文档介绍：第三章(1) 数据处理技术
本章要点:
引言

在计算机控制系统中,数据采集是最基本的一种模式。一般是通过传感器、变送器把生产过程的各种物理参数转换成电信号,然后经A/D通道或DI通道,把数字量送入计算机中。计算机在对这些数字量进行显示和控制之前,还必须根据需要进行相应的数据处理。
数据处理离不开数值计算,而最基本的数值计算为四则运算。由于控制系统中遇到的现场环境不同,采集的数据种类与数值范围不同,精度要求也不一样,各种数据的输入方法及表示方法也各不相同。因此,为了满足不同系统的需要,设计出了许多有效的数据处理技术方法,如预处理,数字滤波,标度变换,查表和越限报警等。
测量数据预处理技术
▪对测量数据的予处理是计算机控制系统数据处理的基础,这包括数字调零技术、系统校准技术以及输入、输出数据的极性与字长的予处理技术。
系统误差的自动校准
在控制系统的测量输入通道中,一般均存在放大器等器件的零点偏移和漂移,会造成放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象,它们都会影响测量数据的准确性,这些误差都属于系统误差。它的特点是在一定的测量条件下,其变化规律是可以掌握的,产生误差的原因一般也是知道的。因此,系统误差是可以通过适当的技术方法来确定并加以校正的,一般采用软件程序进行处理,即可对这些系统误差进行自动校准。

零点偏移是造成系统误差的主要原因之一,因此零点的自动调整在实际应用中最多,常把这种用软件程序进行零点调整的方法称为数字调零。
图7-1 数字调零电路
数字调零电路如图7-1所示。在测量输入通道中,CPU分时巡回采集1路校准电路与n路传感变送器送来的电压信号。首先是第0 路的校准信号即接地信号,理论上电压为零的信号,经放大电路、A/D转换电路进入CPU的数值应当为零,而实际上由于零点偏移产生了一个不等于零的数值,这个值就是零点偏移值N0;然后依次采集1、2、… n路,每次采集到的数字量N1、N2、… Nn值就是实际值与零点偏移值N0之和。计算机要进行的数字调零就是做一次减法运算,使(Ni- N0)的差值成为本次测量的实际值。很显然,采用这种方法,可去掉放大电路、A/D转换电路本身的偏移及随时间与温度而发生的各种漂移的影响,从而大大降低对这些电路器件的偏移值的要求,降低硬件成本。

上述数字调零不能校正由传感器本身引入的误差。为了克服这种缺点,可采用系统校准处理技术。
系统校准的原理与数字调零差不多,只是把测量电路扩展到包括现场的传感器,而且不是在每次采集数据时都进行校准,而是在需要时人工接入标准参数进行校准测量,把测得的数据存储起来,供以后实际测量使用。一般自动校准系统只测一个标准输入信号VR,零点漂移的补偿仍由数字调零来完成。
麝鼠字调零后测得标准输入信号VR的数据为NR,而测得实际被测输设数字调零后测得标准输入信号VR的数据为NR,而测得实际被测输入信号V时的数据为N,则可按如下校准式来计算V。
(7-1)
系统校准特别适于传感器特性随时间会发生变化的场合。如电容式湿度传感器,其输入输出特性会随着时间而发生变化,一般一年以上变化会大于精度容许值,这时可每隔一段时间(例如3个月或6个月),用其它精确方法测出这时的湿度值,然后把它作为校准值输入测量系统。在实际测量湿度时,计算机将自动用该输入值来校准以后的测量值。
数据极性的预处理
控制系统中处理的信号很多是双极性的,如温度
压力、位置、角度信号等。这就要求在实施控制时,不仅要考虑信号的幅度,还要考虑到信号的极性。为此,在对A/D转换后的数据和D/A转换前的数据进行处理前,必须根据数据的极性先进行预处理,才能保证得到正确的结果。
系统中有的输入信号是单极性的,而输出信号则要求是双极性的,如流量、压力等控制回路;有的则是要求输入和输出信号都是双极性的,如位置、角度等控制回路。下面就这两种情况分别加以讨论。
、输出信号同为双极性
在输入、输出都是双极性信号的控制系统中,程序处理的输入和输出数据不仅反映信号幅度的大小,
也反映信号的极性。假设信号的变化范围为-5V~+5V,信号经A/D转换得到的数字量为00H~FFH 数字量的最高位D7表示信号的极性。当D7=0时,表示输入信号为负极性,即数字量00H~7FH表示-5V~0V的模拟信号;当D7=1时,表示输入信号为正极性,即数字量7FH~FFH表示0V~+5V的模拟信号。
在由双极性信号组成的闭环定值控制系统中,设给定信号为R,采样输入信号为Z,则偏差值E = R - Z。因为R 和 Z 的值对应的是双极性信号,所以偏差值E 也是