计算机控制_刘来川5

1、2022-5-10计算机控制技术1第5章 数据处理与控制策略2022-5-10计算机控制技术2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2022-5-10计算机控制技术35.1 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 2022-5-10计算机控制技术4 是指在给定系统性能指标的条件下，设计出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

2、法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字信号与连续信号并存的“混合系统混合系统” 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 2022-5-10计算机控制技术55.1.1 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 数字控制器的连续化设计是忽略控制回路中所有的零阶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，在保持器和采样器，在S

3、 S域中按连续系统进行设计，然后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。计算机来实现。 G(s)G(s)是被控对象的传递函数，是被控对象的传递函数，H(s)H(s)是零阶保持器，是零阶保持器，D(z)D(z)是数字控制器。设计问题是：根据已知的系统性能指标是数字控制器。设计问题是：根据已知的系统性能指标和和G(s)G(s)来设计出数字控制器来设计出数字控制器D(z)D(z)。y(t)u(t)e(k)+-G(s)e(t)D(z)H(s)Tu(k)Tr(t)2022-5-10计算机控制技术65.1.1

4、 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 设计假想的连续控制器设计假想的连续控制器 选择采样周期选择采样周期 T T 将将D(s)D(s)离散化为离散化为D(z)D(z) 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 校验校验2022-5-10计算机控制技术75.1.1 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 采用连续系统的设计方法采用连续系统的设计方法( (如频率特性法、根如频率特性法、根轨迹法等轨迹法等) )设计出假想的连续控制器设计出假想的连续控制器D(s)D(s) 。D(s)G(s)y(t)e(t)r(t)+-u(t)2022-5-10计算机控制技术

5、85.1.1 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 采样定理：采样周期采样定理：采样周期T/max T/max 由于被控对象的物理过程及参数的变化比较复杂，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致使模拟信号的最高角频率maxmax很难确定。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采样周期的选择要受到多方面因素的制约, ,如：如： 系统控制品质的要求、执行机构的特性、控制系统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抗干扰和快速响应

6、的要求 、计算工作量、计算工作量 、计算机的、计算机的成本成本 、控制对象的时间常数、控制对象的时间常数TpTp和纯滞后时间和纯滞后时间 2022-5-10计算机控制技术95.1.1 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 常用连续系统离散化的方法：常用连续系统离散化的方法： 双线性变换法双线性变换法 后向差分法后向差分法 前向差分法前向差分法 冲击响应不变法冲击响应不变法 零极点匹配法零极点匹配法 零阶保持法零阶保持法 2022-5-10计算机控制技术10112Tzzs112)()(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

7、(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 2022-5-10计算机控制技术11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

8、。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2022-5-10计算机控制技术12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，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)()

9、(2022-5-10计算机控制技术135.1.1 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。 202

10、2-5-10计算机控制技术145.1.1 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 控制器控制器D(z)D(z)设计完成并求出控制算法后，需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。结束，否则应修改设计。 2022-5-10计算机控制技术155.1.2 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 数字控制器的连续化设计，数字控制器的连续化设计，是立足于连续控制系统控制是立足于连续控制系统控制器的设计，然后在计算机上

11、进行数字模拟来实现的，该器的设计，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，可充分利用技术成方法在被控对象的特性不太清楚时，可充分利用技术成熟的连续化设计技术熟的连续化设计技术( (如如PIDPID控制器设计技术控制器设计技术) )，并把它，并把它移植到计算机上予以实现，以达到满意控制效果移植到计算机上予以实现，以达到满意控制效果 由于控制任务需要，当所选择的采样周期比较大或对控由于控制任务需要，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接根据计算机控制理论( (

12、采样控制理论采样控制理论) )来设计数字控制来设计数字控制器，这类方法称为器，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比连续化设计技术连续化设计技术更具有一般意义，它更具有一般意义，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出相应的控制规律和算法2022-5-10计算机控制技术165.1.2 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 下图中，下图中，Gc(s)Gc(s)是被控对象的连续传递函数，是被控对象的连续传递函数，D(z)D(z)是数字控制器的脉冲传递函数，是数字控制

13、器的脉冲传递函数，H(s)H(s)是零阶保持器是零阶保持器的传递函数，的传递函数，T T是采样周期是采样周期) )。-r(t)y(t)u(t)u(k)e(t) e(k)+D(z)H(s)TTGc(s)2022-5-10计算机控制技术175.1.2 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 ) 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

14、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) 2022-5-10计算机控制技术185.1.2 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 根据控制系统性能指标要求和其他约束条件，确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定所需闭环脉冲传递函数(z)(z)； 根据式根据式(5.12)(5.12)求广义对象的脉冲传递函数求广义对象的脉冲传递函数G(z)G

15、(z)； 根据式根据式(5.14)(5.14)求数字控制器的脉冲传递函数求数字控制器的脉冲传递函数D(z)D(z)； 根据根据D(z)D(z)求取控制算法的递推计算公式求取控制算法的递推计算公式2022-5-10计算机控制技术195.1.2 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

16、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制算法程序。按照式上式就可编写出控制算法程序。 2022-5-10计算机控制技术205.1 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, , 都可采用都可采用基于经典基于经典控制理论的常规控制策略控制理论的常规控制策略或或基于现代控制理论基于现代控制理论的先进控制策略的先进控制策略，采用哪种控制策

17、略往往与被，采用哪种控制策略往往与被控对象的控对象的过程特点过程特点、得到的、得到的数学模型数学模型以及对系以及对系统的统的控制精度控制精度要求有关，与采用哪种方法无直要求有关，与采用哪种方法无直接关系。接关系。 2022-5-10计算机控制技术215.2 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2022-5-10计算机控制技术22 计算机控制系统是采样系统计算机控制系统是采样系统 提高信号的可靠性提高信号的可靠性 在计算机中利用某种计算方法对原始输入数据进行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，提高数学处理，去掉原始数

18、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。信号的真实性，获得最具有代表性的数据集合。 通过数字滤波得到比较真实的被测参数，有时不能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。算、标度变换等。2022-5-10计算机控制技术235.2.1 数字滤波数字滤波 在软件中对采集到的数据进行消除干扰的处理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，提高信号可靠性据能真

19、实反映现场实际情况，提高信号可靠性 不需增加硬件设备，只需在计算机得到采样数据后，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，使用方便稳定性好，一种滤波程序可以反复调用，使用方便灵活灵活 平均值滤波法、中值滤波法平均值滤波法、中值滤波法 惯性滤波法、程序判断滤波备惯性滤波法、程序判断滤波备2022-5-10计算机控制技术245.2.1 数字滤波数字滤波-平均值滤波法平均值滤波法 对一点数据连续采样多次，计算算术平均值，以平均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

20、结果。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可减少系统随机干扰对采集结果的影响 m m值决定信号平滑度和灵敏度值决定信号平滑度和灵敏度. .适用于对流量、压力及适用于对流量、压力及沸腾状液面等周期性采样信号作平滑处理。沸腾状液面等周期性采样信号作平滑处理。miikymky1)(1)(2022-5-10计算机控制技术255.2.1 数字滤波数字滤波-平均值滤波法平均值滤波法 可以在一个采样瞬间对一个测点多次采样后可以在一个采样瞬间对一个测点多次采样后, , 计算出计算出其平均值其平均值 也可对多个采样周期的平均采样值作递推滤波也可对多个采样周期的平均采样值作递推滤波 为加快运算

21、速度为加快运算速度, ,可利用上一次计算值可利用上一次计算值, ,通过递推平均通过递推平均滤波算式得到当前采样时刻的递推平均值。滤波算式得到当前采样时刻的递推平均值。mmkymkyyy) 1() 1() 1-k()k(2022-5-10计算机控制技术265.2.1 数字滤波数字滤波-平均值滤波法平均值滤波法 算术平均值滤波对每个采样值给出相同的权重系数算术平均值滤波对每个采样值给出相同的权重系数1/m1/m 若要增加新采样值在平均值中比重若要增加新采样值在平均值中比重, , 提高系统对当前所受提高系统对当前所受干扰的灵敏度干扰的灵敏度, , 可采用加权平均滤波可采用加权平均滤波, , 算式为算

22、式为 ai ai 为加权系数，体现各次采样值在平均值中所占比例。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。一部分。适用于纯滞后较大、采样周期短的过程。 10)()(miiikyaky1, 1010miiiaa2022-5-10计算机控制技术275.2.1 数字滤波数字滤波-中值滤波法中值滤波法 对某一参数连续采样对某一参数连续采样n n次次, ,把把n n次的采样值从小到大或次的采样值从小到大或从大到小排队从大到小排队, ,再取中间值作为本次采样值

23、。再取中间值作为本次采样值。 对于去掉由于偶然因素引起的波动或采样器不稳定造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若变量变化比较慢，则采用中值滤波效果比较好，n n值要选择适当，若选择过小，可能起值要选择适当，若选择过小，可能起不到去除干扰的作用，不到去除干扰的作用，n n过大，会造成采样数据的时延过过大，会造成采样数据的时延过大，造成系统性能变差。一般取大，造成系统性能变差。一般取n n为为3-53-5次。次。 2022-5-10计算机控制技术285.2.1 数字滤波数字

24、滤波-中值滤波法中值滤波法对具有周期性干扰噪声的信号比较对具有周期性干扰噪声的信号比较有效有效, ,对偶然出现的脉冲干扰信号对偶然出现的脉冲干扰信号有良好的滤波效果有良好的滤波效果, ,结合使用滤波效果会更好结合使用滤波效果会更好. . 方法是连续采样方法是连续采样m m次，并按大小排序，从首尾次，并按大小排序，从首尾各舍掉各舍掉1/31/3个大数和小数，再将剩余的个大数和小数，再将剩余的1/31/3个大个大小居中的数据进行算术平均，作为本次采样的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有效数据；亦可去掉采样值中的最大值和最小值，将余下的（值，将余下的（

25、m-2m-2）个采样值算术平均。）个采样值算术平均。2022-5-10计算机控制技术295.2.1 数字滤波数字滤波-惯性滤波法惯性滤波法 用软件实现用软件实现RCRC低通滤波器功能低通滤波器功能, , 动态方程为动态方程为 其中其中 Tf =RCTf =RC，称为滤波时间常数，称为滤波时间常数 离散化后动态方程，离散化后动态方程， T T为采样周期为采样周期, , 得得 0 0a a1, 1, 称为滤波系数。称为滤波系数。xydtdyTf)()1 () 1()(kxakayky)/(TTTaff2022-5-10计算机控制技术305.2.1 数字滤波数字滤波-程序判断滤波法程序判断滤波法 根

26、据生产经验，确定两次采样输入信号可能出现的最根据生产经验，确定两次采样输入信号可能出现的最大偏差大偏差y y 当采样信号由于随机干扰，使得采样数据偏离实际值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。较远，可以采用程序判断滤波。 限幅滤波限幅滤波 限速滤波限速滤波2022-5-10计算机控制技术315.2.1 数字滤波数字滤波-程序判断滤波法程序判断滤波法 把两次相邻的采样值相减，求出其增量（以绝对值表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示），然后与两次采样允许的最大偏差yy比较，若比较，若小于或等于小于或等于yy取本次

27、采样值，若大于取本次采样值，若大于yy仍取上次采仍取上次采样值。样值。 即即 |y(k)-y(k-1)|y0, 则 y(k)=y(k) y0, 则 y(k)=y(k-1)2022-5-10计算机控制技术325.2.1 数字滤波数字滤波-程序判断滤波法程序判断滤波法 限幅滤波用两次采样值来决定采样结果，而限速滤波可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。用三次采样值来决定采样结果。 当当|y(k)-y(k-1)|y|y(k)-y(k-1)|y时，再采样一次，取得时，再采样一次，取得y(k+1)y(k+1) 根据根据|y(k+1)-y(k)|y(k+1)-y(k

28、)|与与yy的关系决定本次采样值的关系决定本次采样值 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则，则，取样，则，2022-5-10计算机控制技术335.2.1 数字滤波数字滤波适用于周期性干扰；适用于周期性干扰；适用于纯滞后较大的过程；适用于纯滞后较大的过程； 和和适用于偶然出现的脉冲干扰；适用于偶然出现的脉冲干扰；适用于高频干扰。适用于高频干扰。2022-5-10计算机控制技术34 经过处理后，可直接引用采样数据。经过处理后，可直接引用采样数据。

29、 线性化处理：线性化处理： 校正运算校正运算 标度变换标度变换 越限报警处理越限报警处理 死区处理死区处理5.2.2 数据处理数据处理2022-5-10计算机控制技术355.2.2 数据处理数据处理-线性化处理线性化处理 计算机从模拟量输入通道得到的检测信号与该信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。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。线性化处理后，方便运算并且便于数字显示。 孔板差压与流量孔板差压与流量 热电偶的热电势与温度热电偶的热电势与温度PkF1)-y(kx1)-y(k21)(yk01223344Ta

30、EaEaEaEa01234)TaEaEaEaEa2022-5-10计算机控制技术365.2.2 数据处理数据处理-线性化处理线性化处理 实质是找出一种简单、便于计算处理的近似表达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。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、线性插值公式等值公式、线性插值公式等 。 上述两法都可能会带来大量运算，为简单起见，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。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

31、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。越多，线性化精度越高。 2022-5-10计算机控制技术37 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 50 119.4

32、0 200 175.84-10 96.09 60 123.24 0 100.00 70 127.07热电阻分度表热电阻分度表5.2.2 数据处理数据处理-线性化处理线性化处理2022-5-10计算机控制技术385.2.2 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01100PTPTFF2022-5-10计算

33、机控制技术395.2.2 数据处理数据处理-标度变换标度变换 生产中各个参数有不同的数值和量纲生产中各个参数有不同的数值和量纲, ,如如PaPa、等等 参数经变送器参数经变送器转换成转换成A/D能接收的能接收的0 5V电压信号，电压信号，又由又由A/D转换成转换成00FFH的数字量，不带量纲，仅的数字量，不带量纲，仅代表参数值相对大小。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字量转换成带有量纲的数值 线性参数标度变换线性参数标度变换 非线性参数标度变换非线性参数标度变换2022-5-10计算机控制技术40

34、5.2.2 数据处理数据处理-标度变换标度变换 一次仪表测量值与一次仪表测量值与A/D转换结果具有线性关系转换结果具有线性关系 一次仪表测量值与一次仪表测量值与A/D转换结果是非线性关系转换结果是非线性关系 根据差压变送器信号根据差压变送器信号P与流量与流量F的关系，可得测的关系，可得测量流量时的标度变换式量流量时的标度变换式 即0m0 x0m0 xNNNN)AA(AA0000()xxmmNNGGGGNN0m0 xxmxxNkNkNkNkGGGG2022-5-10计算机控制技术415.2.2 数据处理数据处理-越限报警处理越限报警处理 把计算机采集的数据经计算机进行数据处理、数把计算机采集的数

35、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。若高于值进行比较。若高于(或低于或低于)上限上限(或下限或下限)，则进，则进行报警，以便进行显示和控制。行报警，以便进行显示和控制。 声光报警、报警记录声光报警、报警记录 全软件报警程序全软件报警程序 直接报警程序直接报警程序 2022-5-10计算机控制技术425.2.2 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；水指标是汽包水位

36、：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。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2022-5-10计算机控制技术435.2.2 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，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。数全部正常时，绿灯亮；若有不正常参数，则发出声光报

37、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 LEDRD1 LEDRD1 LEDRD7PBA82551 LEDRD1 LEDRD6PB5PB3PB2PB1PB0PB4PB1 电笛0674 LS3X2X1X2022-5-10计算机控制技术445.2.2 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

38、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。2022-5-10计算机控制技术455.3 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 2022-5-10计算机控制技术465.3.1 概述概述用数字化信号对机床运动及其加工用数字化信号对机床运动及其

39、加工 过程进行控制的一种方法过程进行控制的一种方法：采用数控技术的控制系统：采用数控技术的控制系统 ：采用了数控系统的设备：采用了数控系统的设备 ：以计算机为核心的数控系统：以计算机为核心的数控系统 饲服系统机电接口输入通道被控对象CNC2022-5-10计算机控制技术475.3.2 数控原理数控原理XbadcY 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。 abbcabbcabcdbc2

40、022-5-10计算机控制技术485.3.2 数控原理数控原理 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 2022-5-10计算机控制技术495.3.2 数控原理数控原理 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

41、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，且总是取表示，且总是取x=y。 2022-5-10计算机控制技术505.3.3 数控系统分类数控系统分类-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，

42、其运动轨迹没有特殊要求，运动点位控制最简单，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。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。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。复杂，且需要进行一系列的插补计算和判断。 2022-5-10计算机控制

43、技术515.3.3 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 早期数控机床采用的数控系统，执行机构多采用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，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。制精度和速度受到限制。步进电机驱动电路步进电机工

44、作台2022-5-10计算机控制技术525.3.3 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 接受数控系统驱动指令同时，还接受工作台上检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，处理不好常会造统的设计和调整都有较大困难，处理

45、不好常会造成系统不稳定。主要用于高精度机床。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2022-5-10计算机控制技术535.3.3 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 将测量元件从工作台移到执行机构端，由于工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。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

46、工作台位置比较电路2022-5-10计算机控制技术545.3.4 运动控制系统运动控制系统 运动控制起源于早期的伺服控制运动控制起源于早期的伺服控制(Servomechanism) (Servomechanism) 运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动动参数进行运动 早期的运动控制技术主要伴随着数控早期的运动控制技术主要伴随着数控(CNC)(CNC)技术、机器技术、机器人技术人技术(Robotics)(Robotics)和工厂自动化技

47、术的发展而发展的和工厂自动化技术的发展而发展的 早期的运动控制器是可独立运行的专用的控制器，即早期的运动控制器是可独立运行的专用的控制器，即独立运行独立运行(Stand-alone)(Stand-alone)的运动控制器的运动控制器 早期的运动控制器不能离开特定的工艺要求而跨行业早期的运动控制器不能离开特定的工艺要求而跨行业应用，开放性仅依赖于控制器的加工代码协议，用户应用，开放性仅依赖于控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统 2022-5-10计算机控制技术555.3.4 运动控制系统运动控制系统 在在20 20 世纪世纪9

48、0 90 年代，由于有强劲市场需求的推动，通年代，由于有强劲市场需求的推动，通用运动控制技术发展迅速，应用广泛。用运动控制技术发展迅速，应用广泛。 近年来，随着运动控制技术的不断进步和完善，通用近年来，随着运动控制技术的不断进步和完善，通用运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，根据已经被越来越多的产业领域接受，根据ARCARC近期的一份近期的一份研究，世界通用运动控制市场已超过研究，世界通用运动控制市场已超过40 40 亿美元，并且亿美元，并且有望在未来有望在未来5 5 年内综合增长率达到年内综合增长率达到6.

49、36.3 一个典型的运动控制系统主要由运动部件、传动机构、一个典型的运动控制系统主要由运动部件、传动机构、执行机构、驱动器和运动控制器构成，整个系统的运执行机构、驱动器和运动控制器构成，整个系统的运动指令由运动控制器给出，因此运动控制器是整个运动指令由运动控制器给出，因此运动控制器是整个运动控制系统的灵魂。动控制系统的灵魂。 2022-5-10计算机控制技术565.3.4 运动控制系统运动控制系统 基于计算机标准总线的运动控制器基于计算机标准总线的运动控制器，是把具有，是把具有开放体系结构，独立于计算机的运动控制器与开放体系结构，独立于计算机的运动控制器与计算机相结合构成计算机相结合构成 So

50、ftSoft型开放式运动控制器型开放式运动控制器，提供给用户最大的，提供给用户最大的灵活性，运动控制软件全部装在计算机中，而灵活性，运动控制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/OI/O之之间的标准化通用接口间的标准化通用接口 嵌入式结构的运动控制器嵌入式结构的运动控制器，这种运动控制器是，这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它能够独立运行。能够独立运行。 2022-5-10计算机控制技术575.3.4 运动控制系统运动控制系统 基于基于PCPC总线的开放式运动控制器总线的开放式

51、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域应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，并且在全球范围内用最广、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2022-5-10计算机控制技术585.3.4 运动控制系统运动控制系统 点位控制运动控制器点位控制运动控制器 ，PCBPCB钻床、钻床、SMTSMT、晶片自动、晶片自动输送

52、、输送、ICIC插装机、引线焊接机、纸板运送机驱动、插装机、引线焊接机、纸板运送机驱动、包装系统包装系统 连续轨迹控制运动控制器连续轨迹控制运动控制器 ，数控车、铣床，雕刻，数控车、铣床，雕刻机、激光切割机、激光焊接机、激光雕刻机、数机、激光切割机、激光焊接机、激光雕刻机、数控冲压机床、快速成型机控冲压机床、快速成型机 同步控制运动控制器同步控制运动控制器，套色印刷、包装机械、纺，套色印刷、包装机械、纺织机械、飞剪、拉丝机、造纸机械、织机械、飞剪、拉丝机、造纸机械、 2022-5-10计算机控制技术595.3.4 运动控制系统运动控制系统 运动控制技术已经成为现代化的运动控制技术已经成为现代化

53、的 制器之技制器之技 ，运，运动控制器不但在传统的机械数控行业有着广泛的动控制器不但在传统的机械数控行业有着广泛的应用，而且在新兴的电子制造和信息产品的制造应用，而且在新兴的电子制造和信息产品的制造业中起着不可替代的作用业中起着不可替代的作用 通用运动控制技术已逐步发展成为一种高度集成通用运动控制技术已逐步发展成为一种高度集成化的技术，不但包含通用的多轴速度、位置控制化的技术，不但包含通用的多轴速度、位置控制技术，而且与应用系统的工艺条件和技术要求紧技术，而且与应用系统的工艺条件和技术要求紧密相关密相关 2022-5-10计算机控制技术605.4 数字数字PID控制算法控制算法标准数字标准数字

54、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2022-5-10计算机控制技术615-4-1 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

55、泛的一种调节器最为广泛的一种调节器2022-5-10计算机控制技术625-4-1 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：KKc c、T Ti i、T Td d 分别为模拟调节器的比分别为模拟调节器的比例增益、积分时间和微分时间例增益、积分时间和微分时间, , u u0 0为偏差为偏差 e=e=0 0 时的调节器输出时的调节器输出, , 又称之为又称之为。00)()(1)()(udttdeTdtteTteKtudtic2022-5-10计算机控制技术63 采样周期采样周期与与控制周期控制周期的概念的概念 模拟模拟PIDPID调节规律的离散化调节规律

56、的离散化 在控制器的采样时刻在控制器的采样时刻 t=kt=kT T时时因此，因此，如下式如下式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2022-5-10计算机控制技术64 00) 1()()()()(ukekeKjeKkeKkudkjiciciTTKKTTKKdcd5-4-1 标准数字标准数字PID控制算法控制算法2022-5-10计算机控制技术65 由积分项由积分项 的存在所产生的存在所产生由由 可得可得kiie1)() 1()()(kukuku) 2() 1(

57、2)()() 1()(kekekeTTkeTTkekeKdic5-4-1 标准数字标准数字PID控制算法控制算法2022-5-10计算机控制技术66算法的算法的是编程简单是编程简单, , 数据可以数据可以递推使用递推使用, , 占用内存少占用内存少, , 运算快。运算快。算法得到算法得到 k k 采样时刻计算机的采样时刻计算机的为为)2() 1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkudic)() 1()(kukuku5-4-1 标准数字标准数字PID控制算法控制算法2022-5-10计算机控制技术675-4-1 标准数字标准数字PID控制算法控制算法2022-5-10计算机

58、控制技术685-4-2 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进 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2022-5-10计算机控制技术69 在单位阶跃输入时在单位阶跃输入时, , 它们输出的控制作用它们输出的控制作用 (A) 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) 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20

59、22-5-10计算机控制技术70 其区别在于实际微分多了个一阶惯性环节，其区别在于实际微分多了个一阶惯性环节，即如图所示即如图所示 图中图中 因为因为u(t)为理想为理想PID的输出，的输出，Gf(s)是一阶惯是一阶惯性环节性环节理想理想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11)(sTsGff5-4-2 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进2022-5-10计算机控制技术71)/(ffTTTa )()()()()(1)()( 0tutudttduTdttdeTdtteTteKtufdtic)()1 () 1()(kuakauku

60、)1()()()()( 0kekeTTieTTkeKkudkiic5-4-2 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进2022-5-10计算机控制技术72 实际微分增量型控制算式实际微分增量型控制算式 Gf(s)为为一阶超前一阶超前/ /一阶滞后一阶滞后环节环节, ,或将或将作用作用改为改为微分微分/ /一阶惯性一阶惯性环节环节)( )1 () 1()(kuakuaku) 1()()()()( kekeTTkeTTkeKkudic5-4-2 数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进2022-5-10计算机控制技术73：避免因避免因给控制系给控制系统带来超调量过大、调节阀动作剧烈的冲击。统带