什么干扰了你的模拟量？常见软件滤波方法介绍

在信号处理过程中，常用的方法主要有两种：硬件滤波和软件滤波。

硬件滤波是一种物理滤波方法，它通过特定的硬件设备来实现对信号的滤波。这类滤波器通常具有固定的滤波特性，如截止频率、滤波器类型等。

软件滤波则是基于数字信号处理技术的滤波方法，它通过编写特定的算法来实现对信号的滤波。软件滤波具有高度的灵活性，可以根据实际需求调整滤波参数，适应不同的信号处理场景。

本文将为您着重介绍10种经典的软件滤波方法及优缺点。

1.限幅滤波法/程序判断滤波法

方法：

根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A）

每次检测到新值时判断：

如果本次值与上次值之差<=A，则本次值有效

如果本次值与上次值之差>A，则本次值无效，放弃本次值，用上次值代替本次值

优点：

能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰

缺点：

无法抑制那种周期性的干扰

平滑度差

2.中位值滤波法

方法：

连续采样N次（N取奇数）

把N次采样值按大小排列

取中间值为本次有效值

优点：

能有效克服因偶然因素引起的波动干扰

对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果

缺点：

对流量、速度等快速变化的参数不宜

3.算术平均滤波法

方法：

连续取N个采样值进行算术平均运算

N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低

N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高

N值的选取：一般流量，N=12；压力：N=4

优点：

适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波

这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动

缺点：

对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费RAM

4.递推平均滤波法/滑动平均滤波法

方法：

把连续取N个采样值看成一个队列

队列的长度固定为N

每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据(先进先出原则)

把队列中的N个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果

N值的选取：流量，N=12；压力：N=4；液面，N=4~12；温度，N=1~4

优点：

对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高

适用于高频振荡的系统

缺点：

灵敏度低，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合，比较浪费RAM

5.中位值平均滤波法/防脉冲干扰平均滤波法

方法：

相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”

连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值

然后计算N-2个数据的算术平均值

N值的选取：3~14

优点：

融合了两种滤波法的优点

对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差

缺点：

测量速度较慢，和算术平均滤波法一样，比较浪费RAM

6.幅平均滤波法

方法：

相当于“限幅滤波法”+“递推平均滤波法”

每次采样到的新数据先进行限幅处理，再送入队列进行递推平均滤波处理

优点：

融合了两种滤波法的优点

对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差

缺点：

比较浪费RAM

7.一阶滞后滤波法

方法：

取a=0~1

本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果

优点：

对周期性干扰具有良好的抑制作用

适用于波动频率较高的场合

缺点：

相位滞后，灵敏度低，滞后程度取决于a值大小，不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号

8.加权递推平均滤波法

方法：

是对递推平均滤波法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权

通常是，越接近现时刻的数据，权取得越大。

给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但信号平滑度越低

优点：

适用于有较大纯滞后时间常数的对象

和采样周期较短的系统

缺点：

对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓慢的信号，不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差

9.消抖滤波法

方法：

设置一个滤波计数器

将每次采样值与当前有效值比较：

如果采样值＝当前有效值，则计数器清零

如果采样值<>当前有效值，则计数器+1，并判断计数器是否>=上限N（溢出）

如果计数器溢出，则将本次值替换当前有效值，并清计数器

优点：

对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果,

可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动

缺点：

对于快速变化的参数不宜，如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值，则会将干扰值当作有效值导入系统

10.限幅消抖滤波法

方法：

相当于“限幅滤波法”+“消抖滤波法”

先限幅,后消抖

优点：

继承了“限幅”和“消抖”的优点

改进了“消抖滤波法”中的某些缺陷,避免将干扰值导入系统

缺点：

对于快速变化的参数不宜

现场案例应用详解

以某钢厂为例，在生产过程中，钢厂会产出大量蒸汽，由于低压蒸汽管网在控制上存在的响应迟缓、易导致蒸汽浪费等问题，会大大降低生产效益。所以，对这些蒸汽的回收和再利用，能够显著提升生产效益，实现资源的多重价值。由于各生产厂部分布相对分散，蒸汽的生产和利用区域呈现出明显的地域分散性，形成了跨越广阔空间、错综复杂的低压蒸汽管网。那么，如何精确采集模拟量信号成为一个难题。

为了解决这一难题，该方案以无线的方式来对OG蒸汽进行回收，模拟量信号精确度可达1%，提升了生产效益，提升蒸汽管理的效率和可靠性，减少能源损耗，促进钢厂生产流程的优化与升级。

无线通讯方案示意图 ▼

审核编辑 黄宇