【正文】 礎(chǔ) ? 數(shù)字 PID控制算法 ? 常規(guī)控制方案 ? 先進(jìn)控制方案 本章主要內(nèi)容 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 3 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)技術(shù) ? 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) Design technology Of Digital ontroler 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 4 ? 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(guò)程控制計(jì)算機(jī)和連續(xù)的被控過(guò)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) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 5 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)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(guò)某種近似將連續(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器，并由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)問(wèn)題是：根據(jù)已知的系統(tǒng)性能指標(biāo)和 G(s)來(lái)設(shè)計(jì)出數(shù)字控制器 D(z)。 D(s) G(s) y(t) e(t) r(t) + u(t) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 8 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù) ? (2) 選擇采樣周期 T – 采樣定理：采樣周期 T≤π/ωmax – 由于被控對(duì)象的物理過(guò)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 ωmax 很難確定。 ,利用級(jí)數(shù)展開(kāi)可得 112???Tzzs2121212122sTsTsTsTeeezsTsTsT?????????????雙線性變換或塔斯廷(Tustin)近似 雙線性變換法 : sTez ?第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 11 前向差分法 : sTez ?sTsTez sT ?????? 11 ?Tzs 1??TzssDzD 1)()( ???利用級(jí)數(shù)展開(kāi)可將 ，寫(xiě)成以下形式 上式稱為前向差分法或歐拉法的計(jì)算公式。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 14 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)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(lái)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)。 r(t) y(t) u(t) u(k) e(t) e(k) + D(z) H(s) T T Gc(s) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 17 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù) ? 設(shè)計(jì)問(wèn)題 ? ? ?????? ??? ? )s(GSe1Z)s(G)s(HZ)z(A)z(B)z(GcTsc)z(G)z(D1)z(G)z(D)z(???)z(1)z()z(G1)z(D????定義廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)為 可得上頁(yè)圖對(duì)應(yīng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 由上式求得 () () () 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 Φ(z) ， 則可由式 ()和式 ()求得 D(z) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 18 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)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) Φ(z) ； – 根據(jù)式 ()求廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù) G(z)； – 根據(jù)式 ()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 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 19 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù) ?????????n0iiim0iiiza1zb)z(E)z(U)z(D)z(Uza)z(Ezb)z(U n0iiim0iii ?????? ????????n0iim0ii i)u(kai)e (kb)k(u由 G(z)求取控制算法可按以下方法實(shí)現(xiàn)： 設(shè)數(shù)字控制器 G(z)的一般形式為 數(shù)字控制器的輸出 U(z)為 因此，數(shù)字控制器 D(z)的計(jì)算機(jī)控制算法為 按照式上式就可編寫(xiě)出控制算法程序。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 21 數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理 ? 數(shù)字濾波 ? 數(shù)字處理 Data Filtering and Data Processing 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 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 – 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是采樣系統(tǒng) – 提高信號(hào)的可靠性 ? 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。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 23 數(shù)字濾波 ? 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(chǎng)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 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 24 數(shù)字濾波 平均值濾波法 ? (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。 ????miikymky1)(1)(第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 25 數(shù)字濾波 平均值濾波法 ? 實(shí)現(xiàn)方法 – 可以在一個(gè)采樣瞬間對(duì)一個(gè)測(cè)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(guò)遞推平均濾波算式得到當(dāng)前采樣時(shí)刻的遞推平均值。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。 ?????10)()(mii ikyaky 1,1010??? ???miii aa第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 27 數(shù)字濾波 中值濾波法 ? 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。一般取 n為 35次。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 29 數(shù)字濾波 慣性濾波法 ? 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 – 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 0＜ a＜ 1, 稱為濾波系數(shù)。 ? 一般分兩類 – 限幅濾波 – 限速濾波 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 31 數(shù)字濾波 程序判斷濾波法 ? 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 Δy 比較，若小于或等于 Δy 取本次采樣值，若大于 Δy 仍取上次采樣值。 – 當(dāng) |y(k)y(k1)|Δy 時(shí)，再采樣一次，取得 y(k+1) – 根據(jù) |y(k+1)y(k)|與 Δy 的關(guān)系決定本次采樣值 ?????????????????????????????????2)1k(y)k(y)1k(yy)1k(y)1k(yy)k(y1)y ( k)1k(yy)k(y)k(yy)1k(yy ( k )0000則，則，取樣，則，第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 33 數(shù)字濾波 ? 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(guò)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。 ? 常見(jiàn)數(shù)據(jù)處理方法 –線性化處理： –校正運(yùn)算 –標(biāo)度變換 –越限報(bào)警處理 –死區(qū)處理 數(shù)據(jù)處理 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 35 數(shù)據(jù)處理 線性化處理 ? 概述 – 計(jì)算機(jī)從模擬量輸入通道得到的檢測(cè)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。 ? 計(jì)算法 – 孔板差壓與流量 熱電偶的熱電勢(shì)與溫度 PkF ?＝]1)y(k x1)[y(k21)(y ?＝k01223344T aEaEaEaEa ????＝? ? 01234 ])[T aEaEaEaEa ????＝第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 36 數(shù)據(jù)處理 線性化處理 ? 插值法 – 實(shí)質(zhì)是找出一種簡(jiǎn)單、便于計(jì)算處理的近似表達(dá)式代替非線性參數(shù)。 ? 折線法 – 上述兩法都可能會(huì)帶來(lái)大量運(yùn)算 ， 為簡(jiǎn)單起見(jiàn) ，可分段進(jìn)行線性化 ， 即用多段折線代替曲線 。 折線段分法不是惟一的 ， 可視具體要求定 。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 37 ℃ Pt100 ℃ Pt100 ℃ Pt100 50 10 80 40 20 90 30 30 100 20 40 150 20 50 200 10 60 0 70 熱電阻分度表 數(shù)據(jù)處理 線性化處理 ? 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?jī)H是根據(jù)采樣值查表 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 38 數(shù)據(jù)處理 校正運(yùn)算 ? 有時(shí)來(lái)自被控對(duì)象的某些檢測(cè)信號(hào)與真實(shí)值有偏差，這時(shí)需要對(duì)這些檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，力求補(bǔ)償后的檢測(cè)值能反映真實(shí)情況。 – 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 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 40 數(shù)據(jù)處理 標(biāo)度變換 ? 線性參數(shù)標(biāo)度變換 – 一次儀表測(cè)量值與 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果具有線性關(guān)系 ? 非線性參數(shù)標(biāo)度變換 – 一次儀表測(cè)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) △ P與流量 F的關(guān)系 ， 可得測(cè)量流量時(shí)的標(biāo)度變換式 即 0m0x0m0x NNNN)AA(AA?????0000()xxmmNNG G G GNN?? ? ??0m0xxmxxNkNkNkNkGGGG?????第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 41 數(shù)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。 – 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 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 42 數(shù)據(jù)處理 越限報(bào)