數字濾波在測試設備故障診斷的應用
發布時間：2009-6-1 14:43
發布者：李寬
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在導彈測試過程中，由于大功率用電設備的頻繁開啟以及各種輻射源的存在使得導彈的測試電氣環境相當惡劣，輸入端常含有各種噪聲和干擾信號，如果對這些信號不加以處理而直接進行采集，采集出來的信號可能與信號真實值相差甚遠，可信度應該說是很低的，為了提高所得信號的可信度，必須對這些信號進行相應的處理。在傳統的模擬系統中為了提高抗干擾能力，常采用硬件濾波整形電路，而在有微機組成的自動檢測系統中，為了減小干擾源對采樣的干擾，常采用數字濾波。 數字濾波的特點 所謂數字濾波，就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾信號在有用信號中的比重，其實質上是一種程序濾波。 數字濾波與模擬濾波相比有以下特點： ·無須增加硬件設備，只需在程序進入數據處理和控制算法前，加一段數字濾波程序; ·數字濾波不需增加硬件設備，所以不存在阻抗匹配的問題; ·數字濾波可以對頻率很低的信號實現濾波，克服了模擬濾波器的缺陷; ·濾波器可以根據信號的不同，采用不同的濾波方法和濾波參數，實現一些特殊濾波，具有靈活、方便、功能強的特點; ·數字濾波極大地簡化了數據采集系統的復雜性，提高了系統的可靠性。 數字濾波方法 根據導彈地測設備故障診斷系統所測信號性質的不同，提出并采用了以下三種數字濾波方法。 智能濾波法：智能濾波法又稱為程序判斷濾波法，是預先根據測試經驗，確定出采樣輸入信號可能出現的最大偏差Δy，若采樣值的偏差超過此偏差值時，則表明輸入信號是干擾信號，應去掉;如果小于偏差值，可將信號作為本次采樣值。當采樣信號由于隨機干擾，如大功率用電設備的啟動或停止，造成電流的干擾或誤檢測，以及調理板不穩定而引起的嚴重失真等，采用此法效果相當好。根據濾波方法的不同，可分為限速濾波和限幅濾波兩種。 限幅濾波 限幅濾波是將兩次相鄰采樣值相減，求出其增量(用絕對值表示)，然后與兩次采樣允許的最大差值(由被控對象實際情況決定)Δy進行比較，若小于或等于Δy，擇取當前值作為采樣值;若大于Δy，則仍去上次采樣值作為本次采樣值。程序流程圖如圖1所示： 圖1 限幅濾波流程圖 其中Y(K)、Y(K-1)分別為本次和上次采樣，Δy是經驗參數。這種濾波方法主要適用于變化比較緩慢的參數，在使用此類濾波方法時，關鍵問題是如何選取最大允許誤差Δy，Δy太大，將會引入大量的各種干擾信號，使系統誤差增大;Δy太小，又會使某些有用信號被拒之門外，使計算機采樣效率變低，由此也可能使得控制系統達不到預期的效果，因此如何選取門限Δy至關重要，通常此數依靠試驗獲得。限速濾波 限幅濾波使用兩次采樣值來決定采樣結果，而限速濾波則最多可用三次采樣值來決定采樣結果。其原理是，當|Y(K)-Y(K-1)|>Δy時，不像限幅濾波其那樣，用Y(1)作為本次采樣，而是再來一次，取得Y(3),然后根據|Y(3)-Y(2)|與Δy的關系來確定本次采樣值。具體判別原則如下： 設采樣時刻t1、t2、t3所采集的參數分別是：Y(1)、Y(2)、Y(3)，那么： 當|Y(2)-Y(1)|≤Δy時，Y(2)作為采樣值輸入計算機; 當|Y(2)-Y(1)|>Δy時，Y(2)不采用，但仍保留，繼續采樣得Y(3); 當|Y(3)-Y(2)|≤Δy時，Y(3)作為采樣之輸入計算機; 當|Y(3)-Y(2)|>Δy時，則取(Y(2)+Y(3))/2輸入計算機。 限速濾波是一種折衷的方法，既照顧了采樣的實時性，又顧及了采樣值變化的連續性，但這種方法也有明顯的缺陷，首先是Δy的確定不夠靈活，必須根據現場情況不斷地更換新值;不能反映采樣點數N>3時，各采樣數值受干擾情況。此濾波程序流程圖如圖2所示。 圖2 限速濾波流程圖 中值濾波法：所謂中值濾波就是對某一參數連續采樣n次(一般n取奇數)，然后把n次采樣值從小到大或從大到小排列，把區間中間值作為本次采樣值，中值濾波對于由于偶然因素引起的波動或采樣器不穩定而造成的誤差引起的脈動干擾比較有效。若變量變化比較緩慢，濾波效果就較好，對于速度變化快的信號則不適用此法，中值濾波其設計的實質就是排序。經過試驗，這種濾波方法對于比較穩定的直流小信號電壓的測量還是很奏效的。其程序流程如圖3所示。 圖3 中值濾波流程圖 平均濾波法：在各種控制測量場所，經常會遇到尖脈沖干擾現象。干擾通常只影響到個別采樣點的數據，此采樣點的數據與其他采樣點的數據相差甚大，如用一般平均值法，則將干擾平均到計算結果中去，故平均法不易消除脈沖干擾的影響。為此，可采取先對N個采樣值進行比較，去掉其中最大的和最小的一個或幾個值，然后計算余下點的平均值，這種方法不僅可以濾除脈沖干擾，也可濾去小的隨機干擾，經試驗，N取4較合適。實驗結果及分析 本實驗的目的主要是檢驗該檢測診斷系統測量電壓的精度、穩定性和抗干擾能力。為了實現這一目的，本實驗采用了標準信號源A(信號源電壓精度為1‰)的高精度信號作輸入信號，然后通過本檢測系統對這些標準信號進行采集并將結果記錄以觀察該檢測診斷系統的精度、穩定性和抗干擾能力。 本實驗將幅值為500mV的直流電壓輸入到該系統的小信號電壓測量輸入端，然后將此小信號電壓經調理板調理之后送到A/D板進行采集，本實驗進行了數十次，每次為一組，且每次是獨立的，每次連續采集50個數據�，F摘錄10組數據(表1)，每組10個數。 表1 小信號電壓數據 單位: 毫伏 ·信號受干擾比較強烈，如果直接將采集到的數據作為原始信號將會有很大的誤差; ·干擾信號主要來自電磁干擾、熱噪聲等，是隨機的; ·這些信號也是有規律的，如果選用合適的濾波方法也能取得較好的效果。采用數字濾波法如中值濾波法就能得到比較好的效果，但是采樣樣本必須足夠大，至少50次以上。 結語 由于該故障診斷系統測量的信號不管是種類還是數量都特別的多，有交流電也有直流電，有強電也有弱電，如果處理上稍有不慎就會使信號之間相互影響、相互干擾，特別是一些小信號很容易被干擾信號或噪聲所淹沒，面對這種情況，一次次失敗教訓的基礎上，在盡量保持硬件不變的前提下，從軟件入手采用數字濾波的方法對系統進行改進，最后終于取得了實驗的成功。 采用數字濾波技術對導彈地測設備進行故障診斷，可以根據信號的不同，采用不同的濾波方法和濾波參數，實現一些特殊濾波，具有靈活、方便、功能強、開發周期短的特點，而且極大地簡化了數據采集系統的復雜性，提高了系統的可靠性。經過試驗現場的實際運行，結果表明文中提出的三種數字濾波方法有效的抑制了所采集信號中的虛假成份，充分提取了故障診斷所需信號的全部信息，為故障診斷提供了真實、可靠的依據。 |
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