[发明专利]工业控制应用中用于信号数字处理及滤波的方法和装置

说明书

本发明涉及在工业控制应用中信号的数字处理及滤波，尤其涉及可用来显著减小模拟信号测量中的噪声含量的信号处理和滤波的方法和装置。

典型地，一个工业控制器测量一输入信号，所述输入信号例如可以来自一传感器。所述来自传感器的模拟信号被一标准模拟/数字转换器转换为一代表该模拟信号的数字信号。常见的情况下输入控制器的模拟传感器信号中的噪声很大。因此，代表了传感器信号的数字信号将反映出此噪声含量。

通常在控制器中使用标准的数字信号处理技术（例如一现有技术的滞后滤波器或移动均值滤波器）来降低输入信号中的噪声含量。使用这种标准的数字信号处理技术所带来的问题是必须兼顾噪声抑制和信号响应时间。换句话说，一个严重衰减信号含量将很好地消除噪声，然而它对一有效信号变化的响应将很慢，另一方面，一个轻微衰减信号能很好地跟踪有效信号变化然而它也将比严重衰减信号更多地跟踪噪声因而其噪声抑制性能较差。

用于一离散的时间框（例如以微处理器为基本组件之控制器）的滞后滤波器可具有如下的形式的控制周期：

lag（n）＝lag（n-1）+ (w（n）-lag（n-1）)/(衰减权重) （1）

其中w（n）是传感器信号的当前值，lag（n-1）是来自前一控制周期的滞后滤波器的值，lag（n）是当前控制周期中滞后滤波器的值而衰减权重决定了滤波器的响应。可以注意到字母n对应于一分时间隔如一控制周期，其中w（n）是一由标准的模拟/数字转换器完成的输入模拟传感器信号w（t）的取样测量值。

滞后滤波器是通过比较传感器的新值和滞后滤波器先前值间的差值而工作的。滞后滤波器当前值等于滞后滤波器先前值加上以衰减权重值来表示的所述差值的分数。有时滞后滤波器用离散的时间间隔定义为如下的等式：

lag（n）＝lag（n-1）+ (dt[w（n）-lag（n-1）])/(TC+dt) （2）

其中dt是控制周期的时间间隔，TC是与滤波器的衰减权重有关的时间常数。例如，在由所述时间常数确定的时间内此滤波器的输出响应可达到输入幅值的63.2%。

与滞后滤波器相反，一移动均值滤波器中包括了许多个先前储存测量值和一个当前测量值。所述移动均值滤波器的输出就是预定个数的所储存测量值的平均值。一移动均值取如下的形式：

MA（n）＝ (w（n）+w（n-1）+w（n-2）…)/(储存值的个数) （3）

其中MA（n）为移动均值滤波器的当前输出，w（n）、w（n-1）等是传感器信号以前的一些值。

当被储存的值的个数更多时，就要对个数更多的样本取平均值，从而产生更好的噪声抑制性能。然而，如果信号具有一有效的变化，移动均值的输出对其作出的响应将较慢。可通过以下的方法来理解这一点，移动均值中所储存的值越多，使传感器信号输入发生变化而应被变化的储存值也将越多。与滞后滤波器相同，需同时兼顾噪声抑制和有效信号响应。如果对较少的值进行存储和平均则对有效信号变化的可进行更紧密的跟踪，但这必须以较差的噪声抑制性能为代价。

本发明的“灵巧（Smart）滤波器”中采用了一独特的非现有技术的方法，它可以决定如何在一循环形式的每个控制周期中调节一数值。其新颖性在于本发明区分出现在工业控制器的输入端的随机噪声，噪声尖峰和真实的输入信号变化的能力。所述灵巧滤波器使用这一区别来规定滤波器的动态衰减权重系数。本发明可使用任一型式的滤波器或数字信号处理（DSP）技术，例如（但不局限于这些），滞后滤波器，加窗滤波器或移动均值滤波器。

图1是一可使用本发明的灵巧滤波器的一工业处理控制环路的一般方框图。

图2是图1所示环路的控制器中用于完成本发明之功能的硬件的方框图。

图3是一描述了欲作出本发明之灵巧滤波器所必须的编程逻辑的流程图。

图4示出了一有噪声的阶跃输入信号及在一现有技术的滞后型滤波器和本发明的灵巧滤波器之输出端上最后得到的波形的曲线图。

图5示出了作为与理想的阶跃电压相比较的有噪声的信号、滞后滤波器响应和灵巧滤波器响应的实时误差的曲线图。

图6示出一在其上叠加有大的噪声尖峰的稳态输入信号的曲线图。所述滞后滤波器响应及灵巧滤波器响应也示于图中。

图7描述了与本发明的灵巧滤波器之推广相关联的编程逻辑的流程图。