十一種通用濾波演算法及優缺點
阿新 • • 發佈：2019-02-13
1、限幅濾波法（又稱程式判斷濾波法）
A、方法：
根據經驗判斷，確定兩次取樣允許的最大偏差值（設為A）
每次檢測到新值時判斷：
如果本次值與上次值之差<=A,則本次值有效
如果本次值與上次值之差>A,則本次值無效,放棄本次值,用上次值代替本次值
B、優點：
能有效克服因偶然因素引起的脈衝干擾
C、缺點
無法抑制那種週期性的干擾
平滑度差
2、中位值濾波法
A、方法：
連續取樣N次（N取奇數）
把N次取樣值按大小排列
取中間值為本次有效值
B、優點：
能有效克服因偶然因素引起的波動干擾
對溫度、液位的變化緩慢的被測引數有良好的濾波效果
C、缺點：
對流量、速度等快速變化的引數不宜
3、算術平均濾波法
A、方法：
連續取N個取樣值進行算術平均運算
N值較大時：訊號平滑度較高，但靈敏度較低
N值較小時：訊號平滑度較低，但靈敏度較高
N值的選取：一般流量，N=12；壓力：N=4
B、優點：
適用於對一般具有隨機干擾的訊號進行濾波
這樣訊號的特點是有一個平均值，訊號在某一數值範圍附近上下波動
C、缺點：
對於測量速度較慢或要求資料計算速度較快的實時控制不適用
比較浪費RAM
4、遞推平均濾波法（又稱滑動平均濾波法）
A、方法：
把連續取N個取樣值看成一個佇列
佇列的長度固定為N
每次取樣到一個新資料放入隊尾,並扔掉原來隊首的一次資料.(先進先出原則)
把佇列中的N個數據進行算術平均運算,就可獲得新的濾波結果
N值的選取：流量，N=12；壓力：N=4；液麵，N=4~12；溫度，N=1~4
B、優點：
對週期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高
適用於高頻振盪的系統
C、缺點：
靈敏度低
對偶然出現的脈衝性干擾的抑制作用較差
不易消除由於脈衝干擾所引起的取樣值偏差
不適用於脈衝干擾比較嚴重的場合
比較浪費RAM
5、中位值平均濾波法（又稱防脈衝干擾平均濾波法）
A、方法：
相當於“中位值濾波法”+“算術平均濾波法”
連續取樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值
然後計算N-2個數據的算術平均值
N值的選取：3~14
B、優點：
融合了兩種濾波法的優點
對於偶然出現的脈衝性干擾，可消除由於脈衝干擾所引起的取樣值偏差
C、缺點：
測量速度較慢，和算術平均濾波法一樣
比較浪費RAM
6、限幅平均濾波法
A、方法：
相當於“限幅濾波法”+“遞推平均濾波法”
每次取樣到的新資料先進行限幅處理，
再送入佇列進行遞推平均濾波處理
B、優點：
融合了兩種濾波法的優點
對於偶然出現的脈衝性干擾，可消除由於脈衝干擾所引起的取樣值偏差
C、缺點：
比較浪費RAM
7、一階滯後濾波法
A、方法：
取a=0~1
本次濾波結果=（1-a）*本次取樣值+a*上次濾波結果
B、優點：
對週期性干擾具有良好的抑制作用
適用於波動頻率較高的場合
C、缺點：
相位滯後，靈敏度低
滯後程度取決於a值大小
不能消除濾波頻率高於取樣頻率的1/2的干擾訊號
8、加權遞推平均濾波法
A、方法：
是對遞推平均濾波法的改進，即不同時刻的資料加以不同的權
通常是，越接近現時刻的資料，權取得越大。
給予新取樣值的權係數越大，則靈敏度越高，但訊號平滑度越低
B、優點：
適用於有較大純滯後時間常數的物件
和取樣週期較短的系統
C、缺點：
對於純滯後時間常數較小，取樣週期較長，變化緩慢的訊號
不能迅速反應系統當前所受干擾的嚴重程度，濾波效果差
9、消抖濾波法
A、方法：
設定一個濾波計數器
將每次取樣值與當前有效值比較：
如果取樣值＝當前有效值，則計數器清零
如果取樣值<>當前有效值，則計數器+1，並判斷計數器是否>=上限N(溢位)
如果計數器溢位,則將本次值替換當前有效值,並清計數器
B、優點：
對於變化緩慢的被測引數有較好的濾波效果,
可避免在臨界值附近控制器的反覆開/關跳動或顯示器上數值抖動
C、缺點：
對於快速變化的引數不宜
如果在計數器溢位的那一次取樣到的值恰好是干擾值,則會將干擾值當作有效值匯入系統
10、限幅消抖濾波法
A、方法：
相當於“限幅濾波法”+“消抖濾波法”
先限幅,後消抖
B、優點：
繼承了“限幅”和“消抖”的優點
改進了“消抖濾波法”中的某些缺陷,避免將干擾值匯入系統
C、缺點：
對於快速變化的引數不宜
第11種方法：IIR 數字濾波器
A. 方法：
確定訊號頻寬， 濾之。
Y(n) = a1*Y(n-1) + a2*Y(n-2) + ... + ak*Y(n-k) + b0*X(n) + b1*X(n-1) + b2*X(n-2) + ... + bk*X(n-k)
B. 優點：高通，低通，帶通，帶阻任意。設計簡單(用matlab）
C. 缺點：運算量大。
A、方法：
根據經驗判斷，確定兩次取樣允許的最大偏差值（設為A）
每次檢測到新值時判斷：
如果本次值與上次值之差<=A,則本次值有效
如果本次值與上次值之差>A,則本次值無效,放棄本次值,用上次值代替本次值
B、優點：
能有效克服因偶然因素引起的脈衝干擾
C、缺點
無法抑制那種週期性的干擾
平滑度差
2、中位值濾波法
A、方法：
連續取樣N次（N取奇數）
把N次取樣值按大小排列
取中間值為本次有效值
B、優點：
能有效克服因偶然因素引起的波動干擾
對溫度、液位的變化緩慢的被測引數有良好的濾波效果
C、缺點：
對流量、速度等快速變化的引數不宜
3、算術平均濾波法
A、方法：
連續取N個取樣值進行算術平均運算
N值較大時：訊號平滑度較高，但靈敏度較低
N值較小時：訊號平滑度較低，但靈敏度較高
N值的選取：一般流量，N=12；壓力：N=4
B、優點：
適用於對一般具有隨機干擾的訊號進行濾波
這樣訊號的特點是有一個平均值，訊號在某一數值範圍附近上下波動
C、缺點：
對於測量速度較慢或要求資料計算速度較快的實時控制不適用
比較浪費RAM
4、遞推平均濾波法（又稱滑動平均濾波法）
A、方法：
把連續取N個取樣值看成一個佇列
佇列的長度固定為N
每次取樣到一個新資料放入隊尾,並扔掉原來隊首的一次資料.(先進先出原則)
把佇列中的N個數據進行算術平均運算,就可獲得新的濾波結果
N值的選取：流量，N=12；壓力：N=4；液麵，N=4~12；溫度，N=1~4
B、優點：
對週期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高
適用於高頻振盪的系統
C、缺點：
靈敏度低
對偶然出現的脈衝性干擾的抑制作用較差
不易消除由於脈衝干擾所引起的取樣值偏差
不適用於脈衝干擾比較嚴重的場合
比較浪費RAM
5、中位值平均濾波法（又稱防脈衝干擾平均濾波法）
A、方法：
相當於“中位值濾波法”+“算術平均濾波法”
連續取樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值
然後計算N-2個數據的算術平均值
N值的選取：3~14
B、優點：
融合了兩種濾波法的優點
對於偶然出現的脈衝性干擾，可消除由於脈衝干擾所引起的取樣值偏差
C、缺點：
測量速度較慢，和算術平均濾波法一樣
比較浪費RAM
6、限幅平均濾波法
A、方法：
相當於“限幅濾波法”+“遞推平均濾波法”
每次取樣到的新資料先進行限幅處理，
再送入佇列進行遞推平均濾波處理
B、優點：
融合了兩種濾波法的優點
對於偶然出現的脈衝性干擾，可消除由於脈衝干擾所引起的取樣值偏差
C、缺點：
比較浪費RAM
7、一階滯後濾波法
A、方法：
取a=0~1
本次濾波結果=（1-a）*本次取樣值+a*上次濾波結果
B、優點：
對週期性干擾具有良好的抑制作用
適用於波動頻率較高的場合
C、缺點：
相位滯後，靈敏度低
滯後程度取決於a值大小
不能消除濾波頻率高於取樣頻率的1/2的干擾訊號
8、加權遞推平均濾波法
A、方法：
是對遞推平均濾波法的改進，即不同時刻的資料加以不同的權
通常是，越接近現時刻的資料，權取得越大。
給予新取樣值的權係數越大，則靈敏度越高，但訊號平滑度越低
B、優點：
適用於有較大純滯後時間常數的物件
和取樣週期較短的系統
C、缺點：
對於純滯後時間常數較小，取樣週期較長，變化緩慢的訊號
不能迅速反應系統當前所受干擾的嚴重程度，濾波效果差
9、消抖濾波法
A、方法：
設定一個濾波計數器
將每次取樣值與當前有效值比較：
如果取樣值＝當前有效值，則計數器清零
如果取樣值<>當前有效值，則計數器+1，並判斷計數器是否>=上限N(溢位)
如果計數器溢位,則將本次值替換當前有效值,並清計數器
B、優點：
對於變化緩慢的被測引數有較好的濾波效果,
可避免在臨界值附近控制器的反覆開/關跳動或顯示器上數值抖動
C、缺點：
對於快速變化的引數不宜
如果在計數器溢位的那一次取樣到的值恰好是干擾值,則會將干擾值當作有效值匯入系統
10、限幅消抖濾波法
A、方法：
相當於“限幅濾波法”+“消抖濾波法”
先限幅,後消抖
B、優點：
繼承了“限幅”和“消抖”的優點
改進了“消抖濾波法”中的某些缺陷,避免將干擾值匯入系統
C、缺點：
對於快速變化的引數不宜
第11種方法：IIR 數字濾波器
A. 方法：
確定訊號頻寬， 濾之。
Y(n) = a1*Y(n-1) + a2*Y(n-2) + ... + ak*Y(n-k) + b0*X(n) + b1*X(n-1) + b2*X(n-2) + ... + bk*X(n-k)
B. 優點：高通，低通，帶通，帶阻任意。設計簡單(用matlab）
C. 缺點：運算量大。