数字滤波在测试设备故障诊断的应用

2009年06月01日 14:06    李宽
关键词: 测试设备 , 故障诊断 , 数字滤波
在导弹测试过程中,由于大功率用电设备的频繁开启以及各种辐射源的存在使得导弹的测试电气环境相当恶劣,输入端常含有各种噪声和干扰信号,如果对这些信号不加以处理而直接进行采集,采集出来的信号可能与信号真实值相差甚远,可信度应该说是很低的,为了提高所得信号的可信度,必须对这些信号进行相应的处理。在传统的模拟系统中为了提高抗干扰能力,常采用硬件滤波整形电路,而在有微机组成的自动检测系统中,为了减小干扰源对采样的干扰,常采用数字滤波。
  数字滤波的特点
  所谓数字滤波,就是通过一定的计算或判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重,其实质上是一种程序滤波。
  数字滤波与模拟滤波相比有以下特点:
  ·无须增加硬件设备,只需在程序进入数据处理和控制算法前,加一段数字滤波程序;
  ·数字滤波不需增加硬件设备,所以不存在阻抗匹配的问题;
  ·数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波,克服了模拟滤波器的缺陷;
  ·滤波器可以根据信号的不同,采用不同的滤波方法和滤波参数,实现一些特殊滤波,具有灵活、方便、功能强的特点;
  ·数字滤波极大地简化了数据采集系统的复杂性,提高了系统的可靠性。
  数字滤波方法
  根据导弹地测设备故障诊断系统所测信号性质的不同,提出并采用了以下三种数字滤波方法。
  智能滤波法:智能滤波法又称为程序判断滤波法,是预先根据测试经验,确定出采样输入信号可能出现的最大偏差Δy,若采样值的偏差超过此偏差值时,则表明输入信号是干扰信号,应去掉;如果小于偏差值,可将信号作为本次采样值。当采样信号由于随机干扰,如大功率用电设备的启动或停止,造成电流的干扰或误检测,以及调理板不稳定而引起的严重失真等,采用此法效果相当好。根据滤波方法的不同,可分为限速滤波和限幅滤波两种。
  限幅滤波
  限幅滤波是将两次相邻采样值相减,求出其增量(用绝对值表示),然后与两次采样允许的最大差值(由被控对象实际情况决定)Δy进行比较,若小于或等于Δy,择取当前值作为采样值;若大于Δy,则仍去上次采样值作为本次采样值。程序流程图如图1所示:

  图1 限幅滤波流程图

  其中Y(K)、Y(K-1)分别为本次和上次采样,Δy是经验参数。这种滤波方法主要适用于变化比较缓慢的参数,在使用此类滤波方法时,关键问题是如何选取最大允许误差Δy,Δy太大,将会引入大量的各种干扰信号,使系统误差增大;Δy太小,又会使某些有用信号被拒之门外,使计算机采样效率变低,由此也可能使得控制系统达不到预期的效果,因此如何选取门限Δy至关重要,通常此数依靠试验获得。
  限速滤波
  限幅滤波使用两次采样值来决定采样结果,而限速滤波则最多可用三次采样值来决定采样结果。其原理是,当|Y(K)-Y(K-1)|>Δy时,不像限幅滤波其那样,用Y(1)作为本次采样,而是再来一次,取得Y(3),然后根据|Y(3)-Y(2)|与Δy的关系来确定本次采样值。具体判别原则如下:
  设采样时刻t1、t2、t3所采集的参数分别是:Y(1)、Y(2)、Y(3),那么:
  当|Y(2)-Y(1)|≤Δy时,Y(2)作为采样值输入计算机;
  当|Y(2)-Y(1)|>Δy时,Y(2)不采用,但仍保留,继续采样得Y(3);
  当|Y(3)-Y(2)|≤Δy时,Y(3)作为采样之输入计算机;
  当|Y(3)-Y(2)|>Δy时,则取(Y(2)+Y(3))/2输入计算机。
  限速滤波是一种折衷的方法,既照顾了采样的实时性,又顾及了采样值变化的连续性,但这种方法也有明显的缺陷,首先是Δy的确定不够灵活,必须根据现场情况不断地更换新值;不能反映采样点数N>3时,各采样数值受干扰情况。此滤波程序流程图如图2所示。

  图2 限速滤波流程图

  中值滤波法:所谓中值滤波就是对某一参数连续采样n次(一般n取奇数),然后把n次采样值从小到大或从大到小排列,把区间中间值作为本次采样值,中值滤波对于由于偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差引起的脉动干扰比较有效。若变量变化比较缓慢,滤波效果就较好,对于速度变化快的信号则不适用此法,中值滤波其设计的实质就是排序。经过试验,这种滤波方法对于比较稳定的直流小信号电压的测量还是很奏效的。其程序流程如图3所示。

  图3 中值滤波流程图

  平均滤波法:在各种控制测量场所,经常会遇到尖脉冲干扰现象。干扰通常只影响到个别采样点的数据,此采样点的数据与其他采样点的数据相差甚大,如用一般平均值法,则将干扰平均到计算结果中去,故平均法不易消除脉冲干扰的影响。为此,可采取先对N个采样值进行比较,去掉其中最大的和最小的一个或几个值,然后计算余下点的平均值,这种方法不仅可以滤除脉冲干扰,也可滤去小的随机干扰,经试验,N取4较合适。
  实验结果及分析
  本实验的目的主要是检验该检测诊断系统测量电压的精度、稳定性和抗干扰能力。为了实现这一目的,本实验采用了标准信号源A(信号源电压精度为1‰)的高精度信号作输入信号,然后通过本检测系统对这些标准信号进行采集并将结果记录以观察该检测诊断系统的精度、稳定性和抗干扰能力。
  本实验将幅值为500mV的直流电压输入到该系统的小信号电压测量输入端,然后将此小信号电压经调理板调理之后送到A/D板进行采集,本实验进行了数十次,每次为一组,且每次是独立的,每次连续采集50个数据。现摘录10组数据(表1),每组10个数。
表1 小信号电压数据 单位: 毫伏

  通过对表1数据分析可以得出如下结论:
  ·信号受干扰比较强烈,如果直接将采集到的数据作为原始信号将会有很大的误差;
  ·干扰信号主要来自电磁干扰、热噪声等,是随机的;
  ·这些信号也是有规律的,如果选用合适的滤波方法也能取得较好的效果。采用数字滤波法如中值滤波法就能得到比较好的效果,但是采样样本必须足够大,至少50次以上。
  结语
  由于该故障诊断系统测量的信号不管是种类还是数量都特别的多,有交流电也有直流电,有强电也有弱电,如果处理上稍有不慎就会使信号之间相互影响、相互干扰,特别是一些小信号很容易被干扰信号或噪声所淹没,面对这种情况,一次次失败教训的基础上,在尽量保持硬件不变的前提下,从软件入手采用数字滤波的方法对系统进行改进,最后终于取得了实验的成功。
  采用数字滤波技术对导弹地测设备进行故障诊断,可以根据信号的不同,采用不同的滤波方法和滤波参数,实现一些特殊滤波,具有灵活、方便、功能强、开发周期短的特点,而且极大地简化了数据采集系统的复杂性,提高了系统的可靠性。经过试验现场的实际运行,结果表明文中提出的三种数字滤波方法有效的抑制了所采集信号中的虚假成份,充分提取了故障诊断所需信号的全部信息,为故障诊断提供了真实、可靠的依据。
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