數(shù)字濾波在測試設(shè)備故障診斷的應(yīng)用

在導(dǎo)彈測試過程中，由于大功率用電設(shè)備的頻繁開啟以及各種輻射源的存在使得導(dǎo)彈的測試電氣環(huán)境相當(dāng)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(jìn)行采集，采集出來的信號可能與信號真實(shí)值相差甚遠(yuǎn)，可信度應(yīng)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(jìn)行相應(yīng)的處理。在傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)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(jī)組成的自動檢測系統(tǒng)中，為了減小干擾源對采樣的干擾，常采用數(shù)字濾波。
　　數(shù)字濾波的特點(diǎn)
　　所謂數(shù)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(shí)質(zhì)上是一種程序濾波。
　　數(shù)字濾波與模擬濾波相比有以下特點(diǎn)：
　　·無須增加硬件設(shè)備，只需在程序進(jìn)入數(shù)據(jù)處理和控制算法前，加一段數(shù)字濾波程序;
　　·數(shù)字濾波不需增加硬件設(shè)備，所以不存在阻抗匹配的問題;
　　·數(shù)字濾波可以對頻率很低的信號實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷;
　　·濾波器可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法和濾波參數(shù)，實(shí)現(xiàn)一些特殊濾波，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn);
　　·數(shù)字濾波極大地簡化了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性。
　　數(shù)字濾波方法
　　根據(jù)導(dǎo)彈地測設(shè)備故障診斷系統(tǒng)所測信號性質(zhì)的不同，提出并采用了以下三種數(shù)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(yù)先根據(jù)測試經(jīng)驗，確定出采樣輸入信號可能出現(xiàn)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(yīng)去掉;如果小于偏差值，可將信號作為本次采樣值。當(dāng)采樣信號由于隨機(jī)干擾，如大功率用電設(shè)備的啟動或停止，造成電流的干擾或誤檢測，以及調(diào)理板不穩(wěn)定而引起的嚴(yán)重失真等，采用此法效果相當(dāng)好。根據(jù)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(shí)際情況決定)Δy進(jìn)行比較，若小于或等于Δy，擇取當(dāng)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(jīng)驗參數(shù)。這種濾波方法主要適用于變化比較緩慢的參數(shù)，在使用此類濾波方法時，關(guān)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(tǒng)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(jī)采樣效率變低，由此也可能使得控制系統(tǒng)達(dá)不到預(yù)期的效果，因此如何選取門限Δy至關(guān)重要，通常此數(shù)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(jié)果，而限速濾波則最多可用三次采樣值來決定采樣結(jié)果。其原理是，當(dāng)|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(jù)|Y(3)-Y(2)|與Δy的關(guān)系來確定本次采樣值。具體判別原則如下：
　　設(shè)采樣時刻t1、t2、t3所采集的參數(shù)分別是：Y(1)、Y(2)、Y(3)，那么：
　　當(dāng)|Y(2)-Y(1)|≤Δy時，Y(2)作為采樣值輸入計算機(jī);
　　當(dāng)|Y(2)-Y(1)|>Δy時，Y(2)不采用，但仍保留，繼續(xù)采樣得Y(3);
　　當(dāng)|Y(3)-Y(2)|≤Δy時，Y(3)作為采樣之輸入計算機(jī);
　　當(dāng)|Y(3)-Y(2)|>Δy時，則取(Y(2)+Y(3))/2輸入計算機(jī)。
　　限速濾波是一種折衷的方法，既照顧了采樣的實(shí)時性，又顧及了采樣值變化的連續(xù)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(jù)現(xiàn)場情況不斷地更換新值;不能反映采樣點(diǎn)數(shù)N>3時，各采樣數(shù)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(shù)連續(xù)采樣n次(一般n取奇數(shù))，然后把n次采樣值從小到大或從大到小排列，把區(qū)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(wěn)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(shè)計的實(shí)質(zhì)就是排序。經(jīng)過試驗，這種濾波方法對于比較穩(wěn)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(jīng)常會遇到尖脈沖干擾現(xiàn)象。干擾通常只影響到個別采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，此采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)與其他采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相差甚大，如用一般平均值法，則將干擾平均到計算結(jié)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(jìn)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(diǎn)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(jī)干擾，經(jīng)試驗，N取4較合適。
　　實(shí)驗結(jié)果及分析
　　本實(shí)驗的目的主要是檢驗該檢測診斷系統(tǒng)測量電壓的精度、穩(wěn)定性和抗干擾能力。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本實(shí)驗采用了標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)對這些標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行采集并將結(jié)果記錄以觀察該檢測診斷系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和抗干擾能力。
　　本實(shí)驗將幅值為500mV的直流電壓輸入到該系統(tǒng)的小信號電壓測量輸入端，然后將此小信號電壓經(jīng)調(diào)理板調(diào)理之后送到A/D板進(jìn)行采集，本實(shí)驗進(jìn)行了數(shù)十次，每次為一組，且每次是獨(dú)立的，每次連續(xù)采集50個數(shù)據(jù)。現(xiàn)摘錄10組數(shù)據(jù)(表1)，每組10個數(shù)。
表1 小信號電壓數(shù)據(jù) 單位: 毫伏

　　通過對表1數(shù)據(jù)分析可以得出如下結(jié)論：
　　·信號受干擾比較強(qiáng)烈，如果直接將采集到的數(shù)據(jù)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(jī)的;
　　·這些信號也是有規(guī)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(shù)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(jié)語
　　由于該故障診斷系統(tǒng)測量的信號不管是種類還是數(shù)量都特別的多，有交流電也有直流電，有強(qiáng)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(xùn)的基礎(chǔ)上，在盡量保持硬件不變的前提下，從軟件入手采用數(shù)字濾波的方法對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，最后終于取得了實(shí)驗的成功。
　　采用數(shù)字濾波技術(shù)對導(dǎo)彈地測設(shè)備進(jìn)行故障診斷，可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法和濾波參數(shù)，實(shí)現(xiàn)一些特殊濾波，具有靈活、方便、功能強(qiáng)、開發(fā)周期短的特點(diǎn)，而且極大地簡化了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)過試驗現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行，結(jié)果表明文中提出的三種數(shù)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(shí)、可靠的依據(jù)。