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1、2018/10/24,计算机控制技术,1,第5章 数据处理与控制策略,Data Processing & Control Strategy,2018/10/24,计算机控制技术,2,数字控制器的设计技术 数字滤波和数据处理 数控技术基础 数字PID控制算法 常规控制方案 先进控制方案,本章主要内容,2018/10/24,计算机控制技术,3,5.1 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 ontroler,2018/10/24,计算机控制技术,4,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，
2、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 数字控制器的连续化设计技术 数字控制器的离散化设计技术,2018/10/24,计算机控制技术,5,5.1.1 数字控制器的连续化设计技术,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 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
3、能指标和G(s)来设计出数字控制器D(z)。,2018/10/24,计算机控制技术,6,5.1.1 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 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,2018/10/24,计算机控制技术,7,5.1.1 数字控制器的连续化设计技术,(1) 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) 。,2018/10/24,计算机控制技术,8,5.1.1 数字控制器的连续化设计技术,(2) 选择采样周期 T 采样定理：采样周期T/max 由于被
4、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,2018/10/24,计算机控制技术,9,5.1.1 数字控制器的连续化设计技术,(3) 将D(s)离散化为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,2018/10/24,计算机控制技术,10,为了由D(s)求解D(z)，由上式得,且
5、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:,2018/10/24,计算机控制技术,11,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,2018/10/24,计算机控制技术,12,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,2018/10/24,
6、计算机控制技术,13,5.1.1 数字控制器的连续化设计技术,(4) 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。,2018/10/24,计算机控制技术,14,5.1.1 数字控制器的连续化设计技术,(5) 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。,2018/10/24,计算机控制技术,15,5.1.2 数字控制器的离散化设计技术,概述 数字控制器的连续化设计，立足于连
7、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 离散化设计技术比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,2018/10/24,计算机控制技术,16,5.1.2 数字控制器的离散化设计技术,设计问题 下图中，Gc(s)是被控对象的连续传递函数，D(z)
8、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)。,2018/10/24,计算机控制技术,17,5.1.2 数字控制器的离散化设计技术,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),2018/10/24,计算机控制技术,18,5.1.2 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 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(5.1
9、2)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,2018/10/24,计算机控制技术,19,5.1.2 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。,2018/10/24,计算机控制技术,20,5.1 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还是按离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
10、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、得到的数学模型以及对系统的控制精度要求有关，与采用哪种方法无直接关系。,2018/10/24,计算机控制技术,21,5.2 数字滤波和数据处理,数字滤波 数字处理,Data Filtering and Data Processing,2018/10/24,计算机控制技术,22,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 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 通过数字滤波得
11、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。,2018/10/24,计算机控制技术,23,5.2.1 数字滤波,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 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 平均值滤波法、中值滤波法惯性滤波法、程序判断滤波备,2018/10/24,计算机控制技术,24,5.2.1 数字滤波-平均值滤波法,(1)算术平均值滤
12、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。,2018/10/24,计算机控制技术,25,5.2.1 数字滤波-平均值滤波法,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 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。,2018/10/24,计算机控制技术,26,5.2.1 数字滤波-平均值滤波法,(2)加权平均滤波 算术平均值滤波对每
13、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。,2018/10/24,计算机控制技术,27,5.2.1 数字滤波-中值滤波法,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 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
14、 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。,2018/10/24,计算机控制技术,28,5.2.1 数字滤波-中值滤波法,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。,2018/10/24,计算机控制技术,29,5.
15、2.1 数字滤波-惯性滤波法,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。,2018/10/24,计算机控制技术,30,5.2.1 数字滤波-程序判断滤波法,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 限幅滤波 限速滤波,2018/10/24,计算机控制技术,31,5.2.1 数字滤波-程序判断滤波法,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
16、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),2018/10/24,计算机控制技术,32,5.2.1 数字滤波-程序判断滤波法,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,2018/10/24,计算机控制技术,33,5.2.1 数字滤波,各种滤波方法的特点与应用 平均值滤波适用于周期性干扰； 加权平均递推滤波适用于纯滞后较大的过程； 中值滤波和程序判断滤波适用于偶然出现的脉冲干扰； 惯性滤波适用于高频干扰。,2018/10/24,计算机控制技术,34,目的 经过处理后，可直接引用采样数据。 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,
