压力传感器动态数字滤波的实现方法图文.docx
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压力传感器动态数字滤波的实现方法图文
匡亘垂塑雯亚亟壅垂薹蛩
传感器与仪器仪表
文章编号"1008--0570(2008)12--1--0127.-02
一种压力传感器动态数字滤波的实现方法
AMethodfor
Dynamo,dig加tfilterImplementationofPressureSensors
(南京工业大学)毛丽民孙冬梅程明霄
MAO
Li--minSUNDon9・mei
CHENGMing--xiao
摘要:
本文运用高斯一牛顿法,根据压力传感器的响应曲线建立了传感器的动态模型。
该方法可使拟合结果逼近无偏估计。
从而提高拟合的精度。
为提高传感器动态特性.采用零极点配置法根据动态模型设计了动态补偿数字滤波器。
运用Altera提
供的DSPBuilder开发工具从Simulink模型自动生成vHDL代码.并在FPGA上实现了3阶llR的数字滤波器,通过仿真取得了较好的效果。
.
关键词:
高斯—牛顿法;压力传感器:
数字滤波器
中图分类号:
TP212
文献标识码:
A
Abstract:
ThisarticleutilizesC,BUSS—Newtonmethod.hasestablished
the
fllj,llSOr
dynamicmodelaccording
to
thepressure.8P,n,solr
re.
sponseClllWe.Thismethod
ellll.b]e
thefittingretsuh
to
approach
theunbiassedestimate,andP,nhallCtp
fittingprecision.Dynamical
corn・
pensatordigitall融terforPressure.flP,llsorhasbeendesigned
byzero—poleplacementaceor(1ing
to
dynamicmodel
UsingDSPBuilderwhichprovidedby
Alterahasautomaticallyproduced
theVHDLcode
fromtheSimulinkmodel,has
realized
1t
3
stepsIIRfilter
Oil
FPGA,andtakethe#rood
effectthroughthesimulation.
‘
Keywords:
Gauss-Nqewtonmetlaod;Pressuresen.sol';Digital脚ter
引言
在测控系统中,最重要的部件是传感器。
为了准确掌握被测对象的运动规律。
首先应了解传感器的参数、动态特性是否符合测试要求,如不符合或有偏差则需要进行调整或改善。
研究传感器动态特性的一种有效方法是对传感器进行动态特性的校准,根据实验结果进行数据处理,建立全面描述传感器动态特性的动态数学模型。
本文运用高斯一牛顿法方法。
通过对观测的输入输H{数据
进行曲线拟合,提取了被研究对象的数学模型。
依据得到的传递函数模型设计动态补偿滤波器,以改善和扩展传感器本身的幅频特性.扩展其丁作频带。
1单位幅度矩形脉冲法
在传感器模拟系统中对象的S传函是对象单位脉冲响应甬数的拉氏变换.容易联想到在计算机控制系统中对象的z传函应该与矩形脉冲的时域响应是否有着某种联系。
0
T
图l矩形脉冲
定义如图l所示的其宽度为计算机控制系统采样周期T’高度为l的矩形脉冲D(t)为单位幅度矩形脉冲,则单位幅度矩形脉冲D(t)可以看成单位阶跃函数1(t)和1(t.T)的差,即:
D(t)=l(t)一l(t—T)
(1)因此.D(t)的手i)=氏变换为:
D(s)=(1一e。
T。
)/S(2)
毛丽民:
硕士研究生
若对象的S传函为G(s)。
则对象在单位幅度矩形脉冲作用下输出的托氏变换为:
y(s)=G(s)・(1一e“8)/s
(3)
这个结果是非常巧的,由于计算机控制系统有输出保持器存在.所以计算机控制系统中控制器面对的是广义对象:
G。
(s)=G(s)宰(1一e一。
’)/s
(4)
而不是G(s)0非常幸运的是。
G:
(s)正好是y(s)。
这比一般模拟系统的相应结果方便多了.因为一般模拟系统要在单位脉冲函数6(f)的作用下才得到y(s)=G(s)的结果,理想占(r)函数是无法实现的.只能用矩形脉冲近似代替,得到的只是近似解。
而在计算机控制系统中,却能用单位幅度矩形脉冲得到
G3㈨精确解。
在模型处理上:
计算机控制系统也比模拟系统方
便,因为在实际系统中只能得到对应于G。
(s)或G(s)的对象时域
响应函数g。
(t)或g(t)。
在模拟系统中常用的传函形式是G(s上在
计算机控制系统中常用的传函形式是G(z):
G(z)=z[G(S)+(1一e4’)/s]
(5)
由g(t、曲线计算G(s)是比较繁琐的。
而由g。
(t)曲线计算G(z)则非常简捷。
因为G(z)的幂级数展开式正好对应于脉冲响应|甬数g(t)的离散形式g:
(fn,i--1,2,…。
因此,只需对g。
(f)按采样周期T采样。
得到的数据g。
0r)构成级数:
G|[z)=∥(矿+矿舻叫’(3n一+…
(6)
就得到G(z)的幂级数展开形式。
于是.町以用宽度为采样周期T・高为l的单位幅度矩形脉冲
作用于被控对象.然后按采样周期T对对象输出进行采样,所得的数据按照f6)式构成级数就得到对象在计算机控制模式下的z传函G(z)的幂级数展开形式。
这个方法称为单位幅度矩形脉冲法。
2高斯一牛顿法
前面讨论的单位幅度矩形脉冲法在采样周期T比较小的
@蝴圈邮局订阅号:
82-946360元,年-127—
万方数据
传感器与仪器仪表
中文核J出期刊(微i.-I-算机信息》(测控自动化)2008年第24卷第12-1期
时候实阳i应州效果小太好。
这是凶为x,lx,l象的激励程度与矩形式中,。
.-}。
用所希望的一个实数极点和一对共轭复极点去
脉冲的面积即冲量有关。
当T较小时由于输入对象的冲昔较代替传感器的极点,而零点不变。
当确定毒、蛾及q后,即得到
小.其输出幅度也较小。
干扰信号对辩识结果的影响就比较明
补偿环节的模型。
显。
并且实际对象总带有一定的非线性撤励程度过小将使辩识
依据实验数据,高斯一牛顿法方法得到的模型为式
的1:
作点低于实际运行的工作点过多,因而得到的模型与实际,,、0.002489+0.00205lz。
1+0.001715Z-2+0.002029z-3
(13)
运行时的模型相差过大。
”’
l一277621+2.625z-2一o-84lz七
高斯一牛顿法的基本思想是把非线性模型在未知参数初
采用双线性变换得到…1.7tza’_ooss'+27.031,+9478A447s+9.15119(14)
值处进行线性化,按最小二乘准则平差估计出一次近似值.然一
矿+l删+仍8孤∞臼+a8373elo
后以该近似值作为下一次线性化的初值,反复迭代计算逐次逼近真正的极小点。
设一般的非线性模型为:
Y=f(X,口)+£式中/’为一般函
数,X可以是单个自变量,也可以是r个自变量;X=(^,而,…,‘)9为p维数向量,即0=(0。
,0:
,…0。
)。
;£为随机误差项,且£∈N(0,盯2),设对y和工通i立脚次观测,得到组数据(而,at:
…,矗M)
i=l口m
x,,的两个角标,第一个代表观测序号,i=1口m;第一
个代表自变量序号,=l口,.。
求“最小二乘”拟合曲线,就是求p的估计值0,使得(7)为最小。
s(p)=∑£?
=∑【Y,一f(X,,0)】2
(7)
对于非线性模型,无法直接求“最dx-"乘”解。
若把它对待
定参数0=(q,02,…,8。
)‘在%,=(pIfo),色fo)'…,Op(o))处展开成
只包括一次项的泰勒级数,从而使非线性模型线性化。
为方便起见,以下Z(日)用代替/(五,8),文献中导出了满足式(7)
qt+”=q★}+【‘,(最k))-,(最k))】。
1J。
(最k,)ly-f(包k))l
(8)
式中k为递推次数。
Y=(M,Y2,…%)’,,(q。
。
)=【Z(q。
.),正@。
.),…,埘(q。
,)】。
用式(8)
从%,开始,一步步递推下去。
直到%)收敛为止.即IB“,一qt“
的值小于或者等于预先指定的小正数6,从而得到p的估计值日。
应用高斯一牛顿法,针对压力传感器的动态校准实验中所
测数据,建立传感器的动态数学模型。
图1是激波管动态校准中,某压力传感器的实测响应曲线.横坐标为采样点,采样频率为4MHZ。
由于激波管可以产生上升时间小于1us的压力阶跃,恒压持续时间一般町达7410ms,因此将输入视为理想阶跃信号,于是被较传感器的响应即为阶跃响应。
图2传感器的阶跃响应曲线
得到传递函数为:
G.Iz)=—0.00—24819+i000丽20芦5lz忑'+函000芦17石15z丽-z+70.00—2029z-J(9)
3动态补偿数字滤波器的设计
设传感器三阶模型为H(,):
1生£之生±生L
(10)
J。
+aIS‘+a2S+a3
设计补偿环节为风(s)=善等萎毒绷(11)
此时,等效系统为啪)=意裟端
…)
选乒o.707,0)n=1000,q=lo,建立补偿环节为
G0)=
s3+1424s2+1014140s+le7
图3零极点配置法设计补偿器的效果l-卒h偿前的阶跃响应;2一补偿后的阶跃响应;
经过补偿,扩展了传感器的带宽,传感器的动态特性得到
了明显改善。
用零极点配置法设计补偿数字滤波器,其特点是:
(1)零极点配置法设计补偿环节,要依据传感器的模型。
所以对建模精度有一定要求。
但并不严格。
由于人为控制极点,补偿效果比较明显。
(2)x,-J-于高阶系统,采用降阶的方法去近似处理以及用低阶补偿环节去校正。
4基于DSPBuilder自动生成VHDL代码及设计数字滤波器的设计流程
DSP
Builder是Altera公司开发的基于Simulink的FPGA
设计T具,它加速了用FPGA实现DSP的开发流程,实现了Simulink系统仿真模型到FPGA实现代码之间的无缝链接。
通过这一工具,结合Simulink和Matlab,给用户提供了一个无缝的自上而下的FPGA解决方案:
系统结构设计小组可使用
DSP
Builder提供的模块在Simulink中搭建系统的模型进行仿
真.并可直接从该模型自动地生成呵综合的VHDL代码,两者的逻辑功能有着一一对应的关系.从而排除了以前可能而且经常出现的FPGA实现与Sireulink系统仿真模型逻辑功能不相符的情况.大大缩短了产品的开发周期。
图4三阶HR滤波器结构(下转第149页)
一128—360.,L/年邮局订阅号:
82-946
万方数据
匣画墅塑垂堕亟亟困
故障诊断
设置置信度=0.8,根据置信度筛选出最后的规则集合。
如表(卜.转第128页)4约简n所对应的规则集所示。
设计步骤:
表4约简i对应的规则集
1.在MATLAB/Simulink中建立一个}.mdl模型文件,用图
规则
置信度
CI=l
C2=l
C3=lC4-=0
CSffi0C6=0C7=0
C8--0C9;0l
Cl卸C2=0
c3=0
C4=I
C5=lC6ffilC7=0C8=O
C9=0lCl=0
C2=0
C3卸C4--0
C5=0C6---0C7=l
C。
8=0
C9:
0IC1卸C2=0C3=0
C4ffi0
C5--0
C6=0
C7=0
C8ffil
C9=I
I
5结论
本文给出了基于粗糙集理论的提升机故障诊断规则获取
方法,并以提升机故障诊断实例验证其有效性。
该方法可用于
信息不完备、完备情况下的故障诊断的规则获取。
该方法能得出完备、最简的决策规则,通过求各规则的置信度,可以证明该方法是切实有效的。
本文作者创新点:
将基于粗糙集理论的规则获取方法应用于提升机故障诊断中去,并给出相应的算法及实验证明。
参考文献
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微计算机信息,2006,22:
2—1
作者简介:
胡启飞(198l一),男(汉),山东省泰安市人,硕士研究生,主要研究领域故障诊断;夏士雄(1961一)。
男(汉),黑龙江省鹤岗市人,教授,博士生导师。
主要研究领域数据处理与信息融
合;牛强(1970一),男(汉),辽宁省沈阳市人。
博士研究生,主要研
究方向:
数据挖掘与知识获取。
Biography:
HUQi-fei(1981一),Male(Han),Shandong
Taian,
China
University
of
Mining
and
Technology,Master,Major
in
ComputerApplication,Research
in
Rough
Set
and
Fault
Diagnosis.
(221008江苏徐州中国矿业大学计算机科学与技术学院)胡启飞夏士雄牛强
(SchoolofComputerScience&TechnologyCUMT.XUZHOUJIANGSU221008)HUQj一托iXIAShi-xiongNit/QiaI唱
通讯地址:
(22l∞8江苏徐州中国矿业大学文昌校区计算机学院05级研究生l胡启飞
(收稿Et期:
2008.10.23)(修稿日期:
2008.1I.18)
形方式调用AlteraDSP
Builder和其它Simulink库中的图形模
块进行设计输入。
如图4所示.使用DSPBuilder提供的模块搭建IIR滤波器模型
瓯(z)=
1.1126—6.6759z一1+13.3525z。
2—8.902lz一3
1—6.4501z~+13.8029z~一9.8055z。
(16)
2.通过Altera
DSP
Builder中的SignalCompiler模块把设计
的模型文件转化为通用的硬件描述语言VHDL件。
5结语
本文介绍的方法简明实用,动态建模结果与实验数据吻合较好.模型准确度高。
阶次较低,其中IIR可用较低的阶数获得高
的选择性。
所用的存储单元少,计算量小,效率高。
利用Ahera
DSP
Builder从Simulink模型自动生成FPGA实现代码的设计
流程.使得设计者可以利用Simulink快捷灵活的仿真功能和Matlab强大的数据分析能力进行FPGA系统级的仿真.并使得设计者从手T编写VHDL.Verilog等实现代码的繁琐工作中解放出来.而专注于在Simulink搭建系统模型的工作上.缩短了设计周期.提高了设计的灵活性。
本文作者创新点:
采用建模补偿方法分别对瞬变信号和顺便信息进行滤波的设计,该滤波算法在FPGA上能够快速、有效的实现。
参考文献:
…谢剑英等.微型计算机控制技术【M】.北京:
国防工业出版社,
1999.3.
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216-217
『41潘松,黄继业,王国栋.现代DSP技术【M】.西安:
西安电子科技大学出版社.2004.
【51方开泰.实用回归分析【M】.北京:
科学出版社,1988.168—172
作者简介:
毛丽民,(198l一),男,汉族,硕士研究生主要研究方
向测试仪器仪表设计及动态数据分析;孙冬梅,(1975一)女,汉族.南京理1二大学博士讲师,主要研究方向高压测量系统的非线性模型辨识;程明霄,(1950一),男,汉族,南京下业大学自动化学院教授.主要研究方向为测控技术、智能仪器。
Biography:
MAOLi-min《1981一),male,theHannationality,a
graduate
student,mainlyresearchs
on
Measuring
instrument
measuringappliancedesign
anddynamicdataanalysis
(210009南京南京工业大学)毛丽民孙冬梅程明霄
通讯地址:
(210009南京南京工业大学丁家桥校区新模范马路5号99#l毛丽民
(收稿日期:
2008.10.23)(修稿I:
t期:
2008.11.18)
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3607L/-149—
万方数据
一种压力传感器动态数字滤波的实现方法
作者:
毛丽民,孙冬梅,程明霄,MAOLi-min,SUNDong-mei,CHENGMing-xiao作者单位:
南京工业大学,南京,210009刊名:
微计算机信息
英文刊名:
CONTROL&AUTOMATION年,卷(期:
2008,24(34被引用次数:
0次
参考文献(5条
1.谢剑英微型计算机控制技术1999
2.徐科军传感器动态特性的实用研究方法1999
3.马军爽.李振东一种改善压力传感器曲线拟合特性的方法[期刊论文]-微计算机信息20074.潘松.黄继业.王国栋现代DSP技术20045.方开泰实用回归分析1988
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2011年3月14日
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