專利名稱：工業(yè)控制應(yīng)用中用于信號(hào)數(shù)字處理及濾波的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在工業(yè)控制應(yīng)用中信號(hào)的數(shù)字處理及濾波，尤其涉及可用來顯著減小模擬信號(hào)測(cè)量中的噪聲含量的信號(hào)處理和濾波的方法和裝置。
典型地，一個(gè)工業(yè)控制器測(cè)量一輸入信號(hào)，所述輸入信號(hào)例如可以來自一傳感器。所述來自傳感器的模擬信號(hào)被一標(biāo)準(zhǔn)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為一代表該模擬信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。常見的情況下輸入控制器的模擬傳感器信號(hào)中的噪聲很大。因此，代表了傳感器信號(hào)的數(shù)字信號(hào)將反映出此噪聲含量。
通常在控制器中使用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(例如一現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器或移動(dòng)均值濾波器)來降低輸入信號(hào)中的噪聲含量。使用這種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)所帶來的問題是必須兼顧噪聲抑制和信號(hào)響應(yīng)時(shí)間。換句話說，一個(gè)嚴(yán)重衰減信號(hào)含量將很好地消除噪聲，然而它對(duì)一有效信號(hào)變化的響應(yīng)將很慢，另一方面，一個(gè)輕微衰減信號(hào)能很好地跟蹤有效信號(hào)變化然而它也將比嚴(yán)重衰減信號(hào)更多地跟蹤噪聲因而其噪聲抑制性能較差。
用于一離散的時(shí)間框(例如以微處理器為基本組件之控制器)的滯后濾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))/(衰減權(quán)重) (1)其中w(n)是傳感器信號(hào)的當(dāng)前值，lag(n-1)是來自前一控制周期的滯后濾波器的值，lag(n)是當(dāng)前控制周期中滯后濾波器的值而衰減權(quán)重決定了濾波器的響應(yīng)。可以注意到字母n對(duì)應(yīng)于一分時(shí)間隔如一控制周期，其中w(n)是一由標(biāo)準(zhǔn)的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器完成的輸入模擬傳感器信號(hào)w(t)的取樣測(cè)量值。
滯后濾波器是通過比較傳感器的新值和滯后濾波器先前值間的差值而工作的。滯后濾波器當(dāng)前值等于滯后濾波器先前值加上以衰減權(quán)重值來表示的所述差值的分?jǐn)?shù)。有時(shí)滯后濾波器用離散的時(shí)間間隔定義為如下的等式lag(n)＝lag(n-1)+ (dt[w(n)-lag(n-1)])/(TC+dt) (2)其中dt是控制周期的時(shí)間間隔，TC是與濾波器的衰減權(quán)重有關(guān)的時(shí)間常數(shù)。例如，在由所述時(shí)間常數(shù)確定的時(shí)間內(nèi)此濾波器的輸出響應(yīng)可達(dá)到輸入幅值的63.2%。
與滯后濾波器相反，一移動(dòng)均值濾波器中包括了許多個(gè)先前儲(chǔ)存測(cè)量值和一個(gè)當(dāng)前測(cè)量值。所述移動(dòng)均值濾波器的輸出就是預(yù)定個(gè)數(shù)的所儲(chǔ)存測(cè)量值的平均值。一移動(dòng)均值取如下的形式MA(n)＝ (w(n)+w(n-1)+w(n-2)…)/(儲(chǔ)存值的個(gè)數(shù)) (3)其中MA(n)為移動(dòng)均值濾波器的當(dāng)前輸出，w(n)、w(n-1)等是傳感器信號(hào)以前的一些值。
當(dāng)被儲(chǔ)存的值的個(gè)數(shù)更多時(shí)，就要對(duì)個(gè)數(shù)更多的樣本取平均值，從而產(chǎn)生更好的噪聲抑制性能。然而，如果信號(hào)具有一有效的變化，移動(dòng)均值的輸出對(duì)其作出的響應(yīng)將較慢。可通過以下的方法來理解這一點(diǎn)，移動(dòng)均值中所儲(chǔ)存的值越多，使傳感器信號(hào)輸入發(fā)生變化而應(yīng)被變化的儲(chǔ)存值也將越多。與滯后濾波器相同，需同時(shí)兼顧噪聲抑制和有效信號(hào)響應(yīng)。如果對(duì)較少的值進(jìn)行存儲(chǔ)和平均則對(duì)有效信號(hào)變化的可進(jìn)行更緊密的跟蹤，但這必須以較差的噪聲抑制性能為代價(jià)。
本發(fā)明的“靈巧(Smart)濾波器”中采用了一獨(dú)特的非現(xiàn)有技術(shù)的方法，它可以決定如何在一循環(huán)形式的每個(gè)控制周期中調(diào)節(jié)一數(shù)值。其新穎性在于本發(fā)明區(qū)分出現(xiàn)在工業(yè)控制器的輸入端的隨機(jī)噪聲，噪聲尖峰和真實(shí)的輸入信號(hào)變化的能力。所述靈巧濾波器使用這一區(qū)別來規(guī)定濾波器的動(dòng)態(tài)衰減權(quán)重系數(shù)。本發(fā)明可使用任一型式的濾波器或數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)，例如(但不局限于這些)，滯后濾波器，加窗濾波器或移動(dòng)均值濾波器。


圖1是一可使用本發(fā)明的靈巧濾波器的一工業(yè)處理控制環(huán)路的一般方框圖。
圖2是圖1所示環(huán)路的控制器中用于完成本發(fā)明之功能的硬件的方框圖。
圖3是一描述了欲作出本發(fā)明之靈巧濾波器所必須的編程邏輯的流程圖。
圖4示出了一有噪聲的階躍輸入信號(hào)及在一現(xiàn)有技術(shù)的滯后型濾波器和本發(fā)明的靈巧濾波器之輸出端上最后得到的波形的曲線圖。
圖5示出了作為與理想的階躍電壓相比較的有噪聲的信號(hào)、滯后濾波器響應(yīng)和靈巧濾波器響應(yīng)的實(shí)時(shí)誤差的曲線圖。
圖6示出一在其上疊加有大的噪聲尖峰的穩(wěn)態(tài)輸入信號(hào)的曲線圖。所述滯后濾波器響應(yīng)及靈巧濾波器響應(yīng)也示于圖中。
圖7描述了與本發(fā)明的靈巧濾波器之推廣相關(guān)聯(lián)的編程邏輯的流程圖。
本發(fā)明的靈巧濾波器可用于如圖1中的8那樣的一工業(yè)過程控制應(yīng)用中。如圖1中所示，所述過程控制應(yīng)用8包括一控制器10和一區(qū)域處理系統(tǒng)13。所述控制器10包括比例、積分和微分(“PID”)單元9，在所述單元中包括PID算法。區(qū)域處理系統(tǒng)包括激勵(lì)器14，過程15和傳感器16。所述控制器10在某些離散的時(shí)間間隔(通常稱為控制周期)內(nèi)作用于區(qū)域處理系統(tǒng)13。
所述過程15的實(shí)際輸出17所需的值作為設(shè)定值(“SP”)出現(xiàn)在控制器的輸入7上。傳感器16感知實(shí)際的過程輸出以在輸入12上提供模擬過程變量(“PV”)信號(hào)至控制器。所述模擬PV代表了實(shí)際過程輸出17的值。所述控制器響應(yīng)于PV和SP，使用PID算法運(yùn)算并在其輸出11上產(chǎn)生控制輸出(“CO”)。所述控制輸出通過激勵(lì)器14被饋入過程15。
現(xiàn)參見圖2，其中示出了控制器10的一簡(jiǎn)化了的方框圖。控制器10包括微處理器5，它可通過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)19在輸出端11上改變控制信號(hào)，并能通過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)18監(jiān)視PV(一模擬信號(hào))。所述DAC19將由微處理器產(chǎn)生的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出端11上的模擬控制輸出。所述ADC18將模擬PV信號(hào)轉(zhuǎn)換為一數(shù)字信號(hào)。ADC18的取樣時(shí)間通常與控制周期相同。
與微處理器5相關(guān)聯(lián)的是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)3和可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)4。用于運(yùn)行微處理5的內(nèi)部程序被儲(chǔ)存于EPROM4中。所述微處理器5可使用RAM3來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，例如代表了由傳感器16所得到的實(shí)際過程輸出值的數(shù)字信號(hào)。在EPROM4中執(zhí)行的程序?qū)⒅甘疚⑻幚砥?如何操作RAM3中的數(shù)據(jù)或它應(yīng)如何改變控制器10的輸出11上的控制輸出。
其中可使用本發(fā)明的靈巧濾波器的應(yīng)用8的一個(gè)例子是用來控制過程15的溫度。在這種應(yīng)用中可將一熱電偶用作傳感器16來提供代表了過程輸出17上之溫度的輸入信號(hào)12。一些熱電偶的電壓與溫度的關(guān)系非常靈敏。例如，一“S”型熱電偶對(duì)于華氏1度的溫度變化僅產(chǎn)生3微伏的電壓。在噪聲很大的工業(yè)應(yīng)用中可以很容易地產(chǎn)生比在熱電偶傳感器的輸入端上的3微伏大幾個(gè)數(shù)量級(jí)的噪聲。因此，溫度的讀數(shù)可僅僅由于噪聲而跳起幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這在過程控制及監(jiān)視應(yīng)用中顯然是無法接受的。
現(xiàn)參見圖3，它示出了可實(shí)現(xiàn)所述靈巧濾波器的EPROM4中編程邏輯的流程圖。通過對(duì)流程圖所作的描述，我們可以明白，所述靈巧濾波器是把本發(fā)明的方法及裝置和一種濾波器相結(jié)合而得的裝置，所述濾波器例如可以是但并不限于結(jié)合圖3而描述過的現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器。由圖3流程圖的描述還可以知道，本發(fā)明的方法及裝置提供了一個(gè)用于濾波器的因數(shù)(以下稱作“濾波器因數(shù)”)來處理裝置的輸入端處的數(shù)字信號(hào)。
所述編程邏輯采用一種技術(shù)來決定輸入信號(hào)的變化是由于噪聲還是由于一有效的信號(hào)變化引起的。如以下將作詳述的那樣，所述邏輯使用了可提供對(duì)裝置輸入端處信號(hào)方向的趨勢(shì)作出過去分析的信息。所述趨勢(shì)信息(以下作“趨勢(shì)指示)包括一代表了該趨勢(shì)之以往歷史的因數(shù)。如以下也將更為詳細(xì)地描述的那樣。所述邏輯采用了最近的趨勢(shì)指示以合理的置信度來決定當(dāng)時(shí)在裝置輸入端處的信號(hào)是或不是噪聲的特性。如果輸入端處的信號(hào)被認(rèn)為不是噪聲特性，則所述邏輯將通過對(duì)趨勢(shì)指示調(diào)整一個(gè)量，這個(gè)量以下稱作“跟蹤可信度(tracking credit)”。所述跟蹤可信度實(shí)際上是又一個(gè)置信度，表明輸入信號(hào)的改變不是噪聲特性。所述技術(shù)將現(xiàn)有技術(shù)的濾波器之有效信號(hào)響應(yīng)時(shí)間與噪聲抑制之間平衡降至最小。以下將描述編程邏輯中特定的步驟。
參見圖3中的流程圖，步驟21中的靈巧濾波器取得了在當(dāng)前控制周期上測(cè)量得到的PC新值并減去來自步驟30的舊平均值以決定差值。所述舊平均值是前一控制周期靈巧濾波器的輸出。一個(gè)根據(jù)步驟26或27而決定的累積狀態(tài)字節(jié)(CSB)的絕對(duì)值和舊平均值一起被儲(chǔ)存在RAM3中并與使用靈巧濾波器的每一PV輸入信號(hào)(圖3的邏輯可被用于多個(gè)PV)相聯(lián)系。CSB是趨勢(shì)指示。CSB的絕對(duì)值在步驟22中被參照AMT1而檢查。AMT1在靈巧濾波器將開始把輸入信號(hào)以為是不同于噪聲的真正的變化電平之前被選作一趨勢(shì)出現(xiàn)率的最少值。步驟24顯示出如果CSB小于AMT1則不會(huì)給出可信度。
為了進(jìn)行說明且并不限制本發(fā)明的范圍，為AMT1選擇了一個(gè)數(shù)值2。當(dāng)CSB的絕對(duì)值等于或超過所述AMT1的數(shù)值時(shí)，如步驟22和23中可看到的為這個(gè)輸入的變化給出了跟蹤可信度。所述可信度具有一個(gè)比例因數(shù)AMT2，它可在使用靈巧濾波器的應(yīng)用中被設(shè)置為例如一個(gè)雙倍于最大預(yù)計(jì)噪聲電平的數(shù)值。比例因數(shù)AMT2在輸入信號(hào)幅度的改變被允許提供給可信度之前決定必須出現(xiàn)在輸入信號(hào)幅度中的最小改變。在這一例子中基于圖4中所示的輸入信號(hào)中的隨機(jī)噪聲電平AMT2的值被確定為0.4。如果以整數(shù)形式儲(chǔ)存且可信度CSB的絕對(duì)值小于AMT2，則可信度為0(即可信度被截去)。
接下來在步驟25中，靈巧濾波器通過與CSB比較差值的極性，從而決定所述差值的絕對(duì)值是比AMT3的數(shù)值小(這代表了輸入信號(hào)被認(rèn)為是噪聲的最大幅度)還是所述增值與CSB中的以前的趨勢(shì)相矛盾，如果上述所作決定中任何一個(gè)是真實(shí)的，則如步驟27中所述那樣CSB回到零。AMT3可被設(shè)置在一個(gè)值，它確定了在靈巧波波器的輸出值附近一加窗范圍的數(shù)值，在所述范圍內(nèi)需最大衰減權(quán)重，在這種情況下選AMT3的值為0.02。
如果CSB趨勢(shì)與增值相同則在步驟26中調(diào)節(jié)CSB，做法是在CSB上加可信度并在增值符號(hào)函數(shù)輸出[sign(DELTA)]上加可信度，如果增值是正的，所述sign(DELTA)輸出+1，如果增值是0，則輸出0，如果增值是負(fù)的，則輸出-1。隨后靈巧濾波器在步驟28中基于所述經(jīng)過調(diào)節(jié)的CSB值來決定比例(SCALAR)值，即濾波因數(shù)。在這個(gè)例子中所述SCALAR值被限定為一正值或零，這里負(fù)值被設(shè)置為零。步驟28中的max(0，應(yīng)答值)函數(shù)在應(yīng)答值為正時(shí)產(chǎn)生應(yīng)答值，在應(yīng)答值為0或負(fù)時(shí)產(chǎn)生零。AMT4來確定所需的最大SCALAR值;因而，這確定了最重(最大)衰減權(quán)重。步驟28顯示了當(dāng)CSB為0時(shí)所述SCALAR將為最大且不會(huì)小于零。
在步驟29中靈巧濾波器的輸出是用分?jǐn)?shù)部分的當(dāng)前增值來調(diào)節(jié)先前輸出而得到。所述調(diào)節(jié)包括把增值除以SCALAR的平方再加上AMT5的數(shù)值。數(shù)值A(chǔ)MT5可被設(shè)置為所希望的衰減權(quán)重的最小值。注意到AMT5必須大于零以防止在步驟29中出現(xiàn)被零除。在這一例子中AMT5等于1。在離開程序之前，所述舊平均值被設(shè)置為步驟30中的當(dāng)前輸出值。
這里值得注意的是，本發(fā)明中的步驟29可用一現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器來代替，所述濾波器的時(shí)間常數(shù)由步驟28的SCALAR值來確定，同樣地，一現(xiàn)有技術(shù)的移動(dòng)均值濾波器也可代替步驟29。其中儲(chǔ)存平均測(cè)量值的個(gè)數(shù)要根據(jù)步驟28中的SCACAR值而定。本發(fā)明的這一靈活性允許多種濾波器形式均得益于靈巧濾波器的性能。
作為本發(fā)明靈巧濾波器的一個(gè)例子，結(jié)合圖3的流程圖使用上述值。
圖4至6示出了靈巧濾波器在存在噪聲的處理方面優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器。一現(xiàn)有技術(shù)的移動(dòng)平均值型濾波器可通過分別調(diào)節(jié)所儲(chǔ)存數(shù)值的個(gè)數(shù)和衰減權(quán)重而以與現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器非常相似的方式工作。因而，為了進(jìn)行說明僅將衰減權(quán)重為8的現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器與本發(fā)明的靈巧濾波器作比較。
由圖4至6及以下的說明可以看到，為了在信號(hào)接近穩(wěn)態(tài)時(shí)使滯后濾波器達(dá)到靈巧濾波器的衰減必須增加所述滯后濾波器的衰減權(quán)重。然而，提高了現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器的衰減權(quán)重同時(shí)也降低了滯后濾波器的跟蹤能力由此增加了所述濾波器的階躍響應(yīng)時(shí)間(即，一更慢更遲緩的響應(yīng))。同樣地，降低滯后濾波器的衰減權(quán)重以允許其更密切地跟蹤信號(hào)響應(yīng)將犧牲滯后濾波器的噪聲濾波性能。
圖4至6的幅度和時(shí)間刻度是不相關(guān)的，這是因?yàn)樗鼈兊目潭纫佬再|(zhì)和應(yīng)用而定。因而，衰減權(quán)重、控制周期時(shí)間和相應(yīng)的輸入電平可根據(jù)不同的過程控制應(yīng)用而變化;但是，與現(xiàn)有技術(shù)的濾波技術(shù)相比靈巧濾波器所提供的總體優(yōu)點(diǎn)仍可加以應(yīng)用。
圖4中所示的輸入階躍信號(hào)42上疊加有噪聲。圖4示出了對(duì)于階躍輸入信號(hào)42的靈巧濾波器的響應(yīng)40和現(xiàn)有技術(shù)的滯后型濾波器的響應(yīng)41。對(duì)于階躍輸入信號(hào)的理想的輸出響應(yīng)是一理想的階躍波形。由圖4可見，與現(xiàn)有技術(shù)的滯后型濾波器的響應(yīng)相比較，靈巧濾波器的響應(yīng)反映了這一特性。
圖5示出的波形提供了小型濾波器響應(yīng)50，現(xiàn)有技術(shù)滯后濾波器響應(yīng)51及帶噪聲的階躍輸入信號(hào)52與理想階躍響應(yīng)相比較的實(shí)時(shí)誤差。所述帶噪聲的輸入信號(hào)52只是疊加在理想階躍上的噪聲。滯后濾波器誤差51示出了在階躍出現(xiàn)處附近的急速跳變及逐漸衰減。這是因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)的滯后型濾波器對(duì)信號(hào)中的實(shí)際階躍具有一較慢的響應(yīng)(響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng))。開始時(shí)滯后濾波響應(yīng)大約在達(dá)到階躍的數(shù)值時(shí)結(jié)束，隨著時(shí)間的推移，滯后濾波響應(yīng)慢慢地接近階躍，這在這時(shí)成為滯后濾波響應(yīng)中誤差的主要原因。靈巧濾波器開始時(shí)的誤差與滯后濾波器相同，但是靈巧濾波器的響應(yīng)的恢復(fù)比現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器響應(yīng)的恢復(fù)要快得多。
與圖5中每個(gè)波形相聯(lián)系的是一個(gè)“平方誤差和”。所述對(duì)應(yīng)于各波形的平方誤差和是由先從每一濾波響應(yīng)中減去理想階躍響應(yīng)再在每一周期將其數(shù)量進(jìn)行平方而決定的。隨后對(duì)示于圖中的時(shí)間間隔內(nèi)的各個(gè)響應(yīng)把這些來自每一周期的平方值之差相加。平方誤差和是比較靈巧濾波器和現(xiàn)有技術(shù)滯后濾波器對(duì)于理想階躍響應(yīng)之響應(yīng)的一種方法。因而，平方誤差和越小則濾波器對(duì)于階躍的響應(yīng)越好。由圖5可見靈巧濾波器的平方誤差和最小因而它有最好的響應(yīng)。
可以注意到在圖中所示的時(shí)間框上，滯后濾波器會(huì)產(chǎn)生比噪聲本身更多的誤差。這是由于滯后濾波器固有的緩慢階躍響應(yīng)導(dǎo)致了在這一時(shí)間框上主要的誤差。若給出一個(gè)只有一個(gè)階躍的更長(zhǎng)的時(shí)間框，則滯后濾波器的輸出誤差將可能降低至噪聲誤差以下，然而其性能仍比本發(fā)明的靈巧濾波器來得差。
圖6示出了其上疊加有大噪聲尖峰的一穩(wěn)態(tài)輸入信號(hào)62。因?yàn)樗龃笤肼暭夥宀皇怯行У男盘?hào)變化，過程控制器對(duì)它們將不作出響應(yīng)。如在圖6中可以看到的那樣，靈巧濾波器響應(yīng)60在輸入噪聲尖峰存在的情況下仍連續(xù)進(jìn)行濾波。然而，滯后濾波器響應(yīng)61受到每一個(gè)噪聲尖峰的影響，雖然噪聲尖峰并不是有效的信號(hào)變化。因而，與靈巧濾波器響應(yīng)60相比，所述滯后濾波器又一次將更多的誤差帶進(jìn)了實(shí)際信號(hào)(在這種情況下是DC)。
如上所述，靈巧濾波器的響應(yīng)實(shí)質(zhì)上優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器。雖然圖4至6中未示出，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將明了靈巧濾波器的響應(yīng)將同樣優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的移動(dòng)均值型濾波器的響應(yīng)。此外，使用現(xiàn)有技術(shù)的移動(dòng)均值型濾波器的一個(gè)缺點(diǎn)在于其固有的對(duì)噪聲尖峰的噪聲阻扼能力差。當(dāng)噪聲尖峰作為所存儲(chǔ)的測(cè)量值之一輸入時(shí)，移動(dòng)均值的輸出連續(xù)地對(duì)所述噪聲尖峰與其它所儲(chǔ)存的測(cè)量值同等地進(jìn)行加權(quán)直至噪聲尖峰測(cè)量值在按時(shí)間順序儲(chǔ)存的測(cè)量值的限定數(shù)量中被取代為止。這將使現(xiàn)有技術(shù)的移動(dòng)平均值輸出產(chǎn)生一接近于方波的效果。
圖3的步驟25可改變?yōu)樵谶@些過程控制應(yīng)用中允許使用靈巧濾波器，在所述應(yīng)用中信號(hào)響應(yīng)的方向指示了所述信號(hào)和噪聲的特性。在這些類型的應(yīng)用中步驟25中對(duì)CSB和DELTA設(shè)置為零的電平可設(shè)置為不同的數(shù)值。例如，不同于步驟25中的一個(gè)限制條件‘(DELTA(＝0)＆(CSB＞0)’，可將此限制條件改為‘(DELTA＜＝-1)＆(CSB＞2)’。除非增值小于-1且CSB大于2，這將防止CSB消除。這種響應(yīng)將對(duì)正向信號(hào)與反向信號(hào)給出不同的響應(yīng)。
在不要求具備所述靈巧濾波器的所有高級(jí)性能的應(yīng)用中本發(fā)明可得以簡(jiǎn)化。例如，通過用‘CREDIT＝1’來代表步驟23，用‘SCALAR＝0’來代替步驟26，用‘SCALAR＝所希望的最大衰減設(shè)置’來代替步驟27，并去除步驟28我們可容易地完成以下功能為了跟蹤信號(hào)，在保持絕對(duì)增值大于AMT3的同時(shí)，AMT1將代表信號(hào)必須與趨勢(shì)一致的控制周期的個(gè)數(shù)，否則通過最大SCALAR來衰減信號(hào)。
上述的本發(fā)明可用于需要一低通濾波器裝置的場(chǎng)合?？赏ㄟ^將步驟22中的‘＞＝’改為‘＜’;將步驟25中的‘DELTA＞＝’改為‘DELTA＜’;‘DELTA＜＝’改為‘DELTA＞’;‘＜AMT3’改為＞＝AMT3’;使用本發(fā)明來實(shí)現(xiàn)一種高通濾波器形式的裝置。
步驟22主要用來區(qū)別信號(hào)中的有效變化和加在信號(hào)上的噪聲尖峰。步驟22可以用一功能來代替，所述功能將詢問“前一周期的增值是否在當(dāng)前周期的增值A(chǔ)MT7的范圍內(nèi)？”AMT7可以是一個(gè)例如為0.154的幅值或是該值的百分值例如20%。
可對(duì)傳至濾波器的SCALR值進(jìn)行平方，立方或代表2的乘冪以達(dá)到靈巧濾波器衰減改變的加速率。例如一值為3的SCALAR可被立方以通過值為27的衰減權(quán)重。在一不同的情況下值為3的SCALAR代表2的乘冪，而由2的3次冪得到衰減權(quán)重為8。
當(dāng)值用浮點(diǎn)表示時(shí)可完成圖3的流程圖中本發(fā)明所必需的程序。然而，本發(fā)明的靈巧濾波器也可方便地使用于整型格式的應(yīng)用。為了甚至于在衰減權(quán)重因數(shù)非常大的情況下跟蹤輸入信號(hào)，用于整數(shù)的靈巧濾波器將在變化中加一個(gè)二進(jìn)制位。例如，步驟29中輸出仍將是用比例增值加以調(diào)節(jié)的舊平均值;然而，人們總是希望對(duì)比例增值進(jìn)行四舍五入至下一個(gè)整數(shù)，因而除非增量為零它將不會(huì)是零。另一方面，人們可根據(jù)增值的符號(hào)來簡(jiǎn)便地增大或減小舊平均值當(dāng)符號(hào)為正時(shí)增大舊平均值，符號(hào)為負(fù)時(shí)減小舊平均值。值為零的增值將不會(huì)增大或減小所述舊平均值。
此外，本發(fā)明可被用于一移動(dòng)均值濾波器的應(yīng)用中，在所述濾波器中經(jīng)平均的存儲(chǔ)測(cè)量值個(gè)數(shù)的變化反映了SCALAR的數(shù)值;因而，濾波及快速響應(yīng)可以采用移動(dòng)均值的形式來完成?？刂破?0(見圖1)將按時(shí)間順序存儲(chǔ)在輸入12上的一定個(gè)數(shù)的過程可變信號(hào)的測(cè)量值?？刂破魉鎯?chǔ)的測(cè)量值的個(gè)數(shù)將反映用于移動(dòng)均值所希望的最重(最大)衰減權(quán)重。
移動(dòng)均值的一種應(yīng)用可使用28的SCALAR項(xiàng)平方加1來表示有多少個(gè)測(cè)理值將被求平均值以決定靈巧濾波器的輸出。例如，如果控制器為移動(dòng)均值靈巧濾波器存儲(chǔ)了多至10個(gè)數(shù)值，當(dāng)前SCALAR為2，則SCALAR平方后加1為5而所述移動(dòng)均值靈巧濾波器的輸出是最后5個(gè)測(cè)量值的平均。
本發(fā)明的另一種形式使用了一種根據(jù)靈巧濾波器的SCALAR的多循環(huán)迭代的方法。來自步驟28的作根據(jù)的SCALAR值由1的值開始高至CSB的絕對(duì)值。所述經(jīng)平方的SCALAR值將表示在每一周期內(nèi)一很重(很大)衰減權(quán)重滯后濾波器應(yīng)重復(fù)運(yùn)行多少次。因而，如果CSB是0，SCALAR為1而SCALAR的平方為1，滯后濾波器運(yùn)行僅一次。如果CSB為4則SCALAR的平方為16而滯后濾波器在該控制周期內(nèi)將反復(fù)運(yùn)行16次?？梢钥吹剑瑴鬄V波器反復(fù)運(yùn)行的次數(shù)越多，對(duì)信號(hào)中的變化的跟蹤也越密切。同樣地，滯后濾波器每周期運(yùn)行得越少，噪聲阻扼的效果越差。
此外，本發(fā)明并不限于將使用來自步驟28中的SCALAR的平方項(xiàng)作為決定濾波器的權(quán)重的一種方法;SCALAR可被進(jìn)行立方或僅使用SCALAR值。然而，SCALAR的平方項(xiàng)提供了一加速的動(dòng)態(tài)濾波權(quán)重，它使靈巧濾波器用最少的處理時(shí)間在一相當(dāng)?shù)亩虝r(shí)間間隔內(nèi)由重衰減至快速跟蹤作出響應(yīng)。
本發(fā)明的另一種形式是加窗濾波器型式，它使用加窗值來決定衰減權(quán)重。例如，步驟29示出了帶有可被一組由CSB的加窗值決定的衰減權(quán)重來替換的‘SCALAR＾2+AMT5’的項(xiàng)。所述替換可以是例如‘IF｜CSB｜＜2 then the damping weight is 16，else damping weight is 4’。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于僅使用一有限個(gè)數(shù)的權(quán)重窗(在本情況下為2)且在CSB值附近設(shè)置了窗以決定衰減權(quán)重。
圖7示出了本發(fā)明的一種推廣，它可使信號(hào)趨勢(shì)位于由AMT3設(shè)置的確定的噪聲頻帶內(nèi)。因而，如果絕對(duì)增值小于AMT3而CSB未消失，所述趨勢(shì)被用-NB-CSB(它是噪聲頻帶累積狀態(tài)字節(jié))在所述頻帶內(nèi)進(jìn)行分析。靈巧濾波器中的這一增添的復(fù)雜性可提供對(duì)于噪聲頻帶內(nèi)發(fā)生的真實(shí)信號(hào)變化的更快的響應(yīng)。圖7中的步驟70將替代圖3中的步驟25。同樣地，步驟74替代步驟27。圖3中的所有其它步驟保留如同圖7中所附加的步驟。
在步驟70中，靈巧濾波器通過比較增值對(duì)CSB的極性而決定增值是否為零或增值是否與CSB中的先前趨勢(shì)相反。如果是在此情況下，則CSB和NB-CSB如步驟74中所示均被設(shè)置為零。否則，在步驟71中絕對(duì)增值被檢查以決定它是否小于AMT3，如果不是，則如72所示進(jìn)入步驟26。
如果絕對(duì)增值小于AMT3則我們進(jìn)入步驟73。在這里我們將在由AMT3所確定的噪聲頻帶內(nèi)工作。步驟73通過使用比較增值對(duì)NB-CSB的極性以決定增值是否與NB-CSB的先前噪聲頻帶趨勢(shì)相反。應(yīng)當(dāng)看到，NB-CSB宜為一同樣存儲(chǔ)在RAM中的“噪聲頻帶趨勢(shì)指示”。如果噪聲趨勢(shì)與信號(hào)變化(增值)不一致，則我們進(jìn)入步驟74。否則，如果它們相一致，則NB-CSB如步驟75中所示那樣被sign(DELTA)函數(shù)加以調(diào)節(jié)且進(jìn)入步驟77。
步驟77詢問噪聲頻帶趨勢(shì)NB-CSB的絕對(duì)值是否大于或等于AMT6。如果是，NB-CSB在步驟78中被重新置為0且隨后如72所示進(jìn)入步驟26，在這里CSB將被調(diào)節(jié)以顯示趨勢(shì)被識(shí)別。AMT6通過在噪聲頻帶內(nèi)同方向的連續(xù)信號(hào)趨勢(shì)的個(gè)數(shù)來設(shè)置，AMT6可構(gòu)成一有效信號(hào)變化。例如，如果AMT6被設(shè)置為5，則要求在調(diào)節(jié)CSB以提供一有效信號(hào)變化之前對(duì)于至少5個(gè)連續(xù)控制周期在噪聲頻帶內(nèi)信號(hào)趨向同一方向。
應(yīng)該注意，可根據(jù)使用本發(fā)明完成的在一種特殊型式來限定CSB，NB-CSB和CREDIT的值。例如，如果CSB和NB-CSB被用作帶符號(hào)的字節(jié)而不是凈字節(jié)，這些數(shù)值必須被限定為最多為127的十進(jìn)制絕對(duì)值以防止溢出字節(jié)。這一建議同樣適用于其它數(shù)值例如CREDIT，并推廣至不同的整數(shù)表示法(即多字節(jié))，或浮點(diǎn)執(zhí)行過程。
本發(fā)明這一推廣的另一有價(jià)值的性質(zhì)在于，NB-CSB可被用于在前面對(duì)于整型格式應(yīng)用中描述過的增量-減量功能。這是因?yàn)檫@一推廣允許在噪聲頻帶內(nèi)進(jìn)行信號(hào)跟蹤，因而，對(duì)于整型應(yīng)用而言，為了跟蹤一信號(hào)變化，靈巧濾波器的輸出不再需要不經(jīng)考慮地改變1。僅當(dāng)｜NB-CSB｜如步驟77中那樣到達(dá)AMT6時(shí)才改變1，這就保持了其信號(hào)跟蹤能力而不需要靈巧濾波器的輸出每一周期都變化。
我們可以理解，對(duì)較佳實(shí)施例的描述僅是為了進(jìn)行說明而并不局限本發(fā)明。常規(guī)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的人員可以對(duì)所揭示的特定實(shí)施例進(jìn)行某些增加，刪除或修改，這些并不會(huì)離開如所附權(quán)項(xiàng)所限定的本發(fā)明的精神或其范圍。
權(quán)利要求
1.在一種裝置中，包括一輸入和一輸出，所述裝置在重復(fù)出現(xiàn)的預(yù)定時(shí)間間隔中工作，一種方法用于在當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間內(nèi)在所述輸入上處理一數(shù)字信號(hào)以在所述輸出上提供一經(jīng)濾波的數(shù)字信號(hào)，所述裝置包括用來存儲(chǔ)在所述輸出上的所述經(jīng)濾波的數(shù)字信號(hào)的裝置和一趨勢(shì)指示，其特征在于，所述方法包括以下步驟a)計(jì)算在所述當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間在所述裝置輸入端上的所述數(shù)字信號(hào)和在先前出現(xiàn)的所述預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間存儲(chǔ)在所述儲(chǔ)存裝置內(nèi)的所述裝置輸出上的經(jīng)濾波的數(shù)字信號(hào)之間的幅值之差；b)決定在所述先前出現(xiàn)的所述預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間存儲(chǔ)于所述存儲(chǔ)裝置中的趨勢(shì)指示是否允許一跟蹤可信度；c)作為所述數(shù)字信號(hào)的一假定的噪聲頻帶和所述數(shù)字信號(hào)幅度之差的函數(shù)計(jì)算所述允許的跟蹤可信度，該數(shù)字信號(hào)在所述先前出現(xiàn)的所述預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間出現(xiàn)在所述裝置的輸入上；d)比較所述數(shù)字信號(hào)幅度與下列各項(xiàng)間的差；i所述趨勢(shì)指示；和ii基于所述假定的噪聲頻帶之函數(shù)的一預(yù)定值；將所述趨勢(shì)指示作如下改變i.當(dāng)所述差和所述趨勢(shì)指示不一致或所述差的絕對(duì)值小于所述基于所述假定的噪聲頻帶之函數(shù)的預(yù)定值時(shí)，改變?yōu)?；或ii.通過將所述允許的跟蹤可信度和一相應(yīng)于所述差的極性的預(yù)定值加在所述趨勢(shì)指示上；e)基于在所述當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間內(nèi)變化的所述趨勢(shì)指示的函數(shù)來計(jì)算一濾波因數(shù)；f)在所述裝置中使用所述濾波因數(shù)以由此在所述裝置輸出上提供所述經(jīng)濾波的數(shù)字信號(hào)；且g)用在所述先前出現(xiàn)的所述預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間在所述裝置輸出上的經(jīng)濾波的數(shù)字信號(hào)及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)裝置中的所述趨勢(shì)指示來替代，在所述存儲(chǔ)裝置中用在所述當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間變化的所述經(jīng)濾波的數(shù)字信號(hào)和所述趨勢(shì)指示。
2.在一種裝置中，包括一輸入和一輸出，所述裝置在重復(fù)出現(xiàn)的預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)工作，一種方法，用于在當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間在所述輸入上處理一數(shù)字信號(hào)以由此在所述輸出上提供一經(jīng)濾波的數(shù)字信號(hào)，在所述輸入上的所述數(shù)字信號(hào)具有一假定的噪聲頻帶，所述裝置包括用于存儲(chǔ)在所述輸出上的所述經(jīng)濾波的數(shù)字信號(hào)的裝置，第一趨勢(shì)指示和一基于所述假定的噪聲頻帶上的第二趨勢(shì)指示，其特征在于，所述方法包括以下步驟a)計(jì)算在所述當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間在所述裝置輸入上的所述數(shù)字信號(hào)與在所述先前出現(xiàn)的所述預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)裝置中位于所述裝置輸出上的所述經(jīng)濾波的數(shù)字信號(hào)間的幅值之差;b)決定在所述先前出現(xiàn)的預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)裝置中的所述第一趨勢(shì)指示是否允許一跟蹤可信度;c)噪聲頻帶和所述數(shù)字信號(hào)幅度之差的函數(shù)計(jì)算所述允許的跟蹤可信度，該數(shù)字信號(hào)在所述當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間出現(xiàn)在所述裝置輸入上;d)比較所述數(shù)字信號(hào)幅度與下列各項(xiàng)間的差ⅰ.所述第一趨勢(shì)指示;ⅱ.基于所述假定的噪聲頻帶函數(shù)的一第一預(yù)定值;和ⅲ.零;以將所述第一和所述第二趨勢(shì)指示中兩者或任何一者改變?yōu)榱?ⅰ.如果所述差和所述第一趨勢(shì)指示不一致;或ⅱ.如果所述差等于零;或如果所述差的絕對(duì)值小于基于所述假定的噪聲頻帶之函數(shù)的所述第一預(yù)定值且所述差與所述第二趨勢(shì)指示不一致;或?qū)⑺鲈试S的跟蹤可信度及相應(yīng)于所述差的極性的一第一預(yù)定值加在所述第一趨勢(shì)指示上，如果所述差的絕對(duì)值不小于所述基于所述假定噪聲頻帶的函數(shù)的第一預(yù)定值;或通過將所述第二趨勢(shì)指示加到一相應(yīng)于所述差的極性的一第二預(yù)定值上以改變所述第二趨勢(shì)指示，如果所述差與所述第二趨勢(shì)指示相一致，且隨后，如果所述第二趨勢(shì)指示的絕對(duì)值大于基于所述假定噪聲頻帶之函數(shù)的一第二預(yù)定值，改變所述第二趨勢(shì)指示至零且在所述第一趨勢(shì)指示上加上允許的跟蹤可信度和所述相應(yīng)于所述差的極性的所述第一預(yù)定值;e)計(jì)算在所述當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間變化的基于所述第一趨勢(shì)指示之函數(shù)的一波濾因數(shù);f)在所述裝置中使用所述濾波因數(shù)以由此在所述裝置輸出上提供所述經(jīng)濾波的數(shù)字信號(hào);且g)用在所述先前出現(xiàn)的所述預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間在所述裝置輸出上的經(jīng)濾波的數(shù)字信號(hào)和存儲(chǔ)于所述存儲(chǔ)裝置中的所述第一和第二趨勢(shì)指示來替代在所述存儲(chǔ)裝置中，用在所述當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時(shí)間間隔之一的期間變化的所述經(jīng)濾波的數(shù)字信號(hào)及所述第一和第二趨勢(shì)指示。
全文摘要
一裝置，它結(jié)合了方法、裝置及一濾波器，濾波器可以是一種滯后濾波器。方法和裝置提供一由濾波器在裝置輸入上處理數(shù)字信號(hào)的因數(shù)。該方法能確定輸入信號(hào)的變化原因是噪聲還是有效信號(hào)的變化。該方法中使用了裝置輸入處給出信號(hào)方向趨勢(shì)的過去分析的信息，用最近的趨勢(shì)指示，確定裝置輸入上的當(dāng)前信號(hào)是否是噪聲特性。如果不是，則通過一跟蹤可信度調(diào)節(jié)趨勢(shì)指示。本方法使有效信號(hào)響應(yīng)時(shí)間及濾波器噪聲阻扼間的折衷減到最小。
文檔編號(hào)G06F3/05GK1112751SQ9312044
公開日1995年11月29日 申請(qǐng)日期1993年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月15日
發(fā)明者理查德·J·莫爾納 申請(qǐng)人:國際自動(dòng)化控制信貸股份有限公司