一种组合积分滤波系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及工业控制领域，特别是设及一种组合积分滤波系统。
【背景技术】
[0002] 工业控制对象所处环境较为恶劣，干扰源很多，如强电磁干扰，环境溫度频繁变 化，尤其是信号输入通道，采样值将用于数据处理及系统调节，采样值的准确性对于自控系 统性能的提高意义重大。因此为了减少干扰对采样值的影响，保证系统的性能，常在数据处 理之前先要对采样值进行信号滤波，W便提高信号的真实性、准确性，消除或减少各种干扰 和噪声，进一步提高计算机系统的可靠性。
[0003] 滤波技术常分为两类：模拟滤波和数字滤波技术。数字滤波技术克服了很多模拟 滤波的缺点，主要用程序算法实现，可靠性高，稳定性好，根据信号类型不同可采取不同的 滤波方法，非常方便。数字滤波算法的研究目标是能够使采集到的信号数字化处理W后经 过数字滤波算法处理后能够尽大可能的去掉其它的干扰，还原到它的真实值。
[0004] 现在已经进入到数字化时代，人们十分关注数字信号处理技术。随着计算机与微 电子技术发展，信号处理理论与算法得到重点研究，被普遍应用于语音图象处理、数字通 信、谱分析、模式识别、自动控制等领域，滤波器在数字信号处理中作用显著。数字滤波器的 输入为一数字序列，经过数学运算规则后，输出为另一数字序列。由运算关系改变输入信号 所含频率成分的相对比例或消除某些频率的信号，将有效信号成分提取出来，实现削弱干 扰成分的目的。
[0005] 数字滤波器获得普遍的应用，数字滤波器特性差异，阻碍了其在其他方面的应用。 如IIR数字滤波器仍有模拟滤波器的优良特征，运是W牺牲线性相位为代价。即利用己特 沃斯、切比雪夫和楠圆等法完成数字滤波器设计，使其幅品特性接近理想滤波器，获得的滤 波器特性往往是非线性的。FIR数字滤波器可W用窗函数、频率采样、加权最小平方法在设 计任意幅度和频率特性滤波器。
[0006] 经典数字滤波器不足：
[0007] (1)给定技术指标，从众多设计方案中选择一种，经典技术隐含了很多滤波设计方 法；
[0008] (2)IIR滤波器传递函数极点在单位圆任意分布，可用较低阶数得到多种选择，存 储单元少，高效率。传递函数极点可能处于单位圆外，导致系统不稳定。IIR数字滤波器相 位是非线性的，相位的非线性决定选择性好坏；
[0009] (3)FIR滤波器的传递函数极点一直处于原点，选择性较多，用高的阶数来完成，滤 波器设计指标相同情况下，FIR滤波器所要求的阶数比IIR滤波器高5-10倍，花费高，延迟 很多。
【发明内容】
[0010] 本发明所要解决的技术问题是提供一种组合积分滤波系统，能够提高滤波效果。
[0011] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种组合积分滤波系统，包括 第一组合积分环节与延时环节，所述第一组合积分环节与延时环节出来的信号叠加至第二 组合积分环节；所述组合积分滤波系统整体传递函数为
其中，为纯滞后环节、Tl延时常数；根据需求调节延时常数T1、12、T3及常数K来实 现低通、高通和带通滤波。
[0012] 所述第一组合积分环节为低通滤波器，其传递函数为
[0013] 所述第一组合积分环节与延时环节构成的高通滤波器，其传递函数为
[0014]所述第二组合积分环节的传递函数为
[0015] 有益效果
[0016]由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有W下的优点和积极效 果：
[0017]本发明采纳组合积分与时滞环节叠加，确定参数选择原则，分别设计低通、高通、 带通滤波器，实现对工业采集信号滤波。基于W上原因，研究专口针对组合积分过程的系统 性能分析方法及组合积分环节的在其他领域应用具有重要的理论和现实意义。
[0018]本发明采用基于组合积分系统先进滤波算法滤波出的信号很稳定，只含有一种频 率的信号，噪声少，信号平滑。对比IIR数字滤波器设计的己特沃斯滤波程序，滤波后的信 号中噪声较多，采用组合积分系统滤波效果较好。
【附图说明】
[0019] 图1是为本发明的组合积分系统先进滤波算法框图。
[0020] 图2为本发明的组合积分滤波系统的具体框图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，运些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可W对本发明作各种改动或修改，运些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。
[0022] 本发明的实施方式设及一种组合积分滤波系统，采纳组合积分与时滞环节叠加， 确定参数选择原则，分别设计低通、高通、带通滤波器，实现对工业采集信号滤波。
[0023] 本发明的原理是：
[0024] (1)在数字滤波算法的基础上提出来的一种新的滤波算法，通过构建系统模型，根 据需求调节延时常数T 1、12、T 3及常数K来实现滤波，简单易懂，易操作。
[0025] (2)定义：组合积分对象是一类开环稳定，其传递函数由两个或多个积分时滞对 象构成并可用下列形式来表达：
U)
[0027] Gi(S)是一不包含积分环节的稳定多项式；
式是包含在组合积分系统 中的稳定系统；为了保证该过程的连续性，时间延迟常数Tli, 121，必须满足等式：T 21 =T2UU+TU，1 <i<n，n为正整数。组合积分过程同时包含非左半平面极点和零点。同 时具有积分和最小相位特性。积分过程分类：由时滞类型分无时滞过程和时滞过程；由系 统复杂度分为单组合积分过程和多组合积分过程；由系统阶数分为低阶过程和高阶过程。
[0028] 采用机理分析建模得到工业过程中的组合积分过程的传递函数模型：
[0034] 假设指数有界信号f(t)，其Laplace变换为F(S)，将其乘W组合积分环节g (S):
巧）
[0036] 得传输函数：
C8)
[003引对式做求LapIace反变换可得：
[0039]
傑)
[0040]式（9)可解释为对信号在长度为I时间段（t-T，t)上进行积分，对所得积分除 W时间长度进行T平均，相当于对信号在长度为T时间段上进行的均值滤波算法。故式 (7)所定义的组合积分环节等同于一个均值滤波器，与均值滤波器具有相同作用。均值滤波 器是低通滤波器的特例，由此推出此组合积分环节为一个低通滤波器。具有一定抑制噪声 的能力，因其本质相当于均值滤波器，由此能够完全抑制一些带有特定周期的周期性信号。
[0041] 如图1所示，该组合积分滤波系统，包括第一组合积分环节与延时环节，所述第一 组合积分环节与延时环节出来的信号叠加至第二组合积分环节；所述组合积分滤波系统整 体传递函数为：
UO)
[0043]其中，eW为纯滞后环节、Tl延时常数；根据需求调节延时常数T1、12、T3及常 数K来实现低通、高通和带通滤波。
[0044] 所述第一组合积分环节为低通滤波器，其传递函数为g
[004引 由式做及式（9)推导知，此环节完成[t-T，t]时间范围内的均值滤波。此环节 实现信号低通滤波的效果，延时常数Ti可控，决定参与均值滤波的项数。T1越大，低通滤 波效果越好，滤去的高频分量越多，滤波后的信号越平滑。
[0046] 所述第一组合积分环节与延时环节构成的高通滤波器，其传递函数为
[0047] 由图2可看出，原复合信号通过一个延时环节之后与低通滤波后信号叠加，因时 间延迟不会改变信号的特性，只是对信号相位产生影响。由低通滤波环节知，系统通过而信 号通过
环节之后，信号中只剩下低频信号，再与该环节叠加，即用原信号减去低 频信号，那么实现效果等同于高频滤波作用，故此环节实现了高通滤波的效果。
[0048] 所述第二组合积分环节的传递函数为
[0049]g'（S)等同于作用等同gi(S)环节的作用，不同的是参与低通滤波的项目数不同， 即参数T1、T2大小不同，且用于叠加的信号也不同。gI(S)环节之后复合信号中剩余的是 混合信号中低频信号，与gh(S)环节叠加，剩余的是信号中的高频信号，再次叠加一低频滤 波环节，只要参数选择合理，即可实现带通滤波的作用。
[0050] 此处加了一个比例系数K，因原信号通过两个滤波环节之后会有衰减，幅值较小， 增加此环节之后，可将滤波后信号的放大K倍，可减小信号与滤波信号的误差，与原信号的 对比的话，会比较容易查看。
[0051] 采用基于组合积分系统先进滤波算法滤波出的信号很稳定，只含有一种频率的信 号，噪声少，信号平滑。对比IIR数字滤波器设计的己特沃斯滤波程序，滤波后的信号中噪 声较多，采用组合积分系统滤波效果较好。
【主权项】
1. 一种组合积分滤波系统，其特征在于，包括第一组合积分环节与延时环节，所述第一 组合积分环节与延时环节出来的信号叠加至第二组合积分环节；所述组合积分滤波系统整 体传递函数为9其中，e~为纯滞后环节、^延时常数；根 据需求调节延时常数τρ τ2、τ3及常数K来实现低通、高通和带通滤波。2. 根据权利要求1所述的组合积分滤波系统，其特征在于，所述第一组合积分环节为 低通滤波器，其传递函数为3. 根据权利要求1所述的组合积分滤波系统，其特征在于，所述第一组合积分环节与 延时环节构成的高通滤波器，其传递函数为；4. 根据权利要求1所述的组合积分滤波系统，其特征在于，所述第二组合积分环节的 传递函数为
【专利摘要】本发明涉及一种组合积分滤波系统，其特征在于，包括第一组合积分环节与延时环节，所述第一组合积分环节与延时环节出来的信号叠加至第二组合积分环节；所述组合积分滤波系统整体传递函数为根据需求调节延时常数τ1、τ2、τ3及常数K来实现低通、高通和带通滤波。本发明滤波出的信号很稳定，只含有一种频率的信号，噪声少，信号平滑。
【IPC分类】H03H17/02
【公开号】CN105337588
【申请号】CN201510854733
【发明人】任正云, 陈安钢, 陈亮, 陈群, 奚杰, 张毅, 李峰, 程功
【申请人】东华大学
【公开日】2016年2月17日
【申请日】2015年11月30日