09-27-28数据处理1

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1、 智能仪器智能仪器2728学时第五章第五章 智能仪器的典型数据处理功能智能仪器的典型数据处理功能(1)(1)l主要讲解内容主要讲解内容:l克服随机误差的克服随机误差的数字滤波数字滤波算法算法. 一一. .概述概述数据处理能力是智能仪器水平的标志数据处理能力是智能仪器水平的标志, ,不能充分不能充分发挥软件作用发挥软件作用, ,等同硬件化的数字式仪器等同硬件化的数字式仪器. . 测量精度和可靠性是仪器的重要指标，引入数据处理算法后，使许多原来靠硬件电路难以实现的信号处理问题得以解决，从而克服和弥补了包括传感器在内的各个测量环节中硬件本身的缺陷或弱点，提高了仪器的综合性能。1.1.基本数据处理算法

2、主要包括以下主要内容基本数据处理算法主要包括以下主要内容1)克服随机误差的数字滤波算法克服随机误差的数字滤波算法2)消除系统误差的算法、非线性校正消除系统误差的算法、非线性校正3)工程量的标度变换。工程量的标度变换。4)其其它它算算法法: 诸诸如如频频谱谱估估计计、相相关关分分析析、复复杂杂滤滤波等算法，阅读数字信号处理方面的文献。波等算法，阅读数字信号处理方面的文献。下面主要以前下面主要以前3点来主要讨论点来主要讨论.二. 克服随机误差的数字滤波算法克服随机误差的数字滤波算法 1.1.随机误差与数字滤波随机误差与数字滤波 随随机机误误差差：由由串串入入仪仪表表的的随随机机干干扰扰、仪仪器器内

3、内部部器器件件噪噪声声和和A/DA/D量量化化噪噪声声等等引引起起的的，其其定定义义为为: :在在相相同同条条件件下下测测量量同同一一量量时时，其其大大小小和和符符号号作作无无规规则则变变化化而而无无法法预预测测，但但在在多多次次测测量量中中符符合合统统计计规规律律的的误误差差称称为为随随机机误误差差。采采用用模模拟拟滤滤波波器器是是克克服服随随差差的的主主要要硬硬件件方方法法。也也可以采用软件算法来实现数字滤波可以采用软件算法来实现数字滤波. .与硬件滤波器相比与硬件滤波器相比,数字滤波具有以下优点：数字滤波具有以下优点：（1）数字滤波只是一个计算过程，无需硬件，因此可）数字滤波只是一个计算

4、过程，无需硬件，因此可 靠性高靠性高.降低成本降低成本. (2)由于不用硬件由于不用硬件,各回路之间各回路之间,不存在阻抗匹配、特性不存在阻抗匹配、特性 波动、非一致性等问题。波动、非一致性等问题。(3)可以对很低的信号可以对很低的信号(如如0.01HZ以下以下)进行滤波进行滤波,是模是模拟拟 滤波器在频率很低时较难实现的问题滤波器在频率很低时较难实现的问题.（4）只要适当改变数字滤波程序有关参数，就能方便）只要适当改变数字滤波程序有关参数，就能方便 的改变滤波特性，因此数字滤波使用时方便灵活。的改变滤波特性，因此数字滤波使用时方便灵活。 虽然数字滤波有很多优点虽然数字滤波有很多优点,在智能仪

5、器中有广泛应在智能仪器中有广泛应用用,但它并不能完全取代模拟滤波器但它并不能完全取代模拟滤波器,因为输入信号必因为输入信号必须转换成数字信号后才能进行数字滤波须转换成数字信号后才能进行数字滤波,有的输入信号有的输入信号很很2.常用的数字滤波算法数字滤波算法 1)1)克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法限幅滤波法限幅滤波法 中值滤波法中值滤波法 基于拉依达准则的奇异数据滤波法基于拉依达准则的奇异数据滤波法（剔除粗大误差）（剔除粗大误差）基于中值数绝对偏差的决策滤波器基于中值数绝对偏差的决策滤波器 2)抑制小幅度高频噪声的平均滤波法抑制小幅度高频噪声的平均滤波法算数平均算数平均 滑

6、动平均滑动平均( (递推平均值滤波递推平均值滤波) )加权滑动平均加权滑动平均3)复合滤波法复合滤波法 等等小小,而且混有干扰信号而且混有干扰信号,此时必须使用模拟滤波器此时必须使用模拟滤波器.另外在另外在测量中为了消除混叠现象测量中为了消除混叠现象,往往在输入端加抗混叠滤波器往往在输入端加抗混叠滤波器,这也是数字滤波所不能代替的这也是数字滤波所不能代替的,所以二种方法各有所长所以二种方法各有所长.均有应用均有应用.3.3.克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法 克服由仪器外部环境偶然因素引起的突变性扰动或仪器内部不稳定引起误码等造成的尖脉冲干扰，是仪器数据处理的第一步。 通常采

7、用限幅滤波限幅滤波, ,中值滤波等中值滤波等非线性滤波法。 1)1)1)1)限幅滤波法限幅滤波法限幅滤波法限幅滤波法 l限限幅幅滤滤波波法法（又又称称程程序序判判别别法法）通通过过程程序序判判断断被被测测信信号号的的变变化化幅幅度度，从从而而消消除除缓缓变变信信号号中中的的尖尖脉脉冲冲干干扰扰。具具体体方方法法是是，把把二二次次相相邻邻的的采采样样值值相相减减,求求出出其其增增量量,若若它它们们的的差差值值超超出出允允许许范范围围，则则认认为为本本次次采采样样值受到了干扰，应予易除。值受到了干扰，应予易除。已滤波的采样结果：已滤波的采样结果：l若本次采样值为若本次采样值为y yn n，则本次滤

8、波的结果由下式确定：则本次滤波的结果由下式确定：la a是相邻两个采样值的最大允许增量，其是相邻两个采样值的最大允许增量，其数值可根据数值可根据y y的最大变化速率的最大变化速率V Vmaxmax及采样及采样周期周期T T确定，即确定，即 a = a = V Vmaxmax T T 实实现本算法的关键是设定被测参量相邻两现本算法的关键是设定被测参量相邻两次采样值的最大允许误差次采样值的最大允许误差a.a.要求准确估要求准确估计计V Vmaxmax和采样周期和采样周期T T。2)2)中值滤波法中值滤波法 l中中值值滤滤波波是是一一种种典典型型的的非非线线性性滤滤波波器器，它它运运算算简简单单，在

9、在滤滤除除脉脉冲冲噪噪声声的的同同时时可可以以很很好好地地保保护护信信号号的的细细节节信息。信息。l对对某某一一被被测测参参数数连连续续采采样样N N次次（一一般般N N取取奇奇数数），然然后后将将这这些些采采样样值值进进行行排排序序( (最最常常用用的的是是冒冒泡泡法法) )，选选取取中中间间值值为为本本次次采采样样值值。采采样样次次数数N N越越大大, ,滤滤波波效效果果越强越强. .但采样次数太大但采样次数太大, ,会影响速度会影响速度, ,一般一般N N取取3-15.3-15.l对对温温度度、液液位位等等缓缓慢慢变变化化的的被被测测参参数数，采采用用中中值值滤滤波波法法一一般般能能收收

10、到到良良好好的的滤滤波波效效果果。但但不不宜宜于于快快速速变变化的参数化的参数( (如流量如流量) )数据排序最常用的冒泡法数据排序最常用的冒泡法:是一种相邻数据互换的排序方法是一种相邻数据互换的排序方法,执行时从前向后进执行时从前向后进行相邻数比较行相邻数比较,如数据的大小次序与要求顺序不符时如数据的大小次序与要求顺序不符时,就将二个数互换就将二个数互换(逆序逆序),否则不互换否则不互换(正序正序).若进行若进行的是升序排序的是升序排序,应通过相邻数互换的方法应通过相邻数互换的方法,使小的数使小的数前移前移,大数向后移大数向后移,如此类推如此类推,就会把最大数换到最后就会把最大数换到最后.例

11、如原始数据为顺序例如原始数据为顺序: 49 、40 、8 、16 、61 、44 、81 、19.第一次冒泡的过程是第一次冒泡的过程是:49 、40 、8 、16 、61 、44 、81 、19 (逆序逆序,互换互换)40 、49、8 、16 、61 、44 、81 、19 (逆序逆序,互换互换)40 、8、49 、16 、61 、44 、81 、19 (逆序逆序,互换互换)40 、8、16 、49 、61 、44 、81 、19 (正序正序,不互换不互换)40 、8、16 、49 、61 、44 、81 、19 (逆序逆序,互换互换)40 、8、16 、49 、44 、61、81 、19 (

12、正序正序,不互换不互换)40 、8、16 、49 、44 、61 、81 、19 (逆序逆序,互换互换)40 、8、16 、49 、44 、61 、19 、81 (第一次冒泡结束第一次冒泡结束)如此进行如此进行,各次冒泡的结果是各次冒泡的结果是:40 、8、16 、49 、44 、61 、19 、81 (第一次冒泡第一次冒泡)8、16、40 、44 、49 、19 、61 、81 (第二次冒泡第二次冒泡)8 、16、40 、44 、19 、49 、61 、81 (第三次冒泡第三次冒泡)8 、16、40 、19 、44 、49 、61 、81 (第四次冒泡第四次冒泡8 、16、19 、40 、4

13、4 、49、61 、81 (第五次冒泡第五次冒泡)若排序的采样值为奇数若排序的采样值为奇数,排序完成后排序完成后,取中间值为采样值取中间值为采样值.上例中采样值为上例中采样值为40和和44.例如下图表示窗口例如下图表示窗口2 2k k+1+1内排序的第内排序的第k k个值，即排序后个值，即排序后的中间值。的中间值。 原始信号原始信号 中值滤波后的信号中值滤波后的信号对不同宽度脉冲滤波效果对不同宽度脉冲滤波效果3)3)基于拉依达准则的奇异数据滤波法基于拉依达准则的奇异数据滤波法（剔除粗大误差）（剔除粗大误差）l拉依达准则法的应用场合与程序判别法类似，拉依达准则法的应用场合与程序判别法类似，并可更

14、准确地剔除严重失真的奇异数据。并可更准确地剔除严重失真的奇异数据。l拉依达准则：拉依达准则：当当测量次数测量次数N N足够多且测量服从足够多且测量服从正态分布时正态分布时，在各次测量值中，若某次测量，在各次测量值中，若某次测量值值X Xi i所对应的所对应的剩余误差剩余误差V Vi i3(3(标准差标准差) )，则认为该则认为该X Xi i为坏值，予以剔除。为坏值，予以剔除。 拉依达准则法实施步骤拉依达准则法实施步骤 （1 1）求）求N N次测量值次测量值X X1 1至至X XN N的算术平均值的算术平均值 （2 2）求各项的剩余误差）求各项的剩余误差V Vi i （3 3）计算标准偏差）计算

15、标准偏差 （4 4）判断并剔除奇异项）判断并剔除奇异项V Vi i3 3，则认为该Xi为坏值，予以剔除。 依据拉依达准则净化数据的局限性 采采用用33准准则则净净化化奇奇异异数数据据，有有的的仪仪器器通通过过选选择择LL中中的的L L值值（L L2 2，3 3，4 4，5 5）调调整整净净化化门门限限，L L3 3，门门限限放放宽宽，L L3 3，门门限限紧紧缩缩。采采用用33准则净化采样数据有其局限性，有时甚至失效。准则净化采样数据有其局限性，有时甚至失效。l（1 1）该该准准则则在在样样本本值值少少于于1010个个时时不不能能判判别别任任何奇异数据；何奇异数据；l（2 2）33准准则则是是

16、建建立立在在正正态态分分布布的的等等精精度度重重复复测测量量基基础础上上，而而造造成成奇奇异异数数据据的的干干扰扰或或噪噪声声难难以满足正态分布。以满足正态分布。4、抑制小幅度高频噪声的平均滤波法、抑制小幅度高频噪声的平均滤波法l小小幅幅度度高高频频电电子子噪噪声声：电电子子器器件件热热噪噪声、声、A/DA/D量化噪声等。量化噪声等。l通通常常采采用用具具有有低低通通特特性性的的线线性性滤滤波波器器：算算术术平平均均值值滤滤波波法法、加加权权平平均均滤滤波波法法、递推加权平均递推加权平均滤波法等。滤波法等。1)1)1)1)算术平均值滤波算术平均值滤波算术平均值滤波算术平均值滤波 l连连续续取取

17、N N个个采采样样值值进进行行（分分别别为为X X1 1至至X XN N）相相加加，然然后后取取其其算算术术平平均均值值作作为为本本次次测测量量的的滤波值。即滤波值。即设设滤波效果主要取决于采样次数滤波效果主要取决于采样次数N N，N N越大，滤越大，滤波效果越好，波效果越好，但系统的但系统的灵敏度要下降灵敏度要下降。因此。因此这种方法只适用于这种方法只适用于慢变信号慢变信号。 S Si i为采样值中的有用部分为采样值中的有用部分n ni i为随机误差。为随机误差。2)2)递推平均值滤波递推平均值滤波 l对于采样速度较慢或要求数据更新率较高的对于采样速度较慢或要求数据更新率较高的实时系统，算术

18、平均滤法无法使用的。实时系统，算术平均滤法无法使用的。 l递推平均滤波法把递推平均滤波法把N N个测量数据看成一个队个测量数据看成一个队列，队列的长度固定为列，队列的长度固定为N N，每进行一次新的每进行一次新的采样，把测量结果放入队尾，而去掉原来队采样，把测量结果放入队尾，而去掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有首的一个数据，这样在队列中始终有N N个个“最新最新”的数据。计算滤波值时的数据。计算滤波值时, ,只要把队列只要把队列中的中的N N个数据进行算术平均个数据进行算术平均, ,就可得到新的滤就可得到新的滤波值波值. . 为第n次采样经滤波后的输出；为未经滤波的第ni次采样值；N为

19、递推平均项数。平滑度高，灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差。实际应用时，通过观察不同N值下递推平均的输出响应来选取N值以便少占用计算机时间，又能达到最好的滤波效果。3)3)加权递推平均值滤波加权递推平均值滤波在在上上述述算算术术平平均均值值滤滤波波和和递递推推平平均均值值滤滤波波法法中中,将将N次次采采样样值值等同对待等同对待,这削弱了当前采样值在程序中的比重这削弱了当前采样值在程序中的比重,实时性较差实时性较差,有时有时,为了提高滤波效果为了提高滤波效果,增加新的采样数据在滑动平均中的增加新的采样数据在滑动平均中的比重，即对不同时刻的数据加以不同的权。通常越接近现时比重，即对不同

20、时刻的数据加以不同的权。通常越接近现时刻的数据，权取得越大。其运算关系为刻的数据，权取得越大。其运算关系为:式中式中N为采样次数为采样次数,Ci为加加权系数系数,对它的它的选取取应满足足:5、复合滤波法、复合滤波法 l在在实实际际应应用用中中，有有时时既既要要消消除除大大幅幅度度的的脉脉冲冲干干扰扰，有有要要做做数数据据平平滑滑。因因此此常常把把前前面面介介绍绍的的两两种种以以上上的的方方法法结结合合起起来来使使用用，形形成成复复合合滤波滤波。l去去极极值值平平均均滤滤波波算算法法：先先用用中中值值滤滤波波算算法法滤滤除除采采样样值值中中的的脉脉冲冲性性干干扰扰，然然后后把把剩剩余余的的各各采

21、采样样值值进进行行平平均均滤滤波波。连连续续采采样样N N次次，剔剔除除其其最最大大值值和和最最小小值值，再再求求余余下下N N2 2个个采采样样的的平平均均值值。显显然然，这这种种方方法法既既能能抑抑制制随随机机干干扰扰，又能滤除明显的脉冲干扰。又能滤除明显的脉冲干扰。思考题思考题:1.有一自动测温系统测得有一自动测温系统测得6次采样值分别为次采样值分别为85，84，103，84，86，83。请分别计算以下不同滤波方法。请分别计算以下不同滤波方法的结果；并分析各方法结果可靠性的差异及原因。的结果；并分析各方法结果可靠性的差异及原因。1)中值滤波法（中值滤波法（N=3）；）；2)递推平均值滤波法（递推平均值滤波法（N4）；）；3)去极值平均滤波法及其程序框图（去极值平均滤波法及其程序框图（N=6）。）。