数据处理与控制策略ppt课件

1、第5章 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连续化设计技术 数字控制器的离散化设计技术数字控制器的离散化设计技术 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技术y(t)u(t)e(k)+-G(s)e(t)D(z)H(s)Tu(k)Tr(t)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技术5.1.1 数字控制器的连续化设计技术数

2、字控制器的连续化设计技术D(s)G(s)y(t)e(t)r(t)+-u(t)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技术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技术112Tzzs112)()(tzzssDzD为了由为了由D(s)D(s)求解求解D(z)D(z)，由上式得，由上式得且有且有(5.3)(5.3)式式(5.3)(5.3)就是利用双线性变换法由就是利用双线性变换法由D(s)D(s)求取求取D(z)D(z)的计算公式。的计算公式。, ,利用级数展开可得利用级数展开可得112Tzzs2121212122sTsTsTsTeeezsTsTsT双线性变换或

3、塔斯廷双线性变换或塔斯廷(Tustin)(Tustin)近似近似 双线性变换法双线性变换法: :sTez 前向差分法前向差分法: :sTez sTsTezsT11Tzs1TzssDzD1)()(利用级数展开可将利用级数展开可将 ，写成以下形式，写成以下形式上式称为前向差分法或欧拉法的计算公式。上式称为前向差分法或欧拉法的计算公式。为了由为了由D(s)D(s)求取求取D(z)D(z)，由上式可得，由上式可得上式便是前向差分法由上式便是前向差分法由D(s)D(s)求取求取D(z)D(z)的计算公式的计算公式且有且有后向差分法后向差分法: :sTez 利用级数展开可将利用级数展开可将 ，写成以下形式

4、，写成以下形式为了由为了由D(s)D(s)求取求取D(z)D(z)，由上式可得，由上式可得上式便是后向差分法由上式便是后向差分法由D(s)D(s)求取求取D(z)D(z)的计算公式的计算公式且有且有sTeezsTsT111Tzzs1TzzssDzD1)()(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技术nnmmzazazbzbbzEzuzD111101)()()()()()()()(1102211zEzbzbbzuzazazazummnn)() 1()()()2() 1()(1021mkebkebkebnkuakuakuakumn设数字控制器设数字控制器D(z)D(z)的一般

5、形式为的一般形式为上式可改写为上式可改写为上式用时域表示为上式用时域表示为利用上式即可实现计算机编程，利用上式即可实现计算机编程，因此上式称为数字控制器因此上式称为数字控制器D(z)D(z)的控制算法。的控制算法。 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技术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技术和综合，并导出相应的控制规律和算法和综合，并导出相应的控制规律和算法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技术-r(t)y(t)u(t)u(k)e(t) e(k)+D(z)H(s)TTG c(s)5.1.2 数字控制器的离散化设计技术

6、数字控制器的离散化设计技术 ) 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定义广义对象的脉冲传递函数为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可得上页图对应的闭环脉冲传递函数为由上式求得由上式求得 (5.12) (5.13) (5.14) 若已知若已知Gc(s)Gc(s)且可根据控制系统性能指标要求构造且可根据控制系统性能指标要求构造(z)(z)，则可由式则可由式(5.12)(5.12)和式和式(5.14)(5.14)求得求得D(z) D(z) 5.1.2

7、数字控制器的离散化设计技术数字控制器的离散化设计技术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技术n0iiim0iiiza1zb) z (E) z (U) z (D) z (Uza) z (Ezb) z (Un0iiim0iiin0iim0iii)-u(kai)-e(kb)k(u由由G(z)G(z)求取控制算法可按以下方法实现：求取控制算法可按以下方法实现：设数字控制器设数字控制器G(z)G(z)的一般形式为的一般形式为数字控制器的输出数字控制器的输出U(z)U(z)为为因此，数字控制器因此，数字控制器D(z)D(z)的计算机控制算法为的计算机控制算法为按照式上式就可编写出控

8、制算法程序。按照式上式就可编写出控制算法程序。 5.1 数字控制器的设计技术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散系统进行控制系统设计, , 都可采用基于经典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统的控制精度要求有关，与采用哪种方法无直接关系。接关系。

9、5.2 数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理数字滤波数字滤波数字处理数字处理5.2.1 数字滤波数字滤波5.2.1 数字滤波数字滤波-平均值滤波法平均值滤波法miikymky1)(1)(5.2.1 数字滤波数字滤波-平均值滤波法平均值滤波法mmkymkyyy) 1() 1() 1-k()k(5.2.1 数字滤波数字滤波-平均值滤波法平均值滤波法10)()(miiikyaky1, 1010miiiaa5.2.1 数字滤波数字滤波-中值滤波法中值滤波法5.2.1 数字滤波数字滤波-中值滤波法中值滤波法5.2.1 数字滤波数字滤波-惯性滤波法惯性滤波法xydtdyTf)()1 () 1()(kxak

10、ayky)/(TTTaff5.2.1 数字滤波数字滤波-程序判断滤波法程序判断滤波法5.2.1 数字滤波数字滤波-程序判断滤波法程序判断滤波法 |y(k)-y(k-1)|y0, 那么 y(k)=y(k) y0, 那么 y(k)=y(k-1)5.2.1 数字滤波数字滤波-程序判断滤波法程序判断滤波法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则，则，取样，则，5.2.1 数字滤波数字滤波5.2.2 数据处理数据处理5.2.2 数据处理数据处理-线性化处理

11、线性化处理PkF1)-y(kx1)-y(k21)(yk01223344TaEaEaEaEa01234)TaEaEaEaEa5.2.2 数据处理数据处理-线性化处理线性化处理 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 .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热电阻分度表热电阻分度表5

12、.2.2 数据处理数据处理-线性化处理线性化处理5.2.2 数据处理数据处理-校正运算校正运算 有时来自被控对象的某些检测信号与真实值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，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。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、压力补偿用孔板测气体体积流量的温度、压力补偿01100PTPTFF5.2.2 数据处理数据处理-标度变换标度变换5.2.2 数据处理数据处理-标度变换标度变换0m0 x0m0 xNNNN)AA(AA0000()xxmmNNGGGGNN0m0 xxmx

13、xNkNkNkNkGGGG5.2.2 数据处理数据处理-越限报警处理越限报警处理5.2.2 数据处理数据处理-越限报警处理越限报警处理 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5.2.2 数据处理数据处理-越限报警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

14、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 LEDRD1 LEDRD1 LEDRD7PBA82551 LEDRD1 LEDRD6PB5PB3PB2PB1PB0PB4PB1 电笛0674 LS3X2X1X5.2.2 数据处理数据处理-死区处理死区处理 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。的波动，难以稳定。 这种情况可以采取死

15、区处理，把不停波动的值进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。然后取整，去掉波动项。5.3 数控技术基础数控技术基础概述概述数控原理数控原理数控系统分类数控系统分类运动控制系统运动控制系统 5.3.1 概述概述饲服系统机电接口输入通道被控对象CNC5.3.2 数控原理数控原理XbadcYabbcabbcabcdbc5.3.2 数控原理数控原理5.3.2 数控原理数控原理5.3.3 数控系统分类数控系统分类

16、-按控制方式分类按控制方式分类5.3.3 数控系统分类数控系统分类-按系统结构分类按系统结构分类步进电机驱动电路步进电机工作台5.3.3 数控系统分类数控系统分类-按系统结构分类按系统结构分类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5.3.3 数控系统分类数控系统分类-按系统结构分类按系统结构分类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5.3.4 运动控制系统运动控制系统议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统制系统5.3.4 运动控制系统运动控制系统5.3.4 运动控制系统运动控制系统5.3.4 运动控制系统运

17、动控制系统 基于基于PCPC总线的开放式运动控制器总线的开放式运动控制器 基于基于PCPC总线的开放式运动控制器是目前自动化领总线的开放式运动控制器是目前自动化领域应用最广、功能最强的运动控制器，并且在全域应用最广、功能最强的运动控制器，并且在全球范围内得到了广泛的应用球范围内得到了广泛的应用 。 一个基于一个基于PCPC总线的运动控制系统的典型构成总线的运动控制系统的典型构成应用程序指令应用程序指令反反馈馈电机电机运动控制器运动控制器上位计算机上位计算机驱动器驱动器运动指令运动指令5.3.4 运动控制系统运动控制系统5.3.4 运动控制系统运动控制系统5.4 数字数字PID控制算法控制算法标

18、准数字标准数字PID控制算法控制算法数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进数字数字PID参数整定参数整定5-4-1 标准数字标准数字PID控制算法控制算法 PIDPID是是ProportionalProportional比例）、比例）、IntegralIntegral积分）、积分）、DifferentialDifferential微微分三者的缩写。在过程控制中，按误差分三者的缩写。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信号的比例、积分和微分进行控制的调节器，简称器，简称PIDPID调节器，是技术成熟、应用调节器，是技术成熟、应用最为广泛的一种调节器最为广泛的一种调节器5-

19、4-1 标准数字标准数字PID控制算法控制算法 标准的模拟标准的模拟PIDPID 式中：式中：KcKc、TiTi、Td Td 分别为模拟调节器分别为模拟调节器的比例增益、积分时间和微分时间的比例增益、积分时间和微分时间, u0, u0为偏差为偏差 e=0 e=0 时的调节器输出时的调节器输出, , 又称之为又称之为稳态工作点。稳态工作点。00)()(1)()(udttdeTdtteTteKtudtic 采样周期与控制周期的概念采样周期与控制周期的概念 模拟模拟PIDPID调节规律的离散化调节规律的离散化 在控制器的采样时刻在控制器的采样时刻 t=kTt=kT时时 因此，因此，PIDPID的数字

20、算式如下式的数字算式如下式kjjTeedt0)(Tkekedtde) 1()(00) 1()()()()(ukekeTTjeTTkeKkudkjic5-4-1 标准数字标准数字PID控制算法控制算法00) 1()()()()(ukekeKjeKkeKkudkjiciciTTKKTTKKdcd5-4-1 标准数字标准数字PID控制算法控制算法kiie1)() 1()()(kukuku) 2() 1(2)()() 1()(kekekeTTkeTTkekeKdic5-4-1 标准数字标准数字PID控制算法控制算法)2() 1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkudic)() 1

21、()(kukuku5-4-1 标准数字标准数字PID控制算法控制算法5-4-1 标准数字标准数字PID控制算法控制算法5-4-2 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进 1. 1. 实际微分实际微分PIDPID控制算法控制算法微分的作用微分的作用理想微分的理想微分的PIDPID算法算法模拟调节器实现的微分作用模拟调节器实现的微分作用理想微分作用的实际缺陷理想微分作用的实际缺陷实际微分作用实际微分作用 (A) 理想微分PID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)

22、 实际微分PID微微积积分分分分项项5-4-2 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进理想理想PIDU(s)E(s)Gf(s)U(s) 实际微分PID控制算法示意框图11)(sTsGff5-4-2 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进)/(ffTTTa)()()()()(1)()( 0tutudttduTdttdeTdtteTteKtufdtic)()1 () 1()(kuakauku)1()()()()( 0kekeTTieTTkeKkudkiic5-4-2 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进)( )1 () 1()(kuakuaku) 1()()()()( kekeTTk

23、eTTkeKkudic5-4-2 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进)( )()(krkyke)( )()(kykrke5-4-2 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进)2() 1(2)()(kekekeKkudd)2() 1(2)()(kykykyKkudd)2() 1(2)()(kykykyKkudd5-4-2 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进 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11sKTsTddd)11(sTKic5-4-2 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进 3. 积分分离积分分离PID算法算法提出的背景提出的背景

24、基本思想基本思想 当当 e(k)A 时时, 用用P或或PD 控制；控制； e(k)A 时时, 用用PI或或PID控制。控制。注：注：1A值需要适当选取；值需要适当选取； 2Kc应根据积分作用是否起作应根据积分作用是否起作用而变化用而变化5-4-2 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进 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 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进 4. 4. 遇限切除积分遇限切除积分PIDPID算法算法执行机构机械性能与物理性能的约束执行机构机械性能与物理性能的约束 积分饱和积分饱和该算法是抑制积分饱和的

25、方法之一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基本思想：一旦计算出的控制量u(k)u(k)进入饱和区进入饱和区, , 一方面对控制量输出值一方面对控制量输出值限幅；另一方面增加判别程序限幅；另一方面增加判别程序, , 算法算法中只执行削弱积分饱和项的积分运中只执行削弱积分饱和项的积分运算算, , 而停止增大积分饱和项的运算。而停止增大积分饱和项的运算。5-4-2 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进 5. 5.提高积分项积分的精度提高积分项积分的精度积分项的作用：比较重要积分项的作用：比较重要提高其积分项的运算精度的办法提高其积分项的运算精度的办法原来的方法：原来的方

26、法：改进方法改进方法Tjejedttekjt002) 1()()(kjjTeedt0)(5-4-2 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进5-4-3 数字数字PID控制的参数整定控制的参数整定5-4-3 数字数字PID控制的参数整定控制的参数整定控制规律控制规律KTiTdPPIPID0.50Ku0.46Ku0.63Ku-0.85Tu0.50Tu-0.13Tu5-4-3 数字数字PID控制的参数整定控制的参数整定控制控制规律规律/T0.20.20.20.2/T1.51.5TiTdTiTdPK/T-PI1.1K/T3.33.3-0.8Tc0.8Tc-PID0.85K/T220.50.50.81

27、Tc+0.10.81Tc+0.1990.25Ti0.25Ti7 . 008. 06 . 2ccTTk6 . 008. 06 . 2ccTTk88. 015. 06 . 2ccTTk5-4-3 数字数字PID控制的参数整定控制的参数整定dttetITAEdtteIAEdtteISE0002)()()(5-4-3 数字数字PID控制的参数整定控制的参数整定整定步骤。5-4-3 数字数字PID控制的参数整定控制的参数整定5-4-3 数字数字PID控制的参数整定控制的参数整定5-4-3 数字数字PID控制的参数整定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.

28、85KP=1.855-4-3 数字数字PID控制的参数整定控制的参数整定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5-4-3 数字数字PID控制的参数整定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=0.4纯比例控制参数整定纯比例控制参数整定KP=1 KP=2KP=2.4 5-4-3 数字数字PID控制的参数整定控制的参数整定比例积分控制参数整定比例积分控制参数整定KP=2.4 KP=2.2 Ti=2KP=2.2 T

29、i=15-4-3 数字数字PID控制的参数整定控制的参数整定PIDPID控制参数整定控制参数整定1 1KP=2.2 Ti=1 KP=2.6 Ti=0.8 Td=0.2KP=2.6 Ti=0.75 Td=0.25-4-3 数字数字PID控制的参数整定控制的参数整定KP=2.6 Ti=0.75 Td=0.2 KP=2.6 Ti=0.75 Td=0.25KP=2.4 Ti=0.75 Td=0.25PIDPID控制参数整定控制参数整定2 25-4-3 数字数字PID控制的参数整定控制的参数整定5-4-3 数字数字PID控制的参数整定控制的参数整定5.5 常规控制方案常规控制方案串级控制系统串级控制系统

30、 前馈控制系统前馈控制系统纯滞后补偿控制系统纯滞后补偿控制系统5-5-1 串级控制系统串级控制系统 副变送器副变送器主变送器主变送器主参数给主参数给定值定值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 串级控制系统串级控制系统 5-5-1 串级控制系统串级控制系统 5-5-1 串级控制系统串级控制系统 5-5-1 串级控制系统串级控制系统 5-5-1 串级控制系统串级控制系统 出料进料冷却剂TC

31、出料进料冷却剂TCTC5-5-1 串级控制系统串级控制系统 TCTC燃料油进料出料FCTC进料出料燃料油TC进料出料燃料油PC5-5-2 前馈控制系统前馈控制系统 Gf (s)Gd (s) D/AG (s) PID A/Dreucy扰动扰动dufub)()()(sGsGsGdf5-5-2 前馈控制系统前馈控制系统 5-5-2 前馈控制系统前馈控制系统 5-5-2 前馈控制系统前馈控制系统 凝液蒸汽QC5-5-2 前馈控制系统前馈控制系统 DFBFCFCTCTC5-5-3 纯滞后补偿控制系统纯滞后补偿控制系统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

32、控制系统示意框图mqesey 5-5-3 纯滞后补偿控制系统纯滞后补偿控制系统sespcpcesGsGsGsGsG)()(1)()()(5-5-3 纯滞后补偿控制系统纯滞后补偿控制系统TN5-5-3 纯滞后补偿控制系统纯滞后补偿控制系统)( )()()()()(kykykrkykrke)() 1()(kukuku)()(Nkmkmy5-5-3 纯滞后补偿控制系统纯滞后补偿控制系统5-5-3 纯滞后补偿控制系统纯滞后补偿控制系统5-5-3 纯滞后补偿控制系统纯滞后补偿控制系统5-5-3 纯滞后补偿控制系统纯滞后补偿控制系统5.6 先进控制方案先进控制方案预测控制预测控制专家系统专家系统5-6-1 预测控制预测控制