第05章数据处理与控制策略课件

第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略数字控制器的设计技术数字控制器的设计技术数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理数控技术基础数控技术基础数字数字PID控制算法控制算法常规控制方案常规控制方案先进控制方案先进控制方案本章主要内容7/12/20241计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.1 数字控制器的设计技术数字控制器的连续化设计技术 数字控制器的离散化设计技术 Design technology Of Digital ontroler7/12/20242计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略计算机控制系统的设计计算机控制系统的设计是指在给定系统性能指标的条件下，设计出控制器的控制规律和相应的数字控制算法 大多数计算机控制系统是由处理数字信号的过程控制计算机和连续的被控过程组成的数字信号与连续信号并存的“混合系统”数字控制器的分析和设计方法数字控制器的分析和设计方法数字控制器的连续化设计技术数字控制器的离散化设计技术 7/12/20243计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.1.1 数字控制器的连续化设计技术 概述概述概述概述数字控制器的连续化设计是忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器，在S域中按连续系统进行设计，然后通过某种近似将连续控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。设计问题设计问题设计问题设计问题G(s)是被控对象的传递函数，H(s)是零阶保持器，D(z)是数字控制器。设计问题是：根据已知的系统性能指标和G(s)来设计出数字控制器D(z)。y(t)u(t)e(k)+-G(s)e(t)D(z)H(s)Tu(k)Tr(t)7/12/20244计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.1.1 数字控制器的连续化设计技术数字控制器的连续化设计步骤数字控制器的连续化设计步骤 设计假想的连续控制器选择采样周期 T将D(s)离散化为D(z)设计由计算机实现的控制算法校验7/12/20245计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.1.1 数字控制器的连续化设计技术(1)(1)(1)(1)设计假想的连续控制器设计假想的连续控制器设计假想的连续控制器设计假想的连续控制器 采用连续系统的设计方法(如频率特性法、根轨迹法等)设计出假想的连续控制器D(s)。D(s)G(s)y(t)e(t)r(t)+-u(t)7/12/20246计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.1.1 数字控制器的连续化设计技术(2)(2)(2)(2)选择采样周期选择采样周期选择采样周期选择采样周期 T T T T采样定理：采样周期T/max 由于被控对象的物理过程及参数的变化比较复杂，致使模拟信号的最高角频率max很难确定。采样定理仅从理论上给出了采样周期的上限，实际采样周期的选择要受到多方面因素的制约,如：系统控制品质的要求、执行机构的特性、控制系统抗干扰和快速响应的要求、计算工作量、计算机的成本、控制对象的时间常数Tp和纯滞后时间 7/12/20247计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.1.1 数字控制器的连续化设计技术(3)(3)将将D(s)D(s)离散化为离散化为D(z)D(z)常用连续系统离散化的方法：双线性变换法 后向差分法 前向差分法 冲击响应不变法 零极点匹配法 零阶保持法 7/12/20248计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略为了由D(s)求解D(z)，由上式得且有(5.3)式(5.3)就是利用双线性变换法由D(s)求取D(z)的计算公式。,利用级数展开可得双线性变换或塔斯廷(Tustin)近似 双线性变换法双线性变换法:7/12/20249计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略前向差分法前向差分法:利用级数展开可将 ，写成以下形式上式称为前向差分法或欧拉法的计算公式。为了由D(s)求取D(z)，由上式可得上式便是前向差分法由D(s)求取D(z)的计算公式且有7/12/202410计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略后向差分法后向差分法:利用级数展开可将 ，写成以下形式为了由D(s)求取D(z)，由上式可得上式便是后向差分法由D(s)求取D(z)的计算公式且有7/12/202411计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.1.1 数字控制器的连续化设计技术(4)(4)设计由计算机实现的控制算法设计由计算机实现的控制算法设数字控制器D(z)的一般形式为上式可改写为上式用时域表示为利用上式即可实现计算机编程，因此上式称为数字控制器D(z)的控制算法。7/12/202412计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.1.1 数字控制器的连续化设计技术(5)(5)校验校验 控制器D(z)设计完成并求出控制算法后，需要检验其闭环特性是否符合设计要求，可采用数字仿真来验证，若满足设计要求，设计结束，否则应修改设计。7/12/202413计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.1.2 数字控制器的离散化设计技术概述概述概述概述数字控制器的连续化设计数字控制器的连续化设计，立足于连续控制系统控制器的设计，然后在计算机上进行数字模拟来实现的，该方法在被控对象的特性不太清楚时，可充分利用成熟的连续化设计技术，并把它移植到计算机上予以实现由于控制任务需要，当所选择的采样周期比较大或对控制质量要求比较高时，必须从被控对象的特性出发，直接根据计算机控制理论(采样控制理论)来设计数字控制器，这类方法称为离散化设计方法离散化设计方法 离散化设计技术离散化设计技术比连续化设计技术连续化设计技术更具有一般意义，它完全是根据采样控制系统的特点进行分析和综合，并导出相应的控制规律和算法7/12/202414计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.1.2 数字控制器的离散化设计技术设计问题设计问题设计问题设计问题下图中，Gc(s)是被控对象的连续传递函数，D(z)是数字控制器的脉冲传递函数，H(s)是零阶保持器的传递函数，T是采样周期)。-r(t)y(t)u(t)u(k)e(t)e(k)+D(z)H(s)TTGc(s)7/12/202415计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.1.2 数字控制器的离散化设计技术设计问题设计问题设计问题设计问题定义广义对象的脉冲传递函数为可得上页图对应的闭环脉冲传递函数为由上式求得(5.12)(5.13)(5.14)若已知Gc(s)且可根据控制系统性能指标要求构造(z)，则可由式(5.12)和式(5.14)求得D(z)7/12/202416计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.1.2 数字控制器的离散化设计技术数字控制器的离散化设计步骤数字控制器的离散化设计步骤数字控制器的离散化设计步骤数字控制器的离散化设计步骤 根据控制系统性能指标要求和其他约束条件，确定所需闭环脉冲传递函数(z)；根据式(5.12)求广义对象的脉冲传递函数G(z)；根据式(5.14)求数字控制器的脉冲传递函数D(z)；根据D(z)求取控制算法的递推计算公式7/12/202417计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.1.2 数字控制器的离散化设计技术由G(z)求取控制算法可按以下方法实现：设数字控制器G(z)的一般形式为数字控制器的输出U(z)为因此，数字控制器D(z)的计算机控制算法为按照式上式就可编写出控制算法程序。7/12/202418计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.1 数字控制器的设计技术不管是按连续系统进行控制系统设计连续系统进行控制系统设计还是按离离散系统进行控制系统设计散系统进行控制系统设计,都可采用基于经典控制理论的常规控制策略或基于现代控制理论的先进控制策略，采用哪种控制策略往往与被控对象的过程特点过程特点、得到的数学模型数学模型以及对系统的控制精度控制精度要求有关，与采用哪种方法无直接关系。7/12/202419计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2 数字滤波和数据处理数字滤波数字处理Data Filtering and Data Processing7/12/202420计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略进行数字滤波和处理的必要性进行数字滤波和处理的必要性进行数字滤波和处理的必要性进行数字滤波和处理的必要性存在外部干扰采样系统多次转换信号会掺杂噪声直接测得数据可能不可用数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波在计算机中利用某种计算方法对原始输入数据进行数学处理，去掉原始数据中掺杂的噪声数据，提高信号的真实性，获得最具有代表性的数据集合。数据处理数据处理数据处理数据处理通过数字滤波得到比较真实的被测参数，有时不能直接使用，还需要做某些处理，如线性化、校正运算、标度变换等。7/12/202421计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.1 数字滤波概述概述概述概述在软件中对采集到的数据进行消除干扰的处理 目的是进一步消除附加在数据中的干扰，使采集数据能真实反映现场实际情况，提高信号可靠性优点优点优点优点不需增加硬件设备，只需在计算机得到采样数据后，执行预定滤波算法程序即可达到滤波目的稳定性好，一种滤波程序可以反复调用，使用方便灵活 常用数字滤波方法常用数字滤波方法常用数字滤波方法常用数字滤波方法平均值滤波法、中值滤波法 惯性滤波法、程序判断滤波备7/12/202422计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.1 数字滤波-平均值滤波法(1)(1)(1)(1)算术平均值滤波算术平均值滤波算术平均值滤波算术平均值滤波对一点数据连续采样多次，计算算术平均值，以平均值作为该点采样结果。可减少系统随机干扰对采集结果的影响 m值决定信号平滑度和灵敏度.适用于对流量、压力及沸腾状液面等周期性采样信号作平滑处理。7/12/202423计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.1 数字滤波-平均值滤波法实现方法实现方法实现方法实现方法可以在一个采样瞬间对一个测点多次采样后,计算出其平均值也可对多个采样周期的平均采样值作递推滤波递推算式递推算式递推算式递推算式为加快运算速度,可利用上一次计算值,通过递推平均滤波算式得到当前采样时刻的递推平均值。7/12/202424计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.1 数字滤波-平均值滤波法(2)(2)(2)(2)加权平均滤波加权平均滤波加权平均滤波加权平均滤波算术平均值滤波对每个采样值给出相同的权重系数1/m若要增加新采样值在平均值中比重,提高系统对当前所受干扰的灵敏度,可采用加权平均滤波,算式为ai 为加权系数，体现各次采样值在平均值中所占比例。这种滤波方法可根据需要突出信号某一部分，抑制信号另一部分。适用于纯滞后较大、采样周期短的过程。7/12/202425计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.1 数字滤波-中值滤波法中值滤波的基本原理中值滤波的基本原理中值滤波的基本原理中值滤波的基本原理对某一参数连续采样n次,把n次的采样值从小到大或从大到小排队,再取中间值作为本次采样值。适用范围适用范围适用范围适用范围对于去掉由于偶然因素引起的波动或采样器不稳定造成的误差所引起的脉动干扰比较有效.若变量变化比较慢，则采用中值滤波效果比较好实际使用时实际使用时实际使用时实际使用时，n值要选择适当，若选择过小，可能起不到去除干扰的作用，n过大，会造成采样数据的时延过大，造成系统性能变差。一般取n为3-5次。7/12/202426计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.1 数字滤波-中值滤波法平均值滤波平均值滤波平均值滤波平均值滤波对具有周期性干扰噪声的信号比较有效,中值滤波法中值滤波法中值滤波法中值滤波法对偶然出现的脉冲干扰信号有良好的滤波效果,结合使用滤波效果会更好.方法是连续采样m次，并按大小排序，从首尾各舍掉1/3个大数和小数，再将剩余的1/3个大小居中的数据进行算术平均，作为本次采样的有效数据；亦可去掉采样值中的最大值和最小值，将余下的（m-2）个采样值算术平均。7/12/202427计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.1 数字滤波-惯性滤波法惯性滤波法基本概念惯性滤波法基本概念惯性滤波法基本概念惯性滤波法基本概念用软件实现RC低通滤波器功能,动态方程为 其中 Tf=RC，称为滤波时间常数离散化后动态方程，T为采样周期,得 0a1,称为滤波系数。7/12/202428计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.1 数字滤波-程序判断滤波法基本概念基本概念基本概念基本概念根据生产经验，确定两次采样输入信号可能出现的最大偏差y 当采样信号由于随机干扰，使得采样数据偏离实际值较远，可以采用程序判断滤波。一般分两类一般分两类一般分两类一般分两类限幅滤波限速滤波7/12/202429计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.1 数字滤波-程序判断滤波法限幅滤波限幅滤波限幅滤波限幅滤波把两次相邻的采样值相减，求出其增量（以绝对值表示），然后与两次采样允许的最大偏差y比较，若小于或等于y取本次采样值，若大于y仍取上次采样值。即|y(k)-y(k-1)|y0,则 y(k)=y(k)y0,则 y(k)=y(k-1)7/12/202430计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.1 数字滤波-程序判断滤波法限速滤波限速滤波限速滤波限速滤波限幅滤波用两次采样值来决定采样结果，而限速滤波可用三次采样值来决定采样结果。当|y(k)-y(k-1)|y时，再采样一次，取得y(k+1)根据|y(k+1)-y(k)|与y的关系决定本次采样值 7/12/202431计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.1 数字滤波各种滤波方法的特点与应用各种滤波方法的特点与应用各种滤波方法的特点与应用各种滤波方法的特点与应用 平均值滤波平均值滤波平均值滤波平均值滤波适用于周期性干扰；加权平均递推滤波加权平均递推滤波加权平均递推滤波加权平均递推滤波适用于纯滞后较大的过程；中值滤波中值滤波中值滤波中值滤波和程序判断滤波程序判断滤波程序判断滤波程序判断滤波适用于偶然出现的脉冲干扰；惯性滤波惯性滤波惯性滤波惯性滤波适用于高频干扰。7/12/202432计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略目的目的目的目的经过处理后，可直接引用采样数据。常见数据处理方法常见数据处理方法常见数据处理方法常见数据处理方法线性化处理：校正运算标度变换越限报警处理死区处理5.2.2 数据处理7/12/202433计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.2 数据处理-线性化处理概述概述概述概述计算机从模拟量输入通道得到的检测信号与该信号所代表的物理量之间不一定成线性关系。线性化处理后，方便运算并且便于数字显示。计算法计算法计算法计算法孔板差压与流量 热电偶的热电势与温度7/12/202434计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.2 数据处理-线性化处理插值法插值法插值法插值法实质是找出一种简单、便于计算处理的近似表达式代替非线性参数。常用的插值公式有多项式插值公式、拉格朗日插值公式、线性插值公式等。折线法折线法折线法折线法上述两法都可能会带来大量运算，为简单起见，可分段进行线性化，即用多段折线代替曲线。过程：先判断测量数据处于哪一折线段内，然后按相应段的线性化公式计算出线性值。折线段分法不是惟一的，可视具体要求定。一般折线段数越多，线性化精度越高。7/12/202435计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略 Pt100 Pt100 Pt100-50 80.31 10 103.90 80 130.90-40 84.27 20 107.80 90 134.70-30 88.22 30 111.67 100 138.50-20 92.16 40 115.54 150 157.31-20 92.16 50 119.40 200 175.84-10 96.09 60 123.24 0 100.00 70 127.07热电阻分度表5.2.2 数据处理-线性化处理查表法查表法查表法查表法 为提高运算速度，可将非线性关系转化为表格形式为提高运算速度，可将非线性关系转化为表格形式 存在计算机内，在线工作量仅是根据采样值查表存在计算机内，在线工作量仅是根据采样值查表7/12/202436计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.2 数据处理-校正运算有时来自被控对象的某些检测信号与真实值有偏差，这时需要对这些检测信号进行补偿，力求补偿后的检测值能反映真实情况。用孔板测气体体积流量的温度、压力补偿7/12/202437计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.2 数据处理-标度变换概述概述概述概述生产中各个参数有不同的数值和量纲,如Pa、等 参数经变送器转换成A/D能接收的0 5V电压信号，又由A/D转换成00FFH的数字量，不带量纲，仅代表参数值相对大小。为方便操作及运算、显示和打印的要求，须把数字量转换成带有量纲的数值 标度变换方法标度变换方法标度变换方法标度变换方法线性参数标度变换非线性参数标度变换7/12/202438计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.2 数据处理-标度变换线性参数标度变换线性参数标度变换线性参数标度变换线性参数标度变换一次仪表测量值与A/D转换结果具有线性关系 非线性参数标度变换非线性参数标度变换非线性参数标度变换非线性参数标度变换一次仪表测量值与A/D转换结果是非线性关系根据差压变送器信号P与流量F的关系，可得测量流量时的标度变换式 即7/12/202439计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.2 数据处理-越限报警处理概述概述概述概述把计算机采集的数据经计算机进行数据处理、数字滤波、标度变换之后，与该参数上、下限给定值进行比较。若高于(或低于)上限(或下限)，则进行报警，以便进行显示和控制。声光报警、报警记录 设计方法设计方法设计方法设计方法全软件报警程序 直接报警程序（硬件申请中断）7/12/202440计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.2 数据处理-越限报警处理如图所示锅炉水位调节系统。图中锅炉正常工作的主要指标是汽包水位：液面太高会影响汽包的蒸汽产量；水位过低则有爆炸的危险。HHJ 变送器cba+预热管水传感器传感器蒸汽蒸汽流量bac液面高度汽包水流量变速器变送器7/12/202441计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.2 数据处理-越限报警处理为及时监视锅炉情况，系统有三个参数报警系统，即水位上下限，炉膛温度上下限，蒸汽压力下限报警，如下图所示。当系统各个参数全部正常时，绿灯亮；若有不正常参数，则发出声光报警信号。正常运转 蒸汽压力下限报警 炉膛温度下限报警 炉膛温度下限报警 水位下限报警 水位上限报警 1 LEDGN1 LED RD1 LED RD1 LED RD7PBA82551 LED RD1 LEDRD6PB5PB3PB2PB1PB0PB4PB1 电笛0674LS3X2X1X7/12/202442计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.2.2 数据处理-死区处理从工业现场采集到的信号往往会在一定范围内波动，或者有频率较高、能量不大的干扰叠加在信号上，此时采集到的数据有效值的最后一位不停的波动，难以稳定。这种情况可以采取死区处理，把不停波动的值进行死区处理，只有当变化超出某值时才认为该值发生了变化。比如编程时可以先对数据除以10，然后取整，去掉波动项。7/12/202443计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.3 数控技术基础概述数控原理数控系统分类运动控制系统 Base of Numerical Contrl7/12/202444计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.3.1 概述基本概念基本概念基本概念基本概念数字控制数字控制(NC)(NC)：用数字化信号对机床运动及其加工 过程进行控制的一种方法数控系统数控系统：采用数控技术的控制系统 数控设备数控设备：采用了数控系统的设备 计算机数控系统计算机数控系统(CNC)(CNC)：以计算机为核心的数控系统 数控设备构成数控设备构成数控设备构成数控设备构成饲服系统机电接口输入通道被控对象CNC7/12/202445计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.3.2 数控原理XbadcY曲线分段曲线分段曲线分段曲线分段将如图所示曲线分割成若干段，可以是直线段，也可以是曲线段，图中分割成了三段，即 、和cd把a、b、c、d四点坐标记下来并送给计算机。图形分割原则应保证线段所连的曲线与原图形误差在允许范围内。由图可见，显然采用 、和 cd 比 、和 要精确得多。7/12/202446计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.3.2 数控原理插值（或插补）插值（或插补）插值（或插补）插值（或插补）当给定当给定a、b、c、d各点坐标各点坐标x和和y值之后，求得值之后，求得各坐标值间的中间值的数值计算方法称各坐标值间的中间值的数值计算方法称插值插值或或插补插补 直线插补直线插补：在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近 二次曲线插补二次曲线插补：在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近 XbadcY7/12/202447计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.3.2 数控原理绘图或加工绘图或加工绘图或加工绘图或加工把插补运算过程中定出的各中间点，以脉冲信把插补运算过程中定出的各中间点，以脉冲信号形式去控制号形式去控制x、y方向上的步进电机，带动绘方向上的步进电机，带动绘图笔、刀具等，绘出图形或加工所要求轮廓图笔、刀具等，绘出图形或加工所要求轮廓每一个脉冲信号代表步进电机走一步，即绘图每一个脉冲信号代表步进电机走一步，即绘图笔或刀具在笔或刀具在x或或y方向移动一个位置方向移动一个位置 对应于每个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量，对应于每个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量，又称为步长，常用又称为步长，常用x和和y表示，且一般取表示，且一般取x=y。XbadcY7/12/202448计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略7/12/202449计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.3.3 数控系统分类-按控制方式分类按控制方式分类按控制方式分类按控制方式分类按控制方式分类点位控制数控系统点位控制数控系统 点位控制最简单，其运动轨迹没有特殊要求，运动时又不加工，它的控制电路只要具有记忆和比较功能即可，不需要插补运算。直线控制数控系统直线控制数控系统 和点位控制相比，直线控制要进行直线加工，控制电路要复杂一些。轮廓控制数控系统轮廓控制数控系统 要控制刀具准确完成复杂的曲线运动，故控制电路 复杂，且需要进行一系列的插补计算和判断。7/12/202450计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.3.3 数控系统分类-按系统结构分类开环数控系统开环数控系统开环数控系统开环数控系统早期数控机床采用的数控系统，执行机构多采用步进电机或脉冲马达。数控系统将零件程序处理后，输出指令脉冲信号，驱动步进电动机，控制机床工作台移动 这种驱动方式不设置检测元件，指令脉冲送出后，没有反馈信息，容易掌握，调试维修方便，但控制精度和速度受到限制。步进电机驱动电路步进电机工作台7/12/202451计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.3.3 数控系统分类-按系统结构分类全闭环数控系统全闭环数控系统全闭环数控系统全闭环数控系统接受数控系统驱动指令同时，还接受工作台上检测元件测出的实际位置反馈信息，比较后根据差值进行修正，消除因传动系统误差引起的误差可获得高的加工精度，由于包含很多机械传动环节，会影响伺服系统的调节参数。因此全闭环系统的设计和调整都有较大困难，处理不好常会造成系统不稳定。主要用于高精度机床。位置反馈速度反馈速度控制电路步进电机工作台位置比较电路7/12/202452计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.3.3 数控系统分类-按系统结构分类半闭环数控系统半闭环数控系统半闭环数控系统半闭环数控系统将测量元件从工作台移到执行机构端，由于工作台不在控制环里，测量元件安装在执行机构端，环路短，刚性好，容易获得稳定的控制特性，广泛应用于各类连续控制的数控机床上。指令位置反馈速度反馈速度控制电路步进电机工作台位置比较电路7/12/202453计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.4 数字PID控制算法标准数字PID控制算法数字PID控制算法的改进数字PID参数整定Digital PID Control Arithmetic7/12/202454计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-4-1 标准数字PID控制算法PID是Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）三者的缩写。在过程控制中，按误差信号的比例、积分和微分进行控制的调节器，简称PID调节器，是技术成熟、应用最为广泛的一种调节器7/12/202455计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-4-1 标准数字PID控制算法标准的模拟PID式中：Kc、Ti、Td 分别为模拟调节器的比例增益、积分时间和微分时间,u0为偏差 e=0 时的调节器输出,又称之为稳态工作点稳态工作点。7/12/202456计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略采样周期与控制周期的概念模拟PID调节规律的离散化在控制器的采样时刻 t=kT时因此，PIDPID的数字算式的数字算式如下式5-4-1 标准数字PID控制算法7/12/202457计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略数字PID又可写成上面两个算式又称为上面两个算式又称为PIDPID位置算式位置算式其中其中 称为积分系数称为积分系数 称为微分系数称为微分系数5-4-1 标准数字PID控制算法7/12/202458计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略PID位置算式的问题由积分项 的存在所产生PID增量算式 由 ，可得5-4-1 标准数字PID控制算法7/12/202459计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略PID增量算式的另一种形式增量PID算法的优点是编程简单,数据可以递推使用,占用内存少,运算快。增量PID算法得到 k 采样时刻计算机的实际输出控制量为5-4-1 标准数字PID控制算法7/12/202460计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-4-2 数字PID控制算法的改进 1.实际微分PID控制算法微分的作用理想微分的PID算法模拟调节器实现的微分作用理想微分作用的实际缺陷实际微分作用实际微分作用7/12/202461计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略理想微分PID与实际微分PID在单位阶跃输入时,它们输出的控制作用 (A)理想微分理想微分理想微分理想微分PIDPID积积分分项项 比比 例例 项项 u 0 1 2 3 4 5 6 7 8 kT 微微 分分 项项 比比 例例 项项 u 0 1 2 3 4 5 6 7 8 kT项项 (B)实际微分实际微分实际微分实际微分PIDPID微微积积分分分分项项5-4-2 数字PID控制算法的改进7/12/202462计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略理想微分PID与实际微分PID其区别在于实际微分多了个一阶惯性环节，即如图所示图中因为u(t)为理想PID的输出，Gf(s)是一阶惯性环节理想理想PIDU(s)E(s)Gf(s)U(s)实际微分实际微分PID控制算法示意框图控制算法示意框图5-4-2 数字PID控制算法的改进7/12/202463计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略理想微分PID与实际微分PID故：故：经计算，可得实际微分位置型控制算式经计算，可得实际微分位置型控制算式 5-4-2 数字PID控制算法的改进7/12/202464计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略理想微分PID与实际微分PID实际微分增量型控制算式实际微分的其它形式Gf(s)为一阶超前/一阶滞后环节,或将理理想想微微分分作用改为微分/一阶惯性环节5-4-2 数字PID控制算法的改进7/12/202465计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略2.微分先行PID控制算法（“测量值微分”）出发点：避免因给给定定值值变变化化给控制系统带来超调量过大、调节阀动作剧烈的冲击。特点：只对测测量量值值(被控量)进行微分,而不对偏差微分,也即对给定值无微分作用。偏差计算偏差计算：正作用反作用5-4-2 数字PID控制算法的改进7/12/202466计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略标准标准PIDPID算式中的微分作用改进后改进后的微分作用算式则为正作用：反作用：5-4-2 数字PID控制算法的改进7/12/202467计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略u微分先行微分先行PID控制算法示意图控制算法示意图 U(s)Y(s)R(s)微分先行的微分先行的PID控制方框图控制方框图5-4-2 数字PID控制算法的改进7/12/202468计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略 3.积分分离PID算法提出背景提出背景:积分作用会产生较大超调和振荡基本思想基本思想 当 e(k)A 时,用P或PD 控制；e(k)A 时,用PI或PID控制。注：1）A值需要适当选取；2）Kc应根据积分作用是否起作用而变化5-4-2 数字PID控制算法的改进7/12/202469计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略积分分离PID算法示意图 y曲线曲线2：标准：标准PID曲线曲线3：A过小过小曲线曲线1 0 t R APDPIDPD5-4-2 数字PID控制算法的改进7/12/202470计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略 4.遇限切除积分PID算法执行机构机械性能与物理性能的约束 积分饱和该算法是抑制积分饱和的方法之一基本思想：一旦计算出的控制量u(k)进入饱和区,一方面对控制量输出值限幅；另一方面增加判别程序,算法中只执行削弱积分饱和项的积分运算,而停止增大积分饱和项的运算。5-4-2 数字PID控制算法的改进7/12/202471计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略 5.提高积分项积分的精度积分项的作用：比较重要提高其积分项的运算精度的办法原来的方法：改进方法5-4-2 数字PID控制算法的改进7/12/202472计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略整定过程先按模拟PID控制参数整定方法来选择，然后在适当调整，并考虑采样周期对整定参数影响采样周期的确定（一般规律）5-4-3 数字PID控制的参数整定7/12/202473计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-4-3 数字PID控制的参数整定稳定边界法（临界比例度法）稳定边界法（临界比例度法）选用纯比例控制，给定值r作阶跃扰动，从较大比例带开始，逐渐减小，直到被控变量出现临界振荡为止，记下临界周期Tu和临界比例带u，按以下经验公式计算Kc、Ti和Td。控制规律控制规律TiTdPPIPID2u2.2u1.6u-0.85Tu0.50Tu-0.13Tu7/12/202474计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略动态特性法（响应曲线法）在系统处于开环情况下，首先做被控对象的阶跃曲线，从该曲线上求得对象的纯滞后时间、时间常数T和放大系数K。然后在按表4.2经验公式计算Kc、Ti和Td。5-4-3 数字PID控制的参数整定7/12/202475计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略控制控制规律规律/T0.20.20.20.2/T1.51.5TiTdTiTdPK/T-PI1.1K/T3.33.3-0.8Tc0.8Tc-PID0.85K/T220.50.50.81Tc+0.10.81Tc+0.1990.25Ti0.25Ti5-4-3 数字PID控制的参数整定7/12/202476计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略3.3.基于偏差积分指标最小的整定参数法基于偏差积分指标最小的整定参数法 常用三种指标：常用三种指标：最佳最佳整定参数应使这些积分指标最小，不同积分指整定参数应使这些积分指标最小，不同积分指标所对应的系统输出被控变量响应曲线稍有差别标所对应的系统输出被控变量响应曲线稍有差别 一般情况下，一般情况下，ISEISE指标的超调量大，上升时间快；指标的超调量大，上升时间快；IAEIAE指标的超调量适中，上升时间稍快；指标的超调量适中，上升时间稍快；ITAEITAE指指标的超调量小，调整时间也短。标的超调量小，调整时间也短。5-4-3 数字PID控制的参数整定7/12/202477计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略4.试凑法 一般规律：一般规律：增大比例系数Kc一般将加快系统的响应，使系统的稳定性变差 减小积分时间Ti，将使系统的稳定性变差，使余差（静差）消除加快。增大微分时间Td，将使系统的响应加快，但对扰动有敏感的响应，可使系统稳定性变差。试凑时，可参考上述参数对控制过程的影响趋势，试凑时，可参考上述参数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比例，后积分，最后微分的对参数实行先比例，后积分，最后微分的 整定步骤整定步骤。5-4-3 数字PID控制的参数整定7/12/202478计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略 试凑法整定步骤：试凑法整定步骤：（1）首先整定比例部分。将比例系数由小变大，观察相应响应，直到得到反应较快，超调较小的响应曲线。若系统静差较小，满足要求可采用纯比例控制。（2）如果纯比例控制有较大余差，则需要加入积分作用。积分时间从大变小，同时调整比例增益，使系统保持良好的动态性能，反复调整比例增益和积分时间，以得到满意的动态性能。（3）若使用比例积分控制，反复调整仍达不到满意的效果，则可加入微分环节。在整定时，微分时间从小变大，相应调整比例增益和积分时间，逐步试凑，以得到满意的动态性能。5-4-3 数字PID控制的参数整定7/12/202479计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-4-3 数字PID控制的参数整定比例增益对控制系统过渡过程的影响比例增益对控制系统过渡过程的影响KP=2.85KP=1.857/12/202480计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-4-3 数字PID控制的参数整定KP=2.4 KP=2.4 Ti=2KP=2.4 Ti=1积分时间对控制系统过渡过程的影响积分时间对控制系统过渡过程的影响7/12/202481计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-4-3 数字PID控制的参数整定微分时间对控制系统过渡过程的影响微分时间对控制系统过渡过程的影响KP=2.4 Ti=1 Td=0.25KP=2.4 Ti=1 Td=0.47/12/202482计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略纯比例控制参数整定KP=1 KP=2KP=2.4 5-4-3 数字PID控制的参数整定7/12/202483计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略比例积分控制参数整定KP=2.4 KP=2.2 Ti=2KP=2.2 Ti=15-4-3 数字PID控制的参数整定7/12/202484计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略PID控制参数整定1KP=2.2 Ti=1 KP=2.6 Ti=0.8 Td=0.2KP=2.6 Ti=0.75 Td=0.25-4-3 数字PID控制的参数整定7/12/202485计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略KP=2.6 Ti=0.75 Td=0.2 KP=2.6 Ti=0.75 Td=0.25KP=2.4 Ti=0.75 Td=0.25PID控制参数整定25-4-3 数字PID控制的参数整定7/12/202486计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略其他先进的自动整定方法基于继电反馈控制基于继电反馈控制(relay feedback(relay feedback control)control)基于模式识别基于模式识别(pattern recognition)(pattern recognition)基于专家系统基于专家系统(expert system)(expert system)原理原理5-4-3 数字PID控制的参数整定7/12/202487计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.5 常规控制方案串级控制系统 前馈控制系统纯滞后补偿控制系统Routine Control Scheme7/12/202488计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-5-1 串级控制系统 串级控制系统基本概念主调节回路要保证控制精度，主调节器一般采用PID控制器副调节回路克服主要干扰，系统中起“粗调”作用，副调节器一般采用P或PI控制器。7/12/202489计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略双回路串级控制系统副变送器副变送器主变送器主变送器主参数主参数给定值给定值r通用的计算机串级控制系统示意框图通用的计算机串级控制系统示意框图u2主调主调节器节器副调副调节器节器e1e2u1副对象副对象主对象主对象二次扰动二次扰动一次扰动一次扰动副参数副参数主参数主参数y1y2执行执行机构机构D/AA/DA/D5-5-1 串级控制系统 7/12/202490计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略串级控制系统在每个采样周期的计算顺序采样并获得当前输出采样值；计算主回路的偏差e1(k)；计算主回路PID控制器的输出u1(k)；计算副回路的偏差e2(k)；计算副回路PID控制器的输出u2(k)；输出到被控对象。5-5-1 串级控制系统 7/12/202491计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略串级控制系统的控制方式异步采样控制异步采样控制即主回路的采样控制周期T1是副回路采样控制周期T2的整数倍。同步采样控制同步采样控制即主、副回路的采样控制周期相同，但因副对象响应速度较快，故应以副回路为准。5-5-1 串级控制系统 7/12/202492计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略串级控制系统的应用目的用于抑制系统的主要干扰用于克服对象的纯滞后 用于减少对象的非线性影响5-5-1 串级控制系统 7/12/202493计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-5-1 串级控制系统 例：反应釜的单回路控制、串级控制例：反应釜的单回路控制、串级控制7/12/202494计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-5-1 串级控制系统 例：加热炉的串级控制例：加热炉的串级控制7/12/202495计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略前馈控制系统的基本思想：不变性原理主要特点 是一个开环系统是一个开环系统 应用前提是扰动可测应用前提是扰动可测 只能针对某一特定的干扰实施控制只能针对某一特定的干扰实施控制较少单独使用，一般结合反馈控制，构成前馈-反馈（Feedforword-Feedback)控制5-5-2 前馈控制系统 7/12/202496计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略典型的前馈-反馈控制系统Gf(s)Gd(s)D/AG(s)PID A/Dreucy扰动扰动dufub5-5-2 前馈控制系统 7/12/202497计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略前馈-反馈控制算法的流程计算反馈控制的偏差e(k)；计算反馈控制器(PID)的输出ub(k)；计算前馈控制器Gf(s)的输出uf(k)；计算前馈反馈调节器的输出uc(k)。前馈：快速、对具体干扰；反馈：慢速、准确、对整个系统。前馈-反馈控制系统往往可以取得较好的控制效果。实际中也常采用前馈-串级控制。5-5-2 前馈控制系统 7/12/202498计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-5-2 前馈控制系统 凝液蒸汽QC例：换热器前馈控制系统7/12/202499计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-5-2 前馈控制系统 例：精馏塔前馈例：精馏塔前馈-反馈控制系统反馈控制系统7/12/2024100计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-5-3 纯滞后补偿控制系统在工业过程控制中，由于物料或能量的传输延迟，许多被控对象具有纯滞后。由于纯滞后的存在，被控量不能及时反映系统变化，即使测量信号已到达调节器，执行机构迅速动作，也需要纯滞后时候后才能影响到被控量。具有纯滞后的对象被公认为过程控制的难点之一。7/12/2024101计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-5-3 纯滞后补偿控制系统史密斯(Smith)纯滞后补偿器基本思想建立过程的动态特性的模型；将模型加入到反馈控制系统中，有延迟的一部分用于抵消被延迟了的被控量；无延迟部分反映到调节器，让调节器提前动作，从而可明显地减少超调量和加快调节过程。预估是纯滞后控制中的基本方法7/12/2024102计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略史密斯(Smith)纯滞后补偿器Gc(s)Gp(s)Gp(s)rduyyGs(s)史密斯预估控制系统示意框图史密斯预估控制系统示意框图mqe5-5-3 纯滞后补偿控制系统7/12/2024103计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略史密斯(Smith)纯滞后补偿器图中虚框即为史密斯预估器，其等效传递函数Gs(s)为 Gs(s)=Gp(s)(1 )闭环传递函数为5-5-3 纯滞后补偿控制系统7/12/2024104计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略史密斯(Smith)纯滞后补偿控制系统实施纯滞后的表示 设设采样周期为T，则由于纯滞后的存在，信号要延迟 N 个周期内存中设 N 个单元存放信号m(k)的历史数据第N 号单元里的内容即为m(k)滞后N 个采样周期后的信号q(q=m(k-N)。5-5-3 纯滞后补偿控制系统7/12/2024105计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略史密斯(Smith)纯滞后补偿控制系统实施史密斯预估控制系统的计算顺序计算反馈回路的偏差e(k)：控制器的输出u(k)：史密斯预估器的输出：5-5-3 纯滞后补偿控制系统7/12/2024106计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略史密斯(Smith)纯滞后补偿控制系统实施前面式中的m(k)根据被控对象的数学模型Gp(s)的差分形式和控制器的输出u(k)计算得到。教材中给出了对象为一阶加纯滞后的史密斯(Smith)预估器控制算式。5-5-3 纯滞后补偿控制系统7/12/2024107计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-5-3 纯滞后补偿控制系统SmithSmith预估控制器仿真例预估控制器仿真例7/12/2024108计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略史密斯(Smith)预估器的不足对系统受到的负荷干扰无补偿作用；控制效果严重依赖于对象的动态模型精度，特别是纯滞后时间。改进算法加入自适应功能等加入自适应功能等多回路控制也可与PID改进算法结合应用5-5-3 纯滞后补偿控制系统7/12/2024109计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5.6 先进控制方案预测控制专家系统Advanced Control Scheme7/12/2024110计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-6-1 预测控制预测控制由来工业过程的特点工业过程的特点多变量、非线性、强耦合、不确定性、约束现代控制理论与方法现代控制理论与方法精确的数学模型、最优的性能指标、系统而精确的设计方法工业过程对控制的要求工业过程对控制的要求 高质量的控制性能、对模型要求不高、实现方便 、强鲁棒性7/12/2024111计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-6-1 预测控制预测控制特点一类用计算机实现的最优控制算法一类用计算机实现的最优控制算法建模方便，不需要深入了解过程内部机理建模方便，不需要深入了解过程内部机理非最小化描述的离散卷积模型，有利于提高非最小化描述的离散卷积模型，有利于提高系统的鲁棒性系统的鲁棒性滚动优化策略，较好的动态控制效果滚动优化策略，较好的动态控制效果简单实用的模型校正方法，较强的鲁棒性简单实用的模型校正方法，较强的鲁棒性可推广应用于带约束、大纯滞后、非最小相可推广应用于带约束、大纯滞后、非最小相位、多输入多输出、非线性等过程位、多输入多输出、非线性等过程7/12/2024112计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-6-1 预测控制预测控制基本原理预测模型预测模型滚动优化滚动优化反馈校正反馈校正 7/12/2024113计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-6-1 预测控制模型输出预测7/12/2024114计算机控制技术第第5 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略5-6-1 预测控制滚动优化优化目的优化目的 通过使某一性能指标通过使某一性能指标J J 极小化，以确定未来的控制作用极小化，以确定未来的控制作用 u(k+j|ku(k+j|k)。指标。指标J J 希望希望模型预测输出尽可能趋近于参考轨迹模型预测