第四章第四章 智能智能仪仪器的基本数据器的基本数据处处理算法理算法数据数据处处理能力是智能理能力是智能仪仪器水平的器水平的标标志志, ,不能充分不能充分发挥软发挥软件作用件作用, ,等同硬件化的数字式等同硬件化的数字式仪仪器器. . 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。1a基本数据基本数据处处理算法内容提要理算法内容提要l克服随机克服随机误误差的数字差的数字滤滤波算法波算法l消除系消除系统误统误差的算法、非差的算法、非线线性校正性校正l工程量的工程量的标标度度变换变换。l诸诸如如频频谱谱估估计计、相相关关分分析析、复复杂杂滤滤波波等等算法，算法，阅读阅读数字信号数字信号处处理方面的文献。理方面的文献。2a第一节 克服随机克服随机误误差的数字差的数字滤滤波算法波算法 l随机误差：由串入仪表的随机干扰、仪器内部器件噪声和A/D量化噪声等引起的，在相同条件下测量同一量时，其大小和符号作无规则变化而无法预测，但在多次测量中符合统计规律的误差。采用模拟滤波器是主要硬件方法。l数字滤波算法的优点：（1）数字滤波只是一个计算过程，无需硬件，因此可靠性高，并且不存在阻抗匹配、特性波动、非一致性等问题。模拟滤波器在频率很低时较难实现的问题，不会出现在数字滤波器的实现过程中。（2）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。3a常用的数字数字滤滤波算法波算法 一、克服大脉冲干一、克服大脉冲干扰扰的数字的数字滤滤波法波法1限幅限幅滤滤波法波法 2 2中中值滤值滤波法波法 3 3基于拉依达准基于拉依达准则则的奇异数据的奇异数据滤滤波法波法（剔除粗大（剔除粗大误误差）差）4. 4. 基于中基于中值值数数绝对绝对偏差的决策偏差的决策滤滤波器波器 二、抑制小幅度高二、抑制小幅度高频频噪声的平均噪声的平均滤滤波法波法1 1算数平均算数平均 2 2滑滑动动平均平均 3 3加加权权滑滑动动平均平均三、复合三、复合滤滤波法波法 4a一、克服大脉冲干一、克服大脉冲干扰扰的数字的数字滤滤波法波法 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。 通常采用简单的非线性滤波法。 5a1 1限幅限幅滤滤波法波法 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，依依赖赖已已有有的的时时域域采采样样结结果果，将将本本次次采采样样值值与与上上次次采采样样值值进进行行比比较较，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值受受到到了了干干扰扰，应应予予易除。易除。已已滤滤波的采波的采样结样结果：果：l若本次采若本次采样值为样值为y yn n，则则本次本次滤滤波的波的结结果由下式确定：果由下式确定：6ala a是是相相邻邻两两个个采采样样值值的的最最大大允允许许增增量量，其其数数值值可可根根据据y y的的最最大大变变化化速速率率V Vmaxmax及及采采样样周周期期T T确确定定，即即 a a = = V Vmax max T T 实实现现本本算算法法的的关关键键是是设设定定被被测测参参量量相相邻邻两两次次采采样样值值的的最最大大允允许许误误差差a.a.要要求求准准确确估估计计V Vmaxmax和采和采样样周期周期T T。7a2 2中中值滤值滤波法波法 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号的信号的细节细节信息。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应应为为奇奇数数），然然后后将将这这些些采采样样值值进进行行排排序序，选选取取中中间值为间值为本次采本次采样值样值。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，采采用用中中值滤值滤波法一般能收到良好的波法一般能收到良好的滤滤波效果。波效果。8al设设滤滤波波器器窗窗口口的的宽宽度度为为n=2k+n=2k+1 1，离离散散时时间间信信号号x x（i i）的的长长度度为为N N，（i i=1=1，2 2，N N；N Nn n），则则当当窗窗口口在在信信号号序序列列上上滑滑动动时时，一一维维中中值值滤滤波波器的器的输输出出: : medmed x x（i i）=x x( (k k) ) 表表示示窗窗口口2 2k k+1+1内内排排序序的的第第k k个个值值，即排序后的中，即排序后的中间值间值。 原始信号原始信号 中中值滤值滤波后的信号波后的信号对对不同不同宽宽度脉冲度脉冲滤滤波效果波效果9a3 3基于拉依达准基于拉依达准则则的奇异数据的奇异数据滤滤波法波法（剔除粗大（剔除粗大误误差）差）l拉依达准拉依达准则则法的法的应应用用场场合与程序判合与程序判别别法法类类似，并可更准确地剔除似，并可更准确地剔除严严重失真的奇重失真的奇异数据。异数据。l拉依达准拉依达准则则：当当测测量次数量次数N N足足够够多且多且测测量服从正量服从正态态分布分布时时，在各次，在各次测测量量值值中，中，若某次若某次测测量量值值X Xi i所所对应对应的的剩余剩余误误差差V Vi i33，则认为该则认为该X Xi i为为坏坏值值，予以剔除。，予以剔除。 10a拉依达准拉依达准则则法法实实施步施步骤骤 （1 1）求）求N N次次测测量量值值X X1 1至至X XN N的算的算术术平均平均值值 （2 2）求各）求各项项的剩余的剩余误误差差V Vi i （3 3）计计算算标标准偏差准偏差 （4 4）判断并剔除奇异）判断并剔除奇异项项V Vi i3 3，则认为该Xi为坏值，予以剔除。 11a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准准则净则净化采化采样样数据有其局限性，有数据有其局限性，有时时甚至失效。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以满满足正足正态态分布。分布。12a4. 4. 基于中基于中值值数数绝对绝对偏差的决策偏差的决策滤滤波器波器 l中中值值绝绝对对偏偏差差估估计计的的决决策策滤滤波波器器能能够够判判别别出出奇奇异异数数据据，并并以以有有效效性性的的数数值值来来取取代代。采采用用一一个个移移动动窗窗口口， 利利用用m m个个数数据据来来确确定定的的有有效效性性。如如果果滤滤波波器器判判定定该该数数据据有有效效，则则输输出出，否否则则，如如果果判判定定该该数据数据为为奇异数据，用中奇异数据，用中值值来取代。来取代。， 13a（1 1）确定当前数据有效性的判）确定当前数据有效性的判别别准准则则l一一个个序序列列的的中中值值对对奇奇异异数数据据的的灵灵敏敏度度远远无无小小于于序序列列的的平平均均值值，用用中中值值构构造造一一个个尺度序列，尺度序列，设设 中中值为值为Z Z，则则给给出了每个数据点偏离参照出了每个数据点偏离参照值值的尺度的尺度 令令d(k)d(k)的的中中值值为为D D，著著名名的的统统计计学学家家FR.HampelFR.Hampel提提出出并并证证明明了了中中值值数数绝绝对对偏偏差差MADMAD1.4826*D1.4826*D，MADMAD可可以以代代替替标标准准偏偏差差。对对33法法则则的的这这一一修修正正有有时时称称为为“Hampel“Hampel标识标识符符”。14a(2)(2)实现实现基于基于L*MADL*MAD准准则则的的滤滤波算法波算法 建立移建立移动动数据窗口数据窗口( (宽宽度度m m）计计算出窗口序列的中算出窗口序列的中值值Z Z（排序法排序法）计计算尺度序列算尺度序列 的中的中值值d d（排序法排序法）令令Q Q1.4826*d =MAD1.4826*d =MAD计计算算如果如果 则则 否否则则可以用窗口可以用窗口宽宽度度m m和和门门限限L L调调整整滤滤波器的特性。波器的特性。m m影响影响滤滤波器的波器的总总一致性，一致性，m m值值至少至少为为7 7。门门限参数限参数L L直接决定直接决定滤滤波器主波器主动进动进取取程度，本非程度，本非线线性性滤滤波器具有比例不波器具有比例不变变性、因果性、算法快捷等性、因果性、算法快捷等特点，特点，实时实时地完成数据地完成数据净净化。化。 15a二、抑制小幅度高二、抑制小幅度高频频噪声的平均噪声的平均滤滤波法波法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：算算数数平平均均滤滤波波法法、加加权权平平均均滤滤波波法法、滑滑动动加加权权平均平均滤滤波法等。波法等。16a1 1算数平均算数平均滤滤波波 lN N个个连连续续采采样样值值（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滤波波值值。即即设设滤滤波效果主要取决于采波效果主要取决于采样样次数次数N N，N N越大，越大，滤滤波波效果越好，效果越好，但系但系统统的的灵敏度要下降灵敏度要下降。因此。因此这这种种方法只适用于方法只适用于慢慢变变信号信号。 S Si i为为采采样值样值中的有用部分中的有用部分n ni i为为随机随机误误差。差。17a2 2滑滑动动平均平均滤滤波法波法 l对对于采于采样样速度速度较较慢或要求数据更新率慢或要求数据更新率较较高的高的实时实时系系统统，算，算术术平均平均滤滤法无法使用法无法使用的。的。 l滑滑动动平均平均滤滤波法把波法把N N个个测测量数据看成一量数据看成一个个队队列，列，队队列的列的长长度固定度固定为为N N，每，每进进行行一次新的采一次新的采样样，把，把测测量量结结果放入果放入队队尾，尾，而去掉原来而去掉原来队队首的一个数据，首的一个数据，这样这样在在队队列中始列中始终终有有N N个个“最新最新”的数据。的数据。 18a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为滑动平均项数。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值下滑动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。19a3加权滑动平均滤波l增加新的采样数据在滑动平均中的比重，以提高系统对当前采样值的灵敏度，即对不同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。按FIR滤波设计确定系数20a三、复合三、复合滤滤波法波法 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滤波波。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，又能又能滤滤除明除明显显的脉冲干的脉冲干扰扰。21a 为为使使计计算更算更方便，方便，N N2 2应为应为2 2，4 4，8 8，1616常取常取N N为为4 4，6 6，1010，1818。 22a