第6章66软件抗干扰技术.ppt

6.6 6.6 软件抗干扰技术软件抗干扰技术一、测控系统软件的基本要求一、测控系统软件的基本要求（3 3）可测试性）可测试性 两方面含义：两方面含义：其一其一是比较容易制定出测试准则，并根据这是比较容易制定出测试准则，并根据这些准则对软件进行测试；些准则对软件进行测试；其二其二软件设计完成后，首先在模拟环软件设计完成后，首先在模拟环境下运行，经过静态分析和动态仿真运行，证明正确无误后才境下运行，经过静态分析和动态仿真运行，证明正确无误后才可投入实际运行。可投入实际运行。（1 1）易理解、易维护）易理解、易维护 指软件系统容易阅读和理解，容易发现和纠正错误，容指软件系统容易阅读和理解，容易发现和纠正错误，容易修改和补充。易修改和补充。（2 2）实时性）实时性 要求系统及时响应外部事件的发生，并及时给出处理结果。要求系统及时响应外部事件的发生，并及时给出处理结果。（4 4）准确性）准确性 算法选择、位数选择等要符合要求。算法选择、位数选择等要符合要求。（5 5）可靠性）可靠性 最重要的指标之一，两方面含义：最重要的指标之一，两方面含义：第一第一是运行参数环境发生变化时，软件能可靠是运行参数环境发生变化时，软件能可靠运行并给出准确结果，即软件应具有自适应性；运行并给出准确结果，即软件应具有自适应性；第二第二是工业环境极其恶劣，干扰严重，软件必是工业环境极其恶劣，干扰严重，软件必须保证在严重干扰条件下也能可靠运行。须保证在严重干扰条件下也能可靠运行。二二.软件抗干扰研究的主要内容软件抗干扰研究的主要内容1.1.采用软件的方法抑制叠加在输入输出信号上噪声影响，采用软件的方法抑制叠加在输入输出信号上噪声影响，如模拟输入信号的数字滤波技术；如模拟输入信号的数字滤波技术；2.2.由于干扰而使程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循由于干扰而使程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环，采取使程序纳入正轨的措施，如指令冗余、软件陷阱、环，采取使程序纳入正轨的措施，如指令冗余、软件陷阱、“看门狗看门狗”技术等；技术等；3.3.发现程序失控后，解决系统恢复正常运行的方法，如重发现程序失控后，解决系统恢复正常运行的方法，如重要信息的恢复，系统重入的条件等。要信息的恢复，系统重入的条件等。6.6.1 6.6.1 数字滤波技术数字滤波技术 由于工业生产的现场环境由于工业生产的现场环境非常恶劣非常恶劣，各种干扰源很多，各种干扰源很多，计算机系统通过输入通道采集到的数据信号，虽经硬件电路的计算机系统通过输入通道采集到的数据信号，虽经硬件电路的滤波处理，但仍会混有滤波处理，但仍会混有随机干扰随机干扰噪声噪声。因此，为了提高系统性。因此，为了提高系统性能，达到准确的测量与控制，一般情况下还需要进行能，达到准确的测量与控制，一般情况下还需要进行数字滤波数字滤波。数字滤波数字滤波 与模拟滤波器相比，有以下几个优点与模拟滤波器相比，有以下几个优点:1.数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好。2.数字滤波可以对频率很低(如001HZ)的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。3.数字滤波器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。主要数字滤波算法：主要数字滤波算法：算术平均值法、中位值滤波法、限幅算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法滤波法、惯性滤波法 等等1 1、算术平均值法、算术平均值法算术平均值法是对输入的算术平均值法是对输入的N个采样数据个采样数据xi(i=1N)，寻找这样一个，寻找这样一个y，使，使y与各采样值间的偏差的平方和与各采样值间的偏差的平方和为最小，即为最小，即由一元函数求极值原理可得：由一元函数求极值原理可得：NiiE12)(minxyNiiN11xy意义意义假设某次测量的测量值包括信号成分Si和噪音成分Ci，进行N次测量后信号成分之和为：NiSNSi1*噪音的强度是用均方根来衡量的：CNCiNi12上两式中，S、C分别表示进行N次测量后信号和噪音的平均强度。信噪比：CSNCNSN*即算术平均值法使信噪比提高了 倍。N例：某压力仪表采样数据如下：123456789102425 2027 24 6024252623序 号采样值采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。采用算术平均值滤波后，其采样值为：Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+26+23)/10=28干扰被平均到采样值中去了 特点特点：1 1）N N值决定了信号平滑度和灵敏度。随着值决定了信号平滑度和灵敏度。随着N N的增大，平滑度提的增大，平滑度提高，灵敏度降低。应该视具体情况选择高，灵敏度降低。应该视具体情况选择N N，以便得到满意的滤，以便得到满意的滤波效果。波效果。一般地，流量参数一般地，流量参数N=8-16N=8-16，常取，常取1212；压力；压力N=4N=4；液面；液面N=4-12N=4-12；温度；温度N=1-4N=1-4，温度、成分等缓变信号可取，温度、成分等缓变信号可取2 2。在编制算法程序时在编制算法程序时,m,m一般取一般取2 2、4 4、8 8等等2 2的整数幂，以便的整数幂，以便于用移位来代替除法求得平均值。于用移位来代替除法求得平均值。2 2）平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号，）平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号，特特别适用信号本身在某一数值范围上下波动的情况，如压力、流别适用信号本身在某一数值范围上下波动的情况，如压力、流量、液面等。量、液面等。但对偶然出现的脉冲干扰信号，滤波效果尚不理但对偶然出现的脉冲干扰信号，滤波效果尚不理想。想。2中位值滤波法（中值滤波）中位值滤波法（中值滤波）中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样m次次(m3)且是且是奇数，并按大小顺序排列；再取中间值作为本次采样的有效数奇数，并按大小顺序排列；再取中间值作为本次采样的有效数据。据。一般一般m取取35次即可次即可。特点特点：中位值滤波法对脉冲干扰信号等：中位值滤波法对脉冲干扰信号等偶然因素引发的干扰有偶然因素引发的干扰有良好的滤波效果良好的滤波效果。如对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用。如对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用此法会收到良好的滤波效果；对流量、速度等快速变化的参数此法会收到良好的滤波效果；对流量、速度等快速变化的参数一般不宜采用中位值滤波法。一般不宜采用中位值滤波法。中位值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果会更好。中位值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果会更好。即在每个采样周期，先用中位值滤波法得到即在每个采样周期，先用中位值滤波法得到m个滤波值，再对个滤波值，再对这这m个滤波值进行算术平均，得到可用的被测参数。也称为个滤波值进行算术平均，得到可用的被测参数。也称为去去脉冲干扰平均值滤波法脉冲干扰平均值滤波法。1234567892425 2027 24 60242526例：某压力仪表采样数据如下：例：某压力仪表采样数据如下：序序 号号采样值采样值采样数据明显存在采样数据明显存在被干扰被干扰现象（彩色数据）。现象（彩色数据）。采用去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：采用去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：25对对1、2、3次采样中位值滤波后值：次采样中位值滤波后值：24对对4、5、6次采样中位值滤波后值：次采样中位值滤波后值：27对对7、8、9次采样中位值滤波后值：次采样中位值滤波后值：253.3.滑动平均值法滤波滑动平均值法滤波 在在RAMRAM区中设置一个先进先出的循环队列作测量数据缓冲区中设置一个先进先出的循环队列作测量数据缓冲区，其长度固定为区，其长度固定为N N，每采样一个新数据，就将其存入队尾，每采样一个新数据，就将其存入队尾，而丢掉原来队首的一个数据，而后求出包括新数据在内的而丢掉原来队首的一个数据，而后求出包括新数据在内的N N个个数据的算术平均值。数据的算术平均值。这样每进行一次采样，就可计算出一个新这样每进行一次采样，就可计算出一个新的平均值，从而提高了系统响应速度和测量精度。的平均值，从而提高了系统响应速度和测量精度。特点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低；特点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰抑制作用差，不易消除由于脉冲干但对偶然出现的脉冲性干扰抑制作用差，不易消除由于脉冲干扰引起的采样值偏差。所以不适合脉冲干扰比较严重的场合，扰引起的采样值偏差。所以不适合脉冲干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡系统。而适用于高频振荡系统。N值设定的工程经验值为：值设定的工程经验值为：参数流量压力液面温度N值124412144限幅滤波法限幅滤波法（1）限幅滤波：采用上、下限限幅，即 当y(n)yH时，则取y(n)=yH(上限值)；当y(n)yL时，则取y(n)=yL(下限值)；当yLy(n)yH时，则取y(n)。经验说明，生产过程中许多物理量的变化需要一定的时间，因此相邻两次采样值之间的变化幅度应在一定的限度之内。限幅滤波就是把两次相邻的采样值相减，求其增量的绝对值，再与两次采样所允许的最大差值Y进行比较，如果小于或等于Y，表示本次采样值y(k)是真实的，则取y(k)为有效采样值；反之，y(k)是不真实的，则取上次采样值y(k1)作为本次有效采样值。（2）限速滤波(亦称限制变化率)：即 当|y(n)-y(n-1)|y0时，则取y(n);当|y(n)-y(n-1)|y0时，则取y(n)=y(n-1)。其中y0为两次相邻采样值之差的可能最大变化量。y0值的选取，取决于采样周期T及被测参数y应有的正常变化率。因此，一定要按照实际情况来确定y0、yH及yL，否则，非但达不到滤波效果，反而会降低控制品质。优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。对随机干扰或采样器不稳定引起的失真有良好的滤波效果。缺点：无法抑制周期性干扰，平滑度差。5惯性滤波法惯性滤波法 常用的RC滤波器的传递函数是：其中Tf=RC，它的滤波效果取决于滤波时间常数Tf。因此，RC滤波器不可能对极低频率的信号进行滤波。为此，人们模仿上式做成一阶惯性滤波器亦称低通滤波器。即将上式写成差分方程 稍加整理得 其中，称为滤波系数，且01，Ts为采样周期，Tf为滤波器时间常数。sTsxsyf11)()()()()1()(nxnyTnynyTsf)1()()1()1()()(nynxnyTTTnxTTTnysffsfs根据惯性滤波器的频率特性，若滤波系数越大（Tf越大），则带宽越窄，滤波频率也越低。因此，需要根据实际情况，适当选取值，使得被测参数既不出现明显的纹波，反应又不太迟缓。优点：对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率较高的场合。缺点：相位滞后，灵敏度低。6、其它滤波方法、其它滤波方法（1）.去极值平均滤波去极值平均滤波 算术平均滤波不能将明显的偶然的脉冲干扰消除，只是把其平均到采样结果中，从而降低了测量精度。去极值平均滤波是对连续采样的m个数据进行比较，去掉其中的最大值与最小值，然后计算余下的m-2 个数据的算术平均值。在编制算法程序时,为便于用移位来代替除法求得平均值，m-2应取2、4、8等，故m取4、6、10等。这种算法适用于工业场合经常遇到的尖峰脉冲干扰的信号滤波。（2）.加权平均滤波加权平均滤波 算术平均滤波和去极值平均滤波都存在平滑性和灵敏度的矛盾。采样次数太少则平滑效果差，次数太多则灵敏度下降，对测量参数的变化趋势不敏感。为协调两者关系，可采用加权平均滤波。加权平均滤波是对每次采样值不以相同的权系数而以增加新鲜采样值的权重相加。一个一个m项加权平均式为：项加权平均式为：式中，第m次为最新值，C1、C2、Cm 为加权系数，先小后大，且均为小于1但总和等于1的小数，即满足下式 C1 C2 Cm 1Cm Cm-1 C1 0C1、C2、Cm 的取值应视具体情况选取,并通过调试确定。例如,某纯滞后时间为的被控对象,采用m=4的加权平均滤波算式为)(y k=C1 y 1