计算机控制技术 教学课件 刘川来 胡乃平 第05章 数据处理与控制策略

第第 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略在线教务辅导网： 教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187 或者直接输入下面地址：Date 1计算机控制技术第第 5章章 数据处理与控制策略数据处理与控制策略第 5章 数据处理与控制策略Data Processing & Control StrategyDate 2计算机控制技术第第 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Date 3计算机控制技术第第 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 ontrolerDate 4计算机控制技术第第 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 Date 5计算机控制技术第第 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 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 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)Date 6计算机控制技术第第 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Date 7计算机控制技术第第 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) 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)Date 8计算机控制技术第第 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) 选择采样周期选择采样周期 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 Date 9计算机控制技术第第 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) 将将 D(s)离散化为离散化为 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 Date 10计算机控制技术第第 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 :Date 11计算机控制技术第第 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 :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Date 12计算机控制技术第第 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 :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Date 13计算机控制技术第第 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) 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。 Date 14计算机控制技术第第 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) 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。 Date 15计算机控制技术第第 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 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Date 16计算机控制技术第第 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 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)T TGc(s)Date 17计算机控制技术第第 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) Date 18计算机控制技术第第 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 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Date 19计算机控制技术第第 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。 Date 20计算机控制技术第第 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 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。 Date 21计算机控制技术第第 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 ProcessingDate 22计算机控制技术第第 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 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 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 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。Date 23计算机控制技术第第 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 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 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 平均值滤波法、中值滤波法惯性滤波法、程序判断滤波备Date 24计算机控制技术第第 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)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。Date 25计算机控制技术第第 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 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 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。Date 26计算机控制技术第第 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)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。 Date 27计算机控制技术第第 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 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 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 ， 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。 Date 28计算机控制技术第第 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 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 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