浅析软件滤波在自动控制中的应用
日期：2007-7-12 23:14:15 来源：佳工机电网
点击： 作者：未知
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达PLC在自动控制中软件滤波程序应用。
关键词：PLC 模拟量采集 噪声和干扰 滤波电路 滤波方法 闭环调节
1 引言
工业自动化系统中的大型系统或是小型设备，均含有各种噪声和干扰。干扰既有来自信号源本体或传感器，也有来自外界干扰。为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪声和干扰。特别是随着自动化程度的提高，许多控制功能通过自动闭环调节来完成，设备控制的效果取决于外部模拟量采集、控制算法、执行输出等等环节，而在现场工业环境中，电磁干扰、电源干扰、甚至于传感器本身都会影响外部信号，导致得到的数据失真、波动，如果在数据采集环节即出现问题，那整个系统将无法正常工作。本文分析解决的是如何利用软件数字滤波的方式处理外部信号的正确采集，从而才能得到真实的数据，实现自动控制，否则设备的自动化控制将无从谈起。
2 软件滤波功能简介
2.1 软件滤波
软件滤波即是通过软件算法将数据进行适当处理，从而屏蔽掉噪声和干扰杂波信号，获得可用的真实数据的一种方法，也可以说是通过程序处理的方式完成数据采集信号的处理。
对于采集信号的处理，除了软件滤波之外，也可以采用硬件电路实现滤波处理，比如常见的RC滤波、LC滤波等等，图1为采用电容滤波电路的信号曲线。
图1 电容滤波电路的信号曲线
硬件滤波的优点在于我们在程序中不再需要进行复杂的程序处理，而且数据变化响应性高；而软件滤波的优势在于不需要硬件的投入，简化了电路设计，对于不同的信号干扰可以很方便的调整软件参数达到滤波效果，虽然有些方法在信号处理上会有一定的滞后，但只要合理使用各种不同的滤波方式则完全避免因此而带来的影响。
2.2 数字软件滤波优点
(1) 数字滤波用软件实现，不需要增加硬设备，因而可靠性高、稳定性好，不存在阻抗匹配问题。
(2) 模拟滤波通常是各通道专用，而数字滤波则可多通道共享，从而降低了成本。
(3) 数字滤波可以对频率很低(如0.01 Hz)的信号进行滤波，而模拟滤波由于受电容容量的限制，频率不可能太低。
(4) 数字滤波可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。
3 实现软件滤波的方法
软件滤波有很多种方法，主要是针对不同干扰信号采取不同的方法将其消除，这里列举了一些方法并针对性说明有缺点，使大家可以正确选择采用的滤波方法。
3.1限幅滤波法
（1）方法。根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A），每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差<=A,则本次值有效；如果本次值与上次值之差>A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值。
（2）优点。能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。
（3）缺点。无法抑制周期性的干扰，平滑度较差。
（4）分析。限幅滤波法是比较简单易行的一种方法，难点在于需要由经验判断合理的偏差值，如果偏差值设小了，起不到滤波作用，设定过大，将不能及时采集外部信号的细小变化。
3.2中位值滤波法
（1）方法。连续采样N次（N取奇数），把N次采样值按大小排列，取中间值为本次有效值。
（2）优点。能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果
（3）缺点。对流量、速度等快速变化的参数不宜。
（4）分析。采样次数决定了滤波效果，次数越大，滤波作用越大，但不能对信号进行快速响应。
3.3算术平均滤波法
（1）方法。连续取N个采样值进行算术平均运算。N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低；N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高。N值的选取：流量，N=12；压力：N=4。
（2）优点。适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。
（3）缺点。对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费RAM。
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工业自动化系统中的大型系统或是小型设备，均含有各种噪声和干扰。干扰既有来自信号源本体或传感器，也有来自外界干扰。为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪声和干扰。特别是随着自动化程度的提高，许多控制功能通过自动闭环调节来完成，设备控制的效果取决于外部模拟量采集、控制算法、执行输出等等环节，而在现场工业环境中，电磁干扰、电源干扰、甚至于传感器本身都会影响外部信号，导致得到的数据失真、波动，如果在数据采集环节即出现问题，那整个系统将无法正常工作。本文分析解决的是如何利用软件数字滤波的方式处理外部信号的正确采集，从而才能得到真实的数据，实现自动控制，否则设备的自动化控制将无从谈起。
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2 软件滤波功能简介
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2.1 软件滤波
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软件滤波即是通过软件算法将数据进行适当处理，从而屏蔽掉噪声和干扰杂波信号，获得可用的真实数据的一种方法，也可以说是通过程序处理的方式完成数据采集信号的处理。
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对于采集信号的处理，除了软件滤波之外，也可以采用硬件电路实现滤波处理，比如常见的RC滤波、LC滤波等等，图1为采用电容滤波电路的信号曲线。
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图1 电容滤波电路的信号曲线
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硬件滤波的优点在于我们在程序中不再需要进行复杂的程序处理，而且数据变化响应性高；而软件滤波的优势在于不需要硬件的投入，简化了电路设计，对于不同的信号干扰可以很方便的调整软件参数达到滤波效果，虽然有些方法在信号处理上会有一定的滞后，但只要合理使用各种不同的滤波方式则完全避免因此而带来的影响。
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2.2 数字软件滤波优点
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(1) 数字滤波用软件实现，不需要增加硬设备，因而可靠性高、稳定性好，不存在阻抗匹配问题。
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(2) 模拟滤波通常是各通道专用，而数字滤波则可多通道共享，从而降低了成本。
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(3) 数字滤波可以对频率很低(如0.01 Hz)的信号进行滤波，而模拟滤波由于受电容容量的限制，频率不可能太低。
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(4) 数字滤波可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。
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3 实现软件滤波的方法
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软件滤波有很多种方法，主要是针对不同干扰信号采取不同的方法将其消除，这里列举了一些方法并针对性说明有缺点，使大家可以正确选择采用的滤波方法。
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3.1限幅滤波法
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（1）方法。根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A），每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差<=A,则本次值有效；如果本次值与上次值之差>A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值。
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（2）优点。能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。
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（3）缺点。无法抑制周期性的干扰，平滑度较差。
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（4）分析。限幅滤波法是比较简单易行的一种方法，难点在于需要由经验判断合理的偏差值，如果偏差值设小了，起不到滤波作用，设定过大，将不能及时采集外部信号的细小变化。
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3.2中位值滤波法
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（1）方法。连续采样N次（N取奇数），把N次采样值按大小排列，取中间值为本次有效值。
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（2）优点。能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果
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（3）缺点。对流量、速度等快速变化的参数不宜。
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3.3算术平均滤波法
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（1）方法。连续取N个采样值进行算术平均运算。N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低；N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高。N值的选取：流量，N=12；压力：N=4。
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（2）优点。适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。
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（3）缺点。对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费RAM。
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