MATLAB在工程測試信號平滑處理中的應用

在目前的工程信號或者是數(shù)據(jù)測試中，因為混雜著各種各樣的干擾成分，所以在后續(xù)的信號分析以及處理中會出現(xiàn)比較大的誤差或者是錯誤，這種情況嚴重影響了信號測試的質(zhì)量。出于對測試信號中具有特征的信息數(shù)據(jù)進行快速并準確的提取的要求，對測試數(shù)據(jù)信號樣本進行預處理有著重要的作用。在結合壓力自動控制系統(tǒng)的基礎上，使用MATLAB軟件當中的smooth函數(shù)對測試樣本進行平滑處理，然后對smooth函數(shù)中各種平滑方法的處理效果進行對比，這樣可以甄選出最具適應性的平滑處理系統(tǒng)，從而為數(shù)據(jù)測試提供可靠的基礎。

【關鍵詞】MATLAB 工程測試信號 平滑處理

在對測試數(shù)據(jù)進行分析和處理的時候，工程測試信號或數(shù)據(jù)的平滑和濾波是一項重要的內(nèi)容，主要是因為任何的測試數(shù)據(jù)或者信號都會混有各種各樣的干擾成分。從這些干擾成分的具體分析來看，他們往往具有非線性、非平穩(wěn)性、和非光滑性的特點，而這些特點會給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析帶來較大的影響，使其出現(xiàn)比較嚴重的錯誤或者誤差。為了進行這種錯誤或者誤差的消除，提升信號或數(shù)據(jù)測試的質(zhì)量，必須要在干擾信號的基本特點上進行針對性處理，這樣，有用的特征信息才能夠被高速、準確的提取出來。在MATLAB軟件當中進行工程測試數(shù)據(jù)的平滑處理能夠有效的解決測試誤差等問題，所以研究相關內(nèi)容的現(xiàn)實意義顯著。

1 系統(tǒng)原理

壓力自動系統(tǒng)要進行工作需要遵循一定的原理。從目前的分析來看，系統(tǒng)中閥門的一端需要和系統(tǒng)壓力源進行連接，另一端需要和壓力控制器進行連接，當同時開啟兩個閥門的時候，由壓力變送器便可以測得來自于系統(tǒng)的壓力。對壓力信號級和控制儀設定壓力值進行詳細的比對會發(fā)現(xiàn)存在著誤差信號，將誤差信號進行放大，可以直接對進行調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動。系統(tǒng)在對調(diào)節(jié)閥的大小進行控制的時候，控制系統(tǒng)的壓力可以得到穩(wěn)定。為了對控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)和驗證系統(tǒng)的可靠性進行驗證，構建測試系統(tǒng)，然后獲得系統(tǒng)內(nèi)部的各個元件和系統(tǒng)整體的運行參數(shù)，這樣，系統(tǒng)性能的后續(xù)評估和優(yōu)化會有較為直接的數(shù)據(jù)參考。

2 處理方法

MATLAB軟件會提供一個專門用來進行數(shù)據(jù)平滑處理的smooth函數(shù)，在進行程序編制的過程中，其主要會應用到三種調(diào)用格式，分別是5點滑移平均法、指定寬窗值法和指定平滑方法。從實際分析來看，smooth函數(shù)的平滑方法實質(zhì)上是采用平滑因子濾波曲線，這種濾波的效果和平滑因子的頻譜特性有著非常直接的關系。簡單來看，如果曲線的光滑度不夠，信號中的中高頻分子會比較豐富，其在經(jīng)過平滑因子的濾波后，信號中的中高頻因子會得到有效的抑制，此時的曲線會變得比較平滑。簡言之，信號的平滑處理就是對信號進行低通濾波。

3 數(shù)據(jù)測試處理

在進行數(shù)據(jù)測試處理的時候會利用到多種不同的方法，下面介紹的這四種是使用較為頻繁的具體測試方法。

3.1 5點滑移平均方法

5點滑移平均方法在數(shù)據(jù)測試處理的過程中應用比較普遍，此種方法指的是在多項式擬合平滑的基礎之上，利用對測試信號的分段曲線擬合達到對整段曲線平滑的方法。從方法的數(shù)據(jù)處理效果來看，此種方法雖然從整體上提升了相較于初始測試曲線比較好的效果，但是在信號或數(shù)據(jù)當中依然存在著中高頻成分的干擾，這種干擾使得特性信號提取的準確性受到的影響。簡言之，此種方法效果雖有，但是缺陷依然顯著。

3.2 指定窗寬方法

制定寬窗方法在目前的數(shù)據(jù)測試處理當中應用的也較為普遍。利用此方法進行數(shù)據(jù)的測試處理，對結果進行分析發(fā)現(xiàn)其效果相比于5點滑移平均方法有了明顯的提高。雖然說此種方法的整體效果在進步，但是信號中中高頻成分的干擾依然存在，所以特征信號的提取目標依然沒有實現(xiàn)。在這樣的結果面前，嘗試著進行了對寬窗值的提高，發(fā)現(xiàn)在寬窗值達到80的時候，信號和數(shù)據(jù)處理的效果基本達到了提取特征信號的目的。簡言之，利用指定寬窗值的方法，在規(guī)定了寬窗值的具體值之后，其數(shù)據(jù)處理的效果達到了預期。

3.3 滑移平均方法

滑移平均方法在數(shù)據(jù)處理當中也會經(jīng)常性的使用到。之所以使用這種方法主要是5點滑移平均的數(shù)據(jù)處理效果不佳，所以需要更多的點數(shù)滑移平均來進行平滑處理。在利用此方法進行數(shù)據(jù)信號護理的時候，采用了11點滑移平均的方法，最終的處理效果比5點滑移平均方法的效果要好，但是依然存在中高頻干擾成分，所以最終的預期目標沒有達成。

3.4 Loess和lowess方法

最后一種使用比較多的數(shù)據(jù)處理方法便是loess和lowess方法。此種方法是建立在傳統(tǒng)方法基礎之上的一種現(xiàn)代模擬方法，此種方法將線性回歸的簡單性和非線性模型的靈活性進行了結合，只需要對信號的局部分段進行擬合，便可以建立起表征信號變化的關鍵局部域函數(shù)。Loess利用統(tǒng)計方法對平滑曲線進行計算，其平滑值由二次權重最小平方回歸決定；lowess的平滑值由線性最小回歸平方?jīng)Q定。從兩種方法的處理效果來看，利用lowess方法處理后的曲線要比利用Loess方法處理后的曲線好，其效果和寬窗值達到80的時候的處理效果基本一致。

總而言之，上述四種方法在數(shù)據(jù)信號處理的時候都會得到應用，但是從最終的效果來看，還是指定寬窗方法和lowess方法的效果比較好。

4 結束語

對工程測試信號進行平滑處理有利于提高測試效果的可靠性，科學的分析基于 MATLAB軟件的工程數(shù)據(jù)平滑處理原理以及處理方法，比對各種方法數(shù)據(jù)處理的綜合效果，可以為數(shù)據(jù)平滑處理的方法選用提供有效的參考。簡言之，做好方法的效果分析，可以在工程數(shù)據(jù)測試的時候選擇更具針對性的方法。

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作者簡介

范玉影（1982-），女，黑龍江省哈爾濱市人。大學本科學歷。工程師，主要從事測試技術與研究的工作。

作者單位

中航工業(yè)洛陽電光設備研究所 河南省洛陽市 472203endprint