第05章 數(shù)據(jù)處理與控制策略

第5章

照據(jù)處理與控制策略

DataProc一ssing

&

ControlStrategy

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1

埼章：要向客

?數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)

?數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理

?數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)

?數(shù)字PID控制算法

?常規(guī)控制方案

?先進(jìn)控制方案

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)2

5.1微生按喇器的微舒技術(shù)

DesigntechnologyOfDigitalontroler

＞數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)

＞數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)3

?計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

-是指在給定系統(tǒng)性能指標(biāo)的條件下，設(shè)計(jì)出

控制器的控制規(guī)律和相應(yīng)的數(shù)字控制算法

-大多數(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由處理數(shù)字信號(hào)的

過程控制計(jì)算機(jī)和連續(xù)的被控過程組成的數(shù)

字信號(hào)與連續(xù)信號(hào)并存的“混合系統(tǒng)”

?數(shù)字控制器的分析和設(shè)計(jì)方法

-數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)

-數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)4

5.1.1微生控制器的it瘦化微材技術(shù)

?概述

-數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)是忽略控制回路中所有的零階

保持器和采樣器，在s域中按連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后

通過某種近似圈連續(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器，并由

計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

?設(shè)計(jì)問題

-G(s)是被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，H(s)是零階保持器，D(z)

是數(shù)字控制器。設(shè)計(jì)問題是：根據(jù)已知的系統(tǒng)性能指標(biāo)

和G(s)來設(shè)計(jì)出數(shù)字控制器D(z)。

y(t)

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5

5.1.1故室控制器的透揍化微引?彼術(shù)

?數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)步驟

-設(shè)計(jì)假想的連續(xù)控制器

-選擇采樣周期T

-羽4)(s)離散化為D(z)

-設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制算法

-校驗(yàn)

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)6

5.1.1微生控制器的it瘦化微材技術(shù)

?(1)設(shè)計(jì)假想的連續(xù)控制器

-采用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法(如頻率特性法、

根軌跡法等)設(shè)計(jì)出假想的連續(xù)控制器D(s)。

r(t)+Q/八u⑴y(t)

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)7

5.1.1微生控制器的it瘦化微材技術(shù)

?(2)選擇采樣周期T

-采樣定理：采樣周期T<Ji/comax

-由于被控對(duì)象的物理過程及參數(shù)的變化比較復(fù)雜，

致使模擬信號(hào)的最高角頻率comax很難確定。

-采樣定理僅從理論上給出了采樣周期的上限，實(shí)際

采樣周期的選擇要受到多方面因素的制約，如：

系統(tǒng)控制品質(zhì)的要求、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性、控制系統(tǒng)抗

干擾和快速響應(yīng)的要求、計(jì)算工作量、計(jì)算機(jī)的成

本、控制對(duì)象的時(shí)間常數(shù)Tp和純滯后時(shí)間下

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)8

1）必須滿足采樣定理的要求.從信號(hào)的保真度來看，采樣周期必須滿足香農(nóng)

（Shannon）采樣定理,即采樣角頻率電》23皿，32是被采樣信號(hào)的最高角頻率,因?yàn)棰偈模?/p>

所以，根據(jù)采樣定理可以確定采樣周期的上限值，收六。

卬E&X

對(duì)于隨動(dòng)系統(tǒng)來說，有經(jīng)驗(yàn)公式3戶10%4為系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率,

2）從控制系統(tǒng)的隨動(dòng)和抗干擾的性能來看，則丁小些好。干擾頻率越高，則采樣頻率最

好愈高，以便實(shí)現(xiàn)快速跟隨和快速抑制干擾。

3）根據(jù)被控對(duì)象的特性，快速系統(tǒng)的丁應(yīng)取小，反之，T可取大些。

4）根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作慣性大時(shí)，丁應(yīng)取大些，否則，執(zhí)行機(jī)構(gòu)來不

及反應(yīng)控制器輸出值的變化.

5）從計(jì)算機(jī)的工作量及每個(gè)調(diào)節(jié)回路的計(jì)算成本來看，T應(yīng)選大些。T大，對(duì)每一個(gè)控

制回路的計(jì)算控制工作量相對(duì)減小，可以增加控制的回路數(shù)，

6）從計(jì)算機(jī)能精確執(zhí)行控制算式來看，丁應(yīng)選大些。因?yàn)橛?jì)算機(jī)字長有限，T過小，偏

差值eW可能很小，甚至為。，調(diào)節(jié)作用減弱，各微分、積分作用不明顯。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9

5.1.1微生控制器的it瘦化微材技術(shù)

?(3)將D(s)離散化為D(z)

-常用連續(xù)系統(tǒng)離散化的方法：

雙線性變換沫

后向差分法

前向差分法

沖擊響應(yīng)不變法

等極點(diǎn)匹配法

零階保持法

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)10

雙線性變換法:

2z-1

，利用級(jí)數(shù)展開可得

Tz+1

rsTsT

ri++…i+雙線性變換或塔斯廷

-----------2--------------------2-

--sT~sT(Tustin)近似

21-+???1-

22

為了由D(s)求解D(z),由上式得s=J

Tz+1

用1有D(z)=D(s)2z-1(5.3)

tz+1

式(5.3)就是利用雙線性變換法由D(s)求取D(z)的計(jì)算公式。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)11

前向差分法：

利用級(jí)數(shù)展開可將Z=e；寫成以下形式

z—esT=1+sT+…Q1+sT

上式稱為前向差分法或歐拉法的計(jì)算公式。

為了由D(s)求取D(z),由上式可得

S=---且有Q(z)=D(s)z_i

上式便是前向差分法由D(s)求取D(z)的計(jì)算公式

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)12

后向差分法：

利用級(jí)數(shù)展開可將Z=/寫成以下形式

為了由D(s)求取D(z),由上式可得

z—1

S=——且有tD(z)=D(s)__

Tr-「S=2

/zJ7z

上式便是后向差分法由D(s)求取D(z)的計(jì)算公式

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)13

5.1.1微生控制器的it瘦化微材技術(shù)

?(4)設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制算法

設(shè)數(shù)字控制器D(z)的一般形式為小)=&，。+*；+”廠

E(z)l+%z+??”,/

上式可改寫為

n

"(z)=(-—a/.一…-a“z~')“(z)+(狐+b1z~'++bmz")E(z)

上式用時(shí)域表示為

u(k)=-a]u(k-1)—a2u(k-2)-???—anu{k—/?)4-b0e(k)4-b}e(k—1)4-+hme{k—m)

利用上式即可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程，

因此上式稱為數(shù)字控制器D(z)的控制算法。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)14

5.1.1微生控制器的it瘦化微材技術(shù)

?(5)校驗(yàn)

-控制器D(z)設(shè)計(jì)完成并求出控制算法后，需

要檢驗(yàn)其閉環(huán)特性是否符合設(shè)計(jì)要求，可采

用數(shù)字仿真來驗(yàn)證，若滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)

結(jié)束，否則應(yīng)修改設(shè)計(jì)。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)15

5.1.2微生控制器的離散化微材技術(shù)

?概述

-數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)，立足于連續(xù)控制系統(tǒng)控

制器的設(shè)計(jì)，然后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)字模擬來實(shí)現(xiàn)的,

該方法在被控對(duì)象的特性不太清楚時(shí)，可充分利用成

熟的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，并把它移植到計(jì)算機(jī)上予以實(shí)

現(xiàn)

-由于控制任務(wù)需要，當(dāng)所選擇的采樣周期比較大或

對(duì)控制質(zhì)量要求比較高時(shí)，必須從被控對(duì)象的特性出

發(fā)，直接根據(jù)計(jì)算機(jī)控制理論（采樣控制理論）來設(shè)計(jì)

數(shù)字控制器，這類方法稱為離散化設(shè)計(jì)方法

-離散化設(shè)計(jì)技術(shù)比連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)更具有一般意義，

它完全是根據(jù)采樣控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析和綜合，

并導(dǎo)出相應(yīng)的控制規(guī)律和算法

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)16

5.1.2微生控制器的離散化錢材技術(shù)

?設(shè)計(jì)問題

-下圖中，Gc(s)是被控對(duì)象的連續(xù)傳遞函數(shù)，D(z)

是數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)，H(s)是零階保持器

的傳遞函數(shù)，T是采樣周期)。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)17

5.1.2微生控制器的離散化微材技術(shù)

?設(shè)計(jì)問題

定義廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)為

B(z)「1-11

G(z)=--------Z[H(s)Gc(s)]=Z|------------Gc(s)

A(z)[SJ(5.

可得上頁圖對(duì)應(yīng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為

D(Z)G(Z)

(5.13)

1+D(z)G(z)

由上式求得D(z)=(5.14)

G(z)1-①(z)

若已知Gc(s)且可根據(jù)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)要求構(gòu)造①(z),

則可由式(5.12)和式(5.14)求得D(z)

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)18

5.1.2微生控制器的離散化微材技術(shù)

?數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)步驟

-根據(jù)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)要求和其他約束條件，確

定所需閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)①(Z);

-根據(jù)式(5.12)求廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)G(z);

-根據(jù)式(5.14)求數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z);

-根據(jù)D(z)求取控制算法的遞推計(jì)算公式

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)19

第5章教提

5.1.2微生控制器的離散化微材技術(shù)

由G(z)求取控制算法可按以下方法實(shí)現(xiàn)：m

數(shù)字控制器的輸出U(z)為

U(z)=￡bjZ-'E(z)—￡a.z-'U(z)

因此，數(shù)字控制器D(z)的計(jì)算機(jī)控制算法為

u(k)=Z"e(k-i)-￡a.u(k-i)

按照式上式就可編寫出控制算法程序。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)20

5.1微生控制器的微材技術(shù)

?不管是按連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是按離

散系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，都可采用基于經(jīng)典

控制理論的常規(guī)控制策略或基于現(xiàn)代控制理論

的先進(jìn)控制策略，采用哪種控制策略往往與被

控對(duì)象的過程特點(diǎn)、得到的數(shù)學(xué)模型以及對(duì)系

統(tǒng)的控制精度要求有關(guān)，與采用哪種方法無直

接關(guān)系。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)21

5.2趙莊濾波和數(shù)據(jù)處理

DataFilteringandDataProcessing

＞數(shù)字濾波

＞數(shù)字處理

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)22

?進(jìn)行數(shù)字濾波和處理的必要性

-存在外部干擾

-采樣系統(tǒng)多次轉(zhuǎn)換信號(hào)會(huì)摻雜噪聲

-直接測得數(shù)據(jù)可能不可用

?數(shù)字濾波

-在計(jì)算機(jī)中利用某種計(jì)算方法對(duì)原始輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行

數(shù)學(xué)處理，去掉原始數(shù)據(jù)中摻雜的噪聲數(shù)據(jù)，提高

信號(hào)的真實(shí)性，獲得最具有代表性的數(shù)據(jù)集合。

?數(shù)據(jù)處理

-通過數(shù)字濾波得到比較真實(shí)的被測參數(shù)，有時(shí)不能

直接使用，還需要做某些處理，如線性化、校正運(yùn)

算、標(biāo)度變換等。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)23

521微生濾波

?概述

-在軟件中對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行消除干擾的處理

-目的是進(jìn)一步消除附加在數(shù)據(jù)中的干擾，使采集數(shù)

據(jù)能真實(shí)反映現(xiàn)場實(shí)際情況，提高信號(hào)可靠性

?優(yōu)點(diǎn)

-不需增加硬件設(shè)備，只需在計(jì)算機(jī)得到采樣數(shù)據(jù)后,

執(zhí)行預(yù)定濾波算法程序即可達(dá)到濾波目的

-穩(wěn)定性好，一種濾波程序可以反復(fù)調(diào)用，使用方便

靈活

?常用數(shù)字濾波方法

-平均值濾波法、中值濾波法

慣性濾波法、程序判斷濾波備

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)24

5.2.1鼎莊嬉波—平g《⑥海彼,在

?(1)算術(shù)平均值濾波

-對(duì)一點(diǎn)數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計(jì)算算術(shù)平均值，以平均

值作為該點(diǎn)采樣結(jié)果。

-可減少系統(tǒng)隨機(jī)干擾對(duì)采集結(jié)果的影響

___]m

y(k)=一Z

%Z=1

m值決定信號(hào)平滑度和靈敏度.適用于對(duì)流量、壓力及

沸騰狀液面等周期性采樣信號(hào)作平滑處理。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)25

5.2.1鼎莊嬉波—平佝傕漉《皮注

?實(shí)現(xiàn)方法

-可以在一個(gè)采樣瞬間對(duì)一個(gè)測點(diǎn)多次采樣后，計(jì)算出

其平均值

-也可對(duì)多個(gè)采樣周期的平均采樣值作遞推濾波

?遞推算式

-為加快運(yùn)算速度,可利用上一次計(jì)算值,通過遞推平均

濾波算式得到當(dāng)前采樣時(shí)刻的遞推平均值。

~~~~--—―V(左一1)y(k-m-1)

V(k)=y(k-1)+----------------------------------

mm

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)26

5.2.1劇莊嬉波—平佝傕灌波在

?(2)加權(quán)平均濾波

?算術(shù)平均值濾波對(duì)每個(gè)采樣值給出相同的權(quán)重系數(shù)1/m

?若要增加新采樣值在平均值中比重，提高系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前所受

干擾的靈敏度，可采用加權(quán)平均濾波，算式為

m—1〃?-1

y(kayQk—z)o<a\

1i=0

i=0

?ai為加權(quán)系數(shù)，體現(xiàn)各次采樣值在平均值中所占比例。

這種濾波方法可根據(jù)需要突出信號(hào)某一部分，抑制信號(hào)另

一部分。適用于純滯后較大、采樣周期短的過程。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)27

5.2.1微莊濾波—中傕灌位在

?中值濾波的基本原理

-對(duì)某一參數(shù)連續(xù)采樣n次,把n次的采樣值從小到大或

從大到小排隊(duì),再取中間值作為本次采樣值。

?適用范圍

-對(duì)于去掉由于偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定造

成的誤差所引起的脈動(dòng)干擾比較有效.

-若變量變化比較慢，則采用中值濾波效果比較好

?實(shí)際使用時(shí)，n值要選擇適當(dāng)，若選擇過小，可能起不

到去除干擾的作用，n過大，會(huì)造成采樣數(shù)據(jù)的時(shí)延過大,

造成系統(tǒng)性能變差。一般取n為3-5次。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)28

5.2.1烈生德波—中（方澹波注

?平均值濾波對(duì)具有周期性干擾噪聲的信號(hào)比較

有效，中值濾波法對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖干擾信號(hào)

有良好的濾波效果,結(jié)合使用濾波效果會(huì)更好.

?方法是連續(xù)采樣m次，并按大小排序，從首尾

各舍掉1/3個(gè)大數(shù)和小數(shù)，再將剩余的1/3個(gè)大

小居中的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，作為本次采樣的

有效數(shù)據(jù)；亦可去掉采樣值中的最大值和最小

值，將余下的（52）個(gè)采樣值算術(shù)平均。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)29

5.2.1烈容德波—(貫傳澹波注

?慣性濾波法基本概念

-用軟件實(shí)現(xiàn)RC低通濾波器功能，動(dòng)態(tài)方程為

T/-------+、=x

dt

-其中Tf=RC,稱為濾波時(shí)間常數(shù)

-離散化后動(dòng)態(tài)方程，T為采樣周期，得

y(k)=即(左一1)+(1-a)x(k)

a=T,」(T/+T)0<a<l,稱為濾波系數(shù)。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)30

5.2.1微莊濾波一程序判斷海:?皮注

?基本概念

-根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定兩次采樣輸入信號(hào)可能出現(xiàn)的最

大偏差A(yù)y

-當(dāng)采樣信號(hào)由于隨機(jī)干擾，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值

較遠(yuǎn)，可以采用程序判斷濾波。

?一般分兩類

-限幅濾波

-限速濾波

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)31

5.2.1微莊濾波一程序判斷海:?皮注

?限幅濾波

-把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量(以絕對(duì)值表

示)，然后與兩次采樣允許的最大偏差A(yù)y比較，若小

于或等于Ay取本次采樣值，若大于Ay仍取上次采樣

值。

-即

[SA%則y(k)=y(k)

|y(^)W-i)l

'則nry(k)=y(k-l)

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)32

第5章教提

5.2.1微莊濾波一程序判斷海:?皮注

?限速濾波

-限幅濾波用兩次采樣值來決定采樣結(jié)果，而限速濾波可

用三次采樣值來決定采樣結(jié)果。

-當(dāng)Iy(k)-y(k-1)I>△y時(shí)，再采樣一次，取得y(k+1)

-根據(jù)Iy(k+1)-y(k)|與△y的關(guān)系決定本次采樣值

kAy。，貝Ijy(k)=y(k)

,Ay。，則y(k+1)=y(k+1)

y(k)-y(k-1)《、，

|>Ay0,取樣y(k+1)y(k+1)-y(k)<

nilZ1y(k)+y(k+l)

>Ay。，則y(k+1)=------------------

2

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)33

521微莊濾波

?各種濾波方法的特點(diǎn)與應(yīng)用

-平均值濾波適用于周期性干擾；

-加權(quán)平均遞推濾波適用于純滯后較大的過程；

-中值濾波和程序判斷濾波適用于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾;

-慣性濾波適用于高頻干擾。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)34

522劇據(jù)處理

?目的

-經(jīng)過處理后，可直接引用采樣數(shù)據(jù)。

?常見數(shù)據(jù)處理方法

-線性化處理：

—力爻正運(yùn)算

-標(biāo)度變換

-越限報(bào)警處理

-死區(qū)處理

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)35

5.2.2劇據(jù)處理――旗傳化處理

?概述

-計(jì)算機(jī)從模擬量輸入通道得到的檢測信號(hào)與該信

號(hào)所代表的物理量之間不一定成線性關(guān)系。

-線性化處理后，方便運(yùn)算并且便于數(shù)字顯示。

?計(jì)算法

-孔板差壓與流量熱電偶的熱電勢與溫度

432

F=kJAPT=+a3E++a1E+冊

1X

y(左)=1[y(k-1)丁=M￡+"E+02]￡+0j￡+。。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)36

5.2.2熬據(jù)處理——旗傕化處理

?插值法

-實(shí)質(zhì)是找出一種簡單、便于計(jì)算處理的近似表達(dá)

式代替非線性參數(shù)。

-常用的插值公式有多項(xiàng)式插值公式、拉格朗日插

值公式、線性插值公式等。

?折線法

-上述兩法都可能會(huì)帶來大量運(yùn)算，為簡單起見，

可分段進(jìn)行線性化，即用多段折線代替曲線。

-過程：先判斷測量數(shù)據(jù)處于哪一折線段內(nèi)，然后

按相應(yīng)段的線性化公式計(jì)算出線性值。折線段分

法不是惟一的，可視具體要求定。一般折線段數(shù)

越多，線性化精度越高。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)37

5.2.2故據(jù)處理――旗傳化處理

?查表法

為提高運(yùn)算速度，可將非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為表格形式

存在計(jì)算機(jī)內(nèi)，在線工作量僅是根據(jù)采樣值查表

℃Pt100℃Pt100℃Pt100

-5080.3110103.9080130.90

-4084.2720107.8090134.70

-3088.2230111.67100138.50

-2092.1640115.54150157.31

-2092.1650119.40200175.84

-1096.0960123.24

0100.0070127.07拉電腋今次表

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)38

5.2.2熬據(jù)處理――梭2迄暮

-有時(shí)來自被控對(duì)象的某些檢測信號(hào)與真實(shí)值

有偏差，這時(shí)需要對(duì)這些檢測信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償,

力求補(bǔ)償后的檢測值能反映真實(shí)情況。

?用孔板測氣體體積流量的溫度、壓力補(bǔ)償

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)39

5.2.2熬據(jù)處理――行度我加

?概述

-生產(chǎn)中各個(gè)參數(shù)有不同的數(shù)值和量綱，如Pa、℃等

-參數(shù)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成A/D能接收的0?5V電壓信號(hào),

又由A/D轉(zhuǎn)換成00?FFH的數(shù)字量，不帶量綱，僅

代表參數(shù)值相對(duì)大小。

-為方便操作及運(yùn)算、顯示和打印的要求，須把數(shù)

字量轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值

?標(biāo)度變換方法

—線性參數(shù)標(biāo)度變換

-非線性參數(shù)標(biāo)度變換

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)40

5.2.2熬據(jù)處理――行度我加

?線性參數(shù)標(biāo)度變換

-一次儀表測量值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果具有線性關(guān)系

N-Nn

A、=A。+'-Ao)-----------

Nm-No

e非線性參數(shù)標(biāo)度變換

-一次儀表測量值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是非線性關(guān)系

-根據(jù)差壓變送器信號(hào)與流量F的關(guān)系，可得測

量流量時(shí)的標(biāo)度變換式

Gx-G、_k而―卜凡

Gm-GxkJNm_

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)41

5.2.2微據(jù)處理--越限報(bào)警處理

?概述

-把計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字

濾波、標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上、下限給定值進(jìn)

行比較。若高于（或低于）上限（或下限），則進(jìn)行報(bào)

警，以便進(jìn)行顯示和控府O

-聲光報(bào)警、報(bào)警記錄

?設(shè)計(jì)方法

-全軟件報(bào)警程序

-直接報(bào)警程序（硬件申請(qǐng)中斷）

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)42

5.2.2照據(jù)處理——越限演警處理

?如圖所示鍋爐水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖中鍋爐正常工作的主要

指標(biāo)是汽包水位：液面太高會(huì)影響汽包的蒸汽戶量；水

位過低則有爆炸的危險(xiǎn)。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)43

5.2.2照據(jù)處理——越限褪警處理

?為及時(shí)監(jiān)視鍋爐情況，系統(tǒng)有三個(gè)參數(shù)報(bào)警系統(tǒng)，即水位上下限，

爐膛溫度上下限，蒸汽壓力下限報(bào)警，如下圖所示。當(dāng)系統(tǒng)各個(gè)參

數(shù)全部正常時(shí)，綠燈亮；若有不正常參數(shù)，則發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

74Z506)

3

PB-!T]-------------Q電笛

PB6

PB5

P氏

82554

PB3

X?

PB2

PBi

PBo

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)44

5.2.2微據(jù)處理一死臣處理

?從工業(yè)現(xiàn)場采集到的信號(hào)往往會(huì)在一定范圍內(nèi)波

動(dòng)，或者有頻率較高、能量不大的干擾疊加在信

號(hào)上，此時(shí)采集到的數(shù)據(jù)有效值的最后一位不停

的波動(dòng)，難以穩(wěn)定。

?這種情況可以采取死區(qū)處理，把不停波動(dòng)的值進(jìn)

行死區(qū)處理，只有當(dāng)變化超出某值時(shí)才認(rèn)為該值

發(fā)生了變化。比如編程時(shí)可以先對(duì)數(shù)據(jù)除以10,

然后取整，去掉波動(dòng)項(xiàng)。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)45

5.3微控技術(shù)基礎(chǔ)

BaseofNumericalContrl

＞概述

＞數(shù)控原理

＞數(shù)控系統(tǒng)分類

＞運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)46

5.3.1概述

?基本概念

-數(shù)字控制(NC):用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工

過程進(jìn)行控制的一種方法

-數(shù)控系統(tǒng)：采用數(shù)控技術(shù)的控制系統(tǒng)

-數(shù)控設(shè)備：采用了數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)備

-計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC):以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng)

?數(shù)控設(shè)備構(gòu)成

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)47

5.3.2救按原理

?曲線分段-----------k

-臀如圖所示曲線分割成若干段，可以是直線

段，也可以是曲線段，圖中分割成了三段，

即7、二和4

-把a(bǔ)、b、c、d四點(diǎn)坐標(biāo)記下來并送給計(jì)算機(jī)。

圖形分割原則應(yīng)保證線段所連的曲線與原圖

形誤差在允許范圍內(nèi)。

-由圖可見，顯然采用7、二和必比7、二和工

要精確得多。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)48

5.3.2救按原理

?插值（或插補(bǔ)）-----------

-當(dāng)給定a、b、c、d各點(diǎn)坐標(biāo)x和y值之后，求得

各坐標(biāo)值間的中間值的數(shù)值計(jì)算方法稱插值或

插補(bǔ)

-直線插補(bǔ)：

在給定的兩個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似直線來逼近

-二次曲線插補(bǔ)：

在給定的兩個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似曲線來逼近

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)49

5.3.25按原理

?繪圖或加工

-把插補(bǔ)運(yùn)算過程中定出的各中間點(diǎn)，以脈沖信

號(hào)形式去控制x、y方向上的步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)繪

圖筆、刀具等，繪出圖形或加工所要求輪廓

-每一個(gè)脈沖信號(hào)代表步進(jìn)電機(jī)走一步，即繪圖

筆或刀具在x或y方高移動(dòng)一個(gè)位置

-對(duì)應(yīng)于每個(gè)脈沖移動(dòng)的相對(duì)位置稱為脈沖當(dāng)量,

又稱為務(wù)長，常用和Ay表示，且一般取

△x=Ayo

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)50

▲Y

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)51

5.3.3微控系瘍合類——松怨制方式分本

?按控制方式分類

-點(diǎn)位控制數(shù)控系統(tǒng)

點(diǎn)位控制最簡單，其運(yùn)動(dòng)軌跡沒有特殊要求，運(yùn)動(dòng)

時(shí)又不加工，它的控制電路只要具宥記憶和比較功

能即可，不需要插補(bǔ)運(yùn)算。

-直線控制數(shù)控系統(tǒng)

和點(diǎn)位控制相比，直線控制要進(jìn)行直線加工，控制

電路要復(fù)雜一些。

-輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)

要控制刀具準(zhǔn)確完成復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)，故控制電路

復(fù)雜，且需要進(jìn)行一系列的插補(bǔ)計(jì)算和判斷。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)52

5.3.3微捏系疙合類——此多佞修構(gòu)分考

?開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)

-早期數(shù)控機(jī)床采用的數(shù)控系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用

步進(jìn)電機(jī)或脈沖馬達(dá)。數(shù)控系統(tǒng)將零件程序處理

后，輸出指令脈川信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步城電動(dòng)機(jī)，控制

機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)

-這種驅(qū)動(dòng)方式不設(shè)置檢測元件，指令脈沖送出后,

沒有反饋信息，容易掌握，調(diào)試維修方便，但控

制精度和速度受到限制。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)53

5.3.3微捏系疙合類——此多佞修構(gòu)分考

?全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)

-接受數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)指令同時(shí)，還接受工作臺(tái)上檢

測元件測出的實(shí)際位置反饋信息，比較后根據(jù)差

值進(jìn)行修正，消除因傳動(dòng)系統(tǒng)誤差引起的誤差

-可獲得高的加工精度，由于包含很多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)

節(jié)，會(huì)影響伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。因此全閉環(huán)系

統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大困難，處理不好常會(huì)造

成系統(tǒng)不穩(wěn)定。主要用于高精度機(jī)床。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)54

5.3.3微捏系疙合類——此多佞修構(gòu)分考

?半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)

-將測量元件從工作臺(tái)移到執(zhí)行機(jī)構(gòu)端，由于工

作臺(tái)不在控制環(huán)里，測量元件安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)

端，環(huán)路短，岡U性好，容易獲得穩(wěn)定的控制特

性，廣泛應(yīng)用于各類連續(xù)控制的數(shù)控機(jī)床上。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)55

5.4越生PID搜制寡法

DigitalPIDControlArithmetic

＞標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法

＞數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)

＞數(shù)字PID參數(shù)整定

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)56

5-4-1標(biāo)率微生PID控制事法

?PID是Proportional（比例）、

Integrali積分）、Differential（微

分）三者的縮寫。在過程控制中，按誤差

信號(hào)的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)

器，簡稱PID調(diào)節(jié)器，是技術(shù)成熟、應(yīng)用

最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)57

5-4-1標(biāo)率微生PID控制事法

?標(biāo)準(zhǔn)的模擬PID

1，de。)

u(Z)=K[e(/)+—fe。)dt+T----]+〃0

T.Jo(dt

l

?式中：Kc、Tr二分別為模擬調(diào)節(jié)器的比

例增益、積分曲間和微分時(shí)間3%為偏差e=Q

時(shí)的調(diào)節(jié)器輸出，又稱之為穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)58

5-4-1標(biāo)率熬多PID控制算法

?采樣周期與控制周期的概念

?模擬PID調(diào)節(jié)規(guī)律的離散化

-在控制器的采樣時(shí)刻f=AT時(shí)

,kdee(^)-e{k-1)

fedtqZTe(j)--------《----------------------------------------------

」y=odtT

因此，PID的數(shù)字算式如下式

k

「TT.r』

u（k）=Kc\e{k）^—￡e（；）+（左）—e（左—1）5+〃。

IT-TI

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)59

5-4-1標(biāo)率微生PID控制事法

?數(shù)字PID又可寫成

k

"(k)=K“(k)+K2e(J)+K/e(左)—e(k—1)]+

j=o

上面兩個(gè)算式又稱為PID位置算式

其中K,=K%稱為積分系數(shù)

Kd=c稱為微分系數(shù)

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)60

5-4-1標(biāo)率微生PID控制事法

?PID位置算式的問題

k

—由積分項(xiàng)22e(2)的存在所產(chǎn)生

Z=1

?PID增量算式

由△〃(左)=〃(左)_〃(左_1)「彳導(dǎo)

fTTd〕

=Kc\[e(k)-e(k-1)+——e(k)+—[e(^)-2e(k-1)+e(k-2"

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)61

5-4-1標(biāo)雁照生PID控制算法

?PID增量算式的另一種形式

Au(k)=Kc[e(k)~e(k-1)]+K,e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

?增量PID算法的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，數(shù)據(jù)可以

遞推使用，占用內(nèi)存少，運(yùn)算快。

?增量PID算法得到欠采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)的實(shí)

際輸出控制量為〃(左)=〃(左—1)+Aug

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)62

5-4-2微生PID控制算法的改進(jìn)

1.實(shí)際微分PID控制算法

-微分的作用

-理想微分的PID算法

-模擬調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的微分作用

-理想微分作用的實(shí)際缺陷

-實(shí)際微分作用

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)63

5-4-2微生PID控制算法的改進(jìn)

?理想微分PID與實(shí)際微分PID

-在單位階躍輸入時(shí),它們輸出的控制作用

項(xiàng)

012345678kT012345678kT

(A)理想微分PID(B)實(shí)際微分PID

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)64

5-4-2微生PID控制算法的改進(jìn)

?理想微分PID與實(shí)際微分PID

-其區(qū)別在于實(shí)際微分多了個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，

即如圖所示

—圖中E(s)J理想廣⑸[?U(s)

PID]

1實(shí)際微分PID控制算法示意框圖

G/(s)=-----------

Tfs+1

-因?yàn)閡'⑴為理想PID的輸出，G/s)是一階慣

性環(huán)節(jié)

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)65

5-4-2微生PID控制算法的改進(jìn)

?理想微分PID與實(shí)際微分PID

1。dei

-故:e(t)+--fe(t)dt+T

u(t)=K?TJd

1i0dt

du(1).

T-------+〃(/)=〃(Z)

dt

-經(jīng)計(jì)算，可得實(shí)際微分位置型控制算式

M(左)=QK(左一1)+(1—Q)M(k)a—Tfl(T+Tf)

\TkT]

u\k)=K〈eg+——Ve(i)+-[e(k)-e(k-1)]}>

'IT…。TI

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)66

5-4-2微生PID控制算法的改進(jìn)

?理想微分PID與實(shí)際微分PID

-實(shí)際微分增量型控制算式_

△〃(左)=abn(k-1)+(1-a)Au(k)

,fTT〕

Au(k)=KAe(k)+—e(k)+——[Ae(左)—be(k—1)]}>

T,TJ

?實(shí)際微分的其它形式

-Ga)為一階超前/一階滯后環(huán)節(jié)，或?qū)⒗硐胛⒎肿饔?/p>

改為微分/一階慣性環(huán)節(jié)

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)67

5-4-2微生PID控制算法的改進(jìn)

2.微分先行PID控制算法(“測量值微

分”)出發(fā)點(diǎn)：避免因給定值變化給控制系

統(tǒng)帶來超調(diào)量過大、調(diào)節(jié)閥動(dòng)作劇烈的沖擊。

?特點(diǎn)：只對(duì)測量值(被控量)進(jìn)行微分，而不對(duì)

偏差微分，也即對(duì)給定值無微分作用。

?偏差計(jì)算：

—正作用e(k)=y(左)-r(k)

—反作用e(k)=y(k)—y(k)

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)68

5-4-2微生PID控制算法的改進(jìn)

?標(biāo)準(zhǔn)PID算式中的微分作用

△〃[/)=Kdle(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

改進(jìn)后的微分作用算式則為

正作用:△%也)=Kd[y(k)-2y(ky(k-2)]

反作用:

△。(左)=-Kd[y(k)-2y(k-1)^y(k-2)]

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)69

5-4-2微生PID控制算法的改進(jìn)

?微分先行PID控制算法示意圖

微分先行的PID控制方框圖

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)70

5-4-2微生PID控制算法的改進(jìn)

3.積分分離PID算法

-提出背景:積分作用會(huì)產(chǎn)生較大超調(diào)和振蕩

—基本思想

當(dāng)>A時(shí)，用P或PD控制；

|e(k)|<A時(shí),用PI或PID控制。

注：1)A值需要適當(dāng)選??；

2)Kc應(yīng)根據(jù)積分作用是否起作用而變化

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)71

第5章教提

5-4-2微生PID控制算法的改進(jìn)

?積分分離PID算法示意圖

/曲線2：標(biāo)準(zhǔn)PID

2012-10-572

5-4-2微生PID控制算法的改進(jìn)

4.遇限切除積分PID算法

-執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械性能與物理性能的約束

-積分飽和

-該算法是抑制積分飽和的方法之一

?基本思想：一旦計(jì)算出的控制量“傳2進(jìn)

入飽和區(qū)，一方面對(duì)控制量輸出值限幅；另

一方面增加判別程序，算法中只執(zhí)行削弱積

分飽和項(xiàng)的積分運(yùn)算,而停止增大積分飽和

項(xiàng)的運(yùn)算。

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)73

5-4-2微生PID控制算法的改進(jìn)

5.提高積分項(xiàng)積分的精度

-積分項(xiàng)的作用：比較重要

-提高其積分項(xiàng)的運(yùn)算精度的辦法

一原來的方法：Je成七匯Te(j)

7=0

-改進(jìn)方法

rz,:ke(/)+e(/+l)

\e。)力二E-------------------------

2012-10-5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)74

IT2

=K(左)-e(k-1)+—e(k)+—[e(^)-2e(k-1)+e(k-2)>----------

,[TiT

5-4-3熬室PID按喇的參熬賽足

-、PID控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響

I比倒球曷幅制?

1.憫糕T細(xì)

牝例系數(shù)除加大，使系鋤雌姆，賴加機(jī)K簿大,嘛瞅教力哆，調(diào)節(jié)時(shí)

岫張。當(dāng)即太孫，減髓于不豌.若兒太小，匕便系統(tǒng)機(jī)作級(jí)配

2,腌橢性的歌響

力吠比例系&K，繇㈱定的情況下,可以由陵械米,提高投制獻(xiàn)。但品

加大占只勘沙小咻能完全解獻(xiàn)俁總

Amplrtude

P

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o

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N《

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（二）積分時(shí)間常數(shù)7:對(duì)系統(tǒng)性能的影響

1.對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響

T,太小時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，一偏小，則系統(tǒng)振蕩次數(shù)較多。一太大,對(duì)系統(tǒng)性能的影響

減少。當(dāng)心合適時(shí)，過渡過程的特性則比較理想。

2.對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差的影響

積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度」且是，若丁,太大時(shí)，積分

作用太弱，以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。

（三）微分時(shí)間常數(shù)。對(duì)系統(tǒng)性能的影響

微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性，如超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)

態(tài)誤差減小，提高控制精度。

當(dāng)"偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長；

當(dāng)。偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，褥節(jié)時(shí)間也較長；

只有四合適時(shí)，可以得到比較滿意的過渡過程。

AmphiudcII

P

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AmplitudeII

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a3-3采樣周期r的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

被測叁數(shù)果樣周期T（8）備注

流*1?5優(yōu)先選用It

壓力3?10?優(yōu)先選用5s

液位670!

溫度15-20

三、用擴(kuò)充臨界比例度法選擇PID參數(shù)

1）選擇一個(gè)合適的采樣周期T,控制器做純

比例Kp控制；

2）選擇Kp的值，使得系統(tǒng)出現(xiàn)臨界震蕩，

記下相應(yīng)的臨界震蕩周期Ts和臨界震蕩

增益Ks

3）選擇合適的控制度。

OO

r2，

Iedt

控制度=心—暑

e2a7t

L-J°」