两种滤波算法在液压数据采集系统中的应用与研究

大型船舶中某些关键设备的设计，需要先建立试验平台，进行试验，获取设计数据。对数据进行分析、优化，为下一步设计提供最佳设计参数。此控制系统的对象为船舶发动机部分的液压系统的试验平台，通过试验得出设计液压系统的耐压参数、管道参数等。试验平台的组成有电动机、油箱、管道回路等。采集主油器、注油器、调速器、伺服机构等进出口的压力、流量、温度参数。调整电动机的转速可以得到不同情况下压力、流量、稳定等参数。 1. 控制系统实现 测试系统以工控机为核心，集数据采集、处理、管理、控制于一体。系统结构原理如图一所示。数据采集A/D采用的PCL818-HD采集卡，考虑到控制系统中对电机控制的特殊性，故D/A模块采用巨腾公司的模拟量输出模块E-IO-AO-02。 系统为一闭环控制系统，对AO模块的要求很高，最后选择了巨腾公司的E-IO-AO-02模块。因为该模块有以下优点：1、采用泛用型模拟输入及隔离技术，并以系统芯片（SOC）科技设计而成；2、两路模拟量输出，特别是电流和电压可选的特点使得在控制中根据需要选择不同的电压和电流；3、可现场升级隔离设计，增强了系统的抗干扰能力和为以后系统的升级提供了基础；4、提供了RS485接口可以满足工业中网络和远距离的控制。 测控系统是集数据采集、处理、管理、控制于一体的计算机系统，其系统主要功能为：系统具有良好的人机交互功能，用户能快捷、准确、高效地进行主油泵运行实验、主油泵性能实验、调速器静态实验、注油器性能实验；用户可以通过此系统对指定的试验内容的各个参数进行实时采样、数据分析、存储与打印，同时还可对历史数据查询；可实现变频闭环调速控制。测试系统的软件见图二所示。 图二实验台测控系统软件 2. 平均值滤波法 数据的处理是软件的主程序，正确的数据是处理的关键。由于工业现场的多干扰源决定了现场数据的不稳定性，所以，要对误差进行分析、处理。根据数据受干扰性质及干扰后果的不同，采取的软件对策各不相同，没有固定的模式，在一般采集系统中，可以采用一些简单的数值、逻辑运算处理来达到滤波的效果，一般有这么几种方法： 2.1 平均值法 对于一个数据连续采样几次, 剔除个别错误数据，计算平均值,以平均值作为采样的结果。这种方法可以减少随机干扰的影响。 2.2 中值法 根据干扰造成采样数据偏大或偏小的情况,对1个采样点连续采集多个信号,进行比较,取中值作为采样结果。 因为船舶的工作环境恶劣，对数字信号的干扰非常大，对采集的数据必须进行软件处理即数字滤波。采用平均值滤波方法，连续采集十个数据,进行比较,剔除最大值、最小值,然后,对剩下的数据计算平均值,其平均值作为采样点的实际数据。通过这种滤波，取得了一定的效果，试验得出的滤波前后的图形见图三和图四所示。 图三滤波前波形（注油器参数0.4MP/单位，系统时间为秒） 图四平均值滤波后波形（注油器参数0.4MP/单位，系统时间为秒） 3. 自适应滤波算法 采用平均值滤波法，从图三和图四的波形比较可以看出滤波后取得了较好的效果。但是仍然有一定的干扰，需要进一步改进，故采取一种新的算法自适应滤波算法。 自适应滤波器是近30 年来发展起来的关于信号处理方法和技术的滤波器，其设计方法对滤波器的性能影响很大。自适应滤波器能够得到比较好的滤波性能， 当输入信号的统计特性未知，或者输入信号的统计特性变化时，自适应滤波器能够自动地迭代调节自身的滤波器参数，以满足某种准则的要求，从而实现最优滤波。 因此，自适应滤波器具有“自我调节”和“跟踪”能力，其原理如图五所示。 图五 自适应滤波原理图 图六 自适应滤波后波形（注油器参数0.4MP/单位，系统时间为秒） 4. 结束语 数字滤波采用上述两种算法都是比较有效的。对于平均值滤波算法从本项目试验中滤波效果没有达到预期的效果。但该算法简单，运算速度快，在干扰不是很强的工作环境下，特别在单片机采集系统中其仍然是一种非常有效的滤波算法。自适应滤波算法在干扰较强的环境中效果相当明显，为研究提供的比较精确的数据。 5. 参考文献 [1] 周连山 庄显义编著 液压系统的计算机仿真 国防工业出版社 1986 [2] 科恩 D,F,N著 自适应滤波器 复旦大学出版社 1990年 [3] 黄大卫 编著 数字滤波器 中国铁道出版社 1991年 [4] 丁玉美，高西全编著 数字信号处理 西安电子科技大学出版社 1994年