成　界环境等因素影响，使输入通道采集到的模拟输入量不可避免　的，此时就忽略掉本次采样值，而用上次采样值代替本次采样　地混进了干扰信号，这些干扰会影响到系统的稳定性和可靠性，　值。即算法１为：　甚至可能导致系统不能正常工作，因此，长期以来，如何更有效　ｆ　，ｆ　一　一　Ｉ≤Ａｘ　地消除和抑制干扰因素，提高系统的控制精度，增强系统的可靠　”Ｉ　，，Ｉ　—　一，Ｉ＞ＡＸ　性是广大设计人员追求的目标。在系统设计中，一般都要加入一　公式（１）中，Ｘ　表示当前采样值，Ｘ　表示前一时刻采样值，　定的硬件抗干扰滤波线路来消除干扰，但是要想尽可能地消除　Ｙｎ表示当前滤波输出值。△Ｘ表示连续两次采样值的最大允许　干扰，就要增加更多的硬件线路。这样，不仅使成本大大提高，而　变化量。需要注意的是第一个滤波输出值的确定。因为其前面没　且系统也显得更为复杂。而在现代计算机控制系统中，要采取数　有采样值，无法进行比较，一般可以将其原值输出。设ａ为一组　字滤波的软件方式对原始的采样信号进行数据检测和转换，从　含有随机噪声的信号，ａ＝［５，６，８，９，７，１７，８，１０，１１，１２，１１，１２，　而提高系统的控制精度，增强系统工作的稳定性。数字滤波具有　１３，１２，１３，１２，１０，１０，８，９，７，６，８］，根据算法１，对信号ａ进行　成本低，可靠性高，不存在阻抗匹配问题等特点，且灵活方便，功　滤波，仿真结果如图３所示。　能强，在计算机控制系统中得到了广泛应用。　从图３可以看出，干扰并没有被滤除，只是推迟一个时刻出　１　数字滤波　现，那么公式（１）的滤波算法是有待于改进的。图３中问题出现　所谓数字滤波就是一段程序，是指由Ａ／Ｄ转换器送入计算　的原因是算法１中总是以前一时刻的采样值作为标准，拿当前　机的采样信号，在执行控制规律之前，先经过一段软件滤波程　采样值与之比较的。若标准是干扰信号，那么有用的采样信号就　序，提高有用信号的比重。采样信号进入计算机后的流程框图如　会被误判为干扰信号，所以应该保证参与比较的标准信号必须　图２所示。　是有用信号。而滤波器的输出没有问题的话都应该是有用信号。　圄　盟怔　巫　因此将算法１可以改进为算法２：　ｙ：』　，Ｉ　—　一，Ｉ≤△　ｆ２　图２计算机内部程序流程图　【　，采样信号中常见的干扰噪声有两大类：一类为周期性的，另　｛　—　一，Ｉ＞ＡＸ　公式（２）中，Ｙ　表示前一时刻的滤波输出值，既然是滤波　一类为不规则的非周期性干扰信号，即随机干扰。对于不同性质　后的信号，那么应该是不含干扰的，可以将其作为参与比较的标　准信号。根据算法２对图３中的同一组信号进行滤波，结果如图　４所示。　图３算法１对信号ａ的滤波效果　未滤波信号　滤波后信号　图４算法２对信号ａ的滤波效果　从图４可以看出，算法２有效的滤除了随机干扰。　若信号ｂ＝［５，６，８，９，１７，１７，８，１０，１１，１２，１１，１２，１３，１２，　１３，１２，１０，１０，８，９，７，６，８］，用算法２对其滤波，结果也可能出　现错误，如图５所示。　图５中问题出现的原因是算法中２干扰出现时总是以前一　时刻的采样值作为输出，若干扰连续出现，则干扰无法滤除。为　了保证有干扰出现时，滤波器的输出总是有用信号，因此算法２　可以改进为算法３：　ｆ　，１　＿Ｘｎ—Ｔｌ≤△Ｘ　【　ｌ　—Ｘｎ一，ｌ＞ＡＸ　一　算法３可以非常有效地滤除缓变参数中的随机干扰。算法　３对信号２的滤波效果如图６所示。　从图６可以看出，算法３可以对信号中的干扰进行有效的　滤除。算法３可以作为限幅滤波的实用算法。　３结束语　本文主要对限幅滤波方法做了详细的分析，并针对不同的　实际问题对通用的限幅滤波算法进行了相应的改进。通过仿真　验证，改进后的算法３比大部分教材上所讲的算法１要更实用。　当然，在实际的控制系统中，还有其它不同形式的干扰，如脉动　计算机控制系统中的数字滤波研究　未滤波信号　滤波店信号　图５算法２对号ｂ的滤波效果　未滤波信号　滤波后信号　图６算法３对号ｂ的滤波效果　干扰、周期干扰等，实际应用中，为进一步提高滤波效果，有时可　以把２种或２种以上不同滤波功能的数字滤波器组合起来，组　成复合数字滤波器。总而言之，由于检测技术、检测对象，数据的　采集频率、信噪比不同，在实际应用中要根据情况将各种滤波技　术有机的结合起来，选择一种最优的滤波算法，从而提高测量仪　表或控制系统的品质。　参考文献　［１］李元春．计算机控制系统［Ｍ］北京：高等教育出版社，２００９　［２］王建华，黄建河．计算机控制技术［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００３　［３］夏扬．计算机控制技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４　［４］潘新民，王燕芳．微型计算机控制技术实用教程［Ｍ］．北京：电子工业　出版社，２００６　［５］任克强，刘晖．微机控制系统的数字滤波算法［Ｊ］现代电子技术，　２００３（３）：１５—１８　［６］张玉珊，张丽霞．过程计算机控制系统中的软件滤波对策［Ｊ］．河南师　范大学学报（自然科学版）２００１，２９（３）：６９—７２　［７］罗耀东，徐义亨．控制系统的抗噪声技术［Ｊ］石油化工自动化，２００１　（３）：１—３　［８］叶芳．浅谈计算机控制系统中的数字滤波［Ｊ］．科技创新导报，２００８　（１６）：２０　［９］贾小楠，陈在平数字滤波技术在管式加热炉烟气检测分析系统中的　应用［Ｊ］．天津理工大学学报，２００９，２５（１）：３３－３６　［收稿日期：２０１２　７．２７］