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文档简介

2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略1第三章

计算机控制系统中的控制策略

ControlStrategyof

ComputerSystem2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略2本章主要内容数字滤波和数据处理数字PID控制算法基于数字PID控制的多回路控制系统2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略3第一节Unit1

数字滤波和数据处理DataFilteringandDataProcessing2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略4本节主要内容采样数据的合理性判别及报警数字滤波数字处理软测量简介2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略53-1

数字滤波和数据处理进行数字滤波和处理的必要性计算机控制系统是采样系统提高信号的可靠性主要内容合理性的判别与滤波进行线性化处理软测量的基本思想2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略63-1-1采样数据的合理性判别及报警(1)越限的限幅与报警

设某通道当前采样值为y(k)yL≤y(k)≤yH

时;y(k)为当前采样有效值

y(k)>yH,取y(k)=yH

(上限值),报警

y(k)<yL

,取y(k)=

yL(下限值),报警2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略73-1-1采样数据的合理性判别及报警(2)对采样数据进行分析判断分析判断的根据过程机理等客观规律和操作经验根据运算模块进行检查常见的处理方法一般通道:有限次数后报警,停止在线程序重要通道:设计故障诊断系统甚至容错系统2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略83-1-2数字滤波(又称软件滤波)数字滤波的必要性及优点与RC滤波器结合使用,可抑制大多数引入过程的干扰不需要增加硬设备稳定性好,且一种滤波程序可以反复调用使用灵活、方便,便于修改2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略93-1-2数字滤波—平均值滤波法(1)算术平均值滤波其中算术平均的次数m值决定了信号的平滑度和灵敏度。适用于对流量、压力及沸腾状液面一类信号作平滑处理。2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略103-1-2数字滤波—平均值滤波法(2)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以对多个采样周期的平均采样值作递推滤波使用递推运算时,为加快运算速度,可以利用上一次计算出的值,通过递推平均滤波算式,计算出当前采样时刻的有效采样信号2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略113-1-2数字滤波—平均值滤波法(3)加权递推平均滤波(滑动平均值滤波)基本思想:算术平均值滤波对每个采样值给出相同的权重系数,即1/m。若要增加新采样值在有效信号中的比重,提高系统对当前所受干扰的灵敏度,实际应用时,可采用加权递推平均滤波,其算式为常数

ai的选取是多种多样的,满足2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略123-1-2数字滤波—中值滤波法(1)中值滤波的基本原理在某采样瞬间对被测参数连续采样3次,选择大小居中的数据作为有效信号。适用范围能有效地去除由于偶然因素引起的波动或因采样器的不稳定造成的误码等脉冲性干扰。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,可结合使用。2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略133-1-2数字滤波—惯性滤波法(一阶滞后滤波)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

,0<a<1,称为滤波系数。2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略143-1-2数字滤波—程序判断滤波基本概念

克服偶然的、大幅度的跳码干扰比较两个相邻采样瞬间采样值的大小关键正确选择Δy0。故该法又叫限速(变化率)滤波法|y(k)-y(k-1)|≤Δy0,则

y(k)=y(k)

>Δy0,则

y(k)=y(k-1)2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略153-1-2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。2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略163-1-3数据处理目的经过处理后,可直接引用采样数据。常见的数据处理内容线性化处理:(1)孔板差压与流量

(2)热电偶的热电势与温度校正运算:如温度补偿测量值与工程量的转换:

(1)线性值公式;(2)开方值转换公式;(3)热电偶与热电阻公式2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略173-1-4软测量简介(1)问题的提出背景实际生产过程中,一些重要质量指标变量如精馏塔的产品组分浓度、生物发酵罐中菌体浓度等都难以直接测量,以前的解决方法:(1)采用间接的质量指标:如温度控制(2)采用在线分析仪表采用软测量方法及其应用技术2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略183-1-4软测量简介(2)何谓软测量选择与被估计变量相关的一组可测变量,构造出某种以可测变量为输入、被估计变量为输出的数学模型,用计算机软件实现的重要过程变量的估计。这类数学模型及相应的计算机软件被称为软测量器或“软仪表”。2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略193-1-4软测量简介(3)软测量技术包括三个部分:软测量建模方法模型实时演算的工程化实施技术模型自校正(模型维护)技术软测量的一般公式软测量是实用性的应用技术,它以软测量模型在线运算并给出准确的估计值为目标2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略203-1-4软测量简介(4)软测量工程化设计步骤初选辅助变量现场数据采集与处理辅助变量的精选软测量模型的结构选择模型参数估计软测量模型实施在线数据预处理软测量模型精度保证机制:在线自校正和不定期的模型更新2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略21第二节Unit2

数字PID控制算法DataPIDControlArithmetic2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略22本节主要内容标准数字PID控制算法数字PID控制算法的改进数字PID控制器的参数整定2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略233-2-1标准数字PID控制算法(1)

标准的模拟PID式中:Kc、Ti、Td

分别为模拟调节器的比例增益、积分时间和微分时间,u0为偏差e=0

时的调节器输出,又称之为稳态工作点。2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略24对PID控制器中三个环节的作用总结如下:

(1)比例环节的作用:能迅速反映偏差,从而减小偏差,但不能消除静差,的加大,会引起系统的不稳定。(2)积分环节的作用:只要系统存在偏差,积分环节就会产生控制作用减小偏差,直到最终消除偏差,但积分作用太强会使系统超调加大,甚至使系统出现振荡。(3)微分环节的作用:有助于系统减小超调,克服振荡,加快系统的响应速度,减小调节时间,从而改善了系统的动态性能。但过大,会使系统出现不稳定。2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略253-2-1标准数字PID控制算法(2)采样周期与控制周期的概念模拟PID调节规律的离散化在控制器的采样时刻t=kT时因此,PID的数字算式如下式2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略263-2-1标准数字PID控制算法(3)数字PID又可写成上面两个算式又称为PID位置算式其中称为积分系数

称为微分系数2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略273-2-1标准数字PID控制算法(4)PID位置算式的问题由积分项的存在所产生PID增量算式

,可得2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略283-2-1标准数字PID控制算法(5)PID增量算式的另一种形式增量PID算法的优点是编程简单,数据可以递推使用,占用内存少,运算快。增量PID算法得到k采样时刻计算机的实际输出控制量为2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略293-2-2数字PID控制算法的改进(1)

1.实际微分PID控制算法微分的作用理想微分的PID算法模拟调节器实现的微分作用理想微分作用的实际缺陷实际微分作用2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略303-2-2数字PID控制算法的改进(2)理想微分PID与实际微分PID在单位阶跃输入时,它们输出的控制作用

(A)理想微分PID积分项

比例项

u012345378kT

微分项

比例项

u

012345378kT项

(B)实际微分PID微积分分项2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略313-2-2数字PID控制算法的改进(3)理想微分PID与实际微分PID其区别在于实际微分多了个一阶惯性环节,即如图所示图中因为u’(t)为理想PID的输出,Gf(s)是一阶惯性环节理想PIDU'(s)E(s)Gf(s)U(s)

实际微分PID控制算法示意框图2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略32理想微分PID与实际微分PID故:经计算,可得实际微分位置型控制算式,3-2-2数字PID控制算法的改进(4)2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略33理想微分PID与实际微分PID实际微分增量型控制算式实际微分的其它形式Gf(s)为一阶超前/一阶滞后环节,或将理想微分作用改为微分/一阶惯性环节3-2-2数字PID控制算法的改进(5)2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略343-2-2数字PID控制算法的改进(3)2.微分先行PID控制算法(“测量值微分”)出发点:避免因给定值变化给控制系统带来超调量过大、调节阀动作剧烈的冲击。特点:只对测量值(被控量)进行微分,而不对偏差微分,也即对给定值无微分作用。偏差计算:正作用反作用2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略353-2-2数字PID控制算法的改进(7)标准PID算式中的微分作用改进后的微分作用算式则为正作用:反作用:注:这种方法对串级回路的副回路不适合,为什么?2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略363-2-2数字PID控制算法的改进(8)微分先行PID控制算法示意图U(s)Y(s)

R(s)微分先行的PID控制方框图2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略373-2-2数字PID控制算法的改进(9)

3.积分分离PID算法提出的背景基本思想当│e(k)│>A时,用P或PD控制;│e(k)│≤A时,用PI或PID控制。注:1)A值需要适当选取;

2)Kc应根据积分作用是否起作用而变化2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略383-2-2数字PID控制算法的改进(10)积分分离PID算法示意图

y曲线2:标准PID曲线3:A过小曲线1

0t

R

APDPIDPD2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略393-2-2数字PID控制算法的改进(11)

4.遇限切除积分PID算法执行机构机械性能与物理性能的约束积分饱和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u(k)进入饱和区,一方面对控制量输出值限幅;另一方面增加判别程序,算法中只执行削弱积分饱和项的积分运算,而停止增大积分饱和项的运算。2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略403-2-2数字PID控制算法的改进(12)

5.提高积分项积分的精度积分项的作用:比较重要提高其积分项的运算精度的办法原来的方法:改进方法2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略413-2-3数字PID控制的参数整定(1)参数整定的基本概念通过调整控制器参数(Kc、Ti、Td,),使控制器的特性与被控过程的特性相匹配,以满足某种反映控制系统质量的性能指标。数字PID的参数整定除了Kc、Ti、Td外,还需要确定系统的采样周期(控制周期)T2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略423-2-3数字PID控制的参数整定(2)采样周期的确定(一般规律)2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略433-2-3数字PID控制的参数自动整定(1)自动整定(auto-tuning)的概念较为成熟的自动整定方法基于继电反馈控制(relayfeedbackcontrol)基于模式识别(patternrecognition)

基于专家系统(expertsystem)原理以及控制器参数的优化计算整定

2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略443-2-3数字PID控制的参数自动整定(2)基于继电反馈控制(relayfeedbackcontrol)PID参数的工程整定方法闭环整定如稳定边界法(临界比例度法)基于继电反馈控制自动整定的基本思路用具有继电特性的非线性环节代替稳定边界法中的纯比例器极限环的概念2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略453-2-3数字PID控制的参数自动整定(3)基于继电反馈控制(relayfeedbackcontrol)临界增益Ku(criticalgain)和临界振荡周期Tu(criticalfrequency)的概念由Ziegler和Nichols闭环整定方法得到的调节参数

控制器

KcTiTdP0.5Ku

PI0.4Ku0.8TuPID0.3Ku0.5Tu0.12Tu2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略463-2-3数字PID控制的参数自动整定(4)基于继电反馈控制(relayfeedbackcontrol)原理如图

S

APID继电器对象

TRY基于继电反馈控制的自动整定原理框图2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略473-2-3数字PID控制的参数自动整定(5)基于继电反馈控制(relayfeedbackcontrol)非线性环节的描述函数法根据非线性环节输入与输出信号之间的基波分量关系进行近似系统分析继电器特性理想继电器的描述函数2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略483-2-3数字PID控制的参数自动整定(3)基于继电反馈控制(relayfeedbackcontrol)具有滞环的继电器描述函数a为继电器非线性环节输入的一次谐波振幅。G(s)h-dd具有继电器非线性的控制系统2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略493-2-3数字PID控制的参数自动整定(7)基于继电反馈控制(relayfeedbackcontrol)

只要满足方程则系统输出将出现极限环。Ku可看成是继电特性在传输幅度为a的正弦信号时的等价增益。

aωcrG(jω)

h=0Im

h≠0Re

极限环示意图2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略503-2-3数字PID控制的参数自动整定(8)基于继电反馈控制(relayfeedbackcontrol)前面式中的Ku可看成是继电特性在传输幅度为a的正弦信号时的等价增益。基于继电器自动整定的优点概念清楚,方法简单需要预先设定的参数少:继电器特性幅值d滞环宽度h的初始值2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略513-2-3数字PID控制的参数自动整定(8)2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略523-2-3数字PID控制的参数自动整定(9)基于模式识别的PID参数自动整定(图像识别法)出发点:避开过程模型,用闭环系统响应波形上一组能够表征过程特性、而数据量又尽可能少的特征量作为通用的自动整定PID控制参数的依据。2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略533-2-3数字PID控制的参数自动整定(10)基于模式识别的PID参数自动整定观察系统对给定值阶跃响应或干扰的响应,根据实测的响应模式与理想的响应模式之间的差别整定控制器参数响应数据KcKd

PID

对象

锁存参数调整波形分析基于模式识别的PID参数自动整定结构框图F1F2

R可接受波形Ki2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略543-2-3数字PID控制的参数自动整定(11)基于模式识别的PID参数自动整定预先的准备工作:将闭环系统照某种准则分成若干种模式,如欠阻尼振荡,过阻尼振荡等;选取每种模式的特征量,称之为“状态特征量”;确定理想模式下的状态特征量值,并建立模式状态特征量与PID控制器参数关系的表达式。2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略553-2-3数字PID控制的参数自动整定(12)基于模式识别的PID参数自动整定控制器自动整定的工作是根据理想模式的状态特征量值与被控系统状态特征量的实测值之间的差别对PID控制器参数进行自动整定。2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略563-2-3数字PID控制的参数自动整定(13)基于模式识别的PID参数自动整定闭环系统输出误差随时间的变化情况如图该方法的缺点在于TL的实际测量比较困难e×100F2tT3T2F12575TLT1模式识别法的“状态特征量”示意图2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略57第二节结束TheEnd2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略58第三节Unit3

基于数字PID的多回路控制系统Multi-loopControlSystemBasedonDataPID

2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略59串级控制系统前馈控制系统纯滞后补偿控制系统本节主要内容2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略603-3-1串级控制系统(1)

串级控制系统基本概念主调节回路要保证控制精度,主调节器一般采用PID控制器副调节回路克服主要干扰,系统中起“粗调”作用,副调节器一般采用P或PI控制器。2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略613-3-1串级控制系统(2)

双回路串级控制系统副变送器主变送器主参数给定值r通用的计算机串级控制系统示意框图u2主调节器副调节器e1e2u1副对象主对象二次扰动一次扰动副参数主参数y1y2执行机构D/AA/DA/D2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略623-3-1串级控制系统(2)

CascadePVCascadeSPSlaveSPSlavePVNEWCOLUMNFORCASCADEPIDDROPSAUTOMATICALLYOPTIMZETUNINGFORSLAVEANDCASCADETRANSFERFUNCTIONSFORSLAVEANDCASCADEEFFECTOFCASCADESETPOINTCHANGEANDSTEPDISTURBANCESIMULATION(EXACTLYLIKEINREALPLANT)SLAVEANDCASCADEABSOLUTEERRORS2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略633-3-1

串级控制系统(3)

串级控制系统在每个采样周期的计算顺序采样并获得当前输出采样值;计算主回路的偏差e1(k);计算主回路PID控制器的输出u1(k);计算副回路的偏差e2(k);计算副回路PID控制器的输出u2(k);输出到被控对象。2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略643-3-1串级控制系统(4)

串级控制系统的控制方式异步采样控制即主回路的采样控制周期T1是副回路采样控制周期T2的整数倍。同步采样控制即主、副回路的采样控制周期相同,但因副对象响应速度较快,故应以副回路为准。2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略653-3-1串级控制系统(5)

串级控制系统的应用目的用于抑制系统的主要干扰用于克服对象的纯滞后用于减少对象的非线性影响2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略663-3-2前馈控制系统(1)前馈控制系统的基本思想:不变性原理主要特点是一个开环系统应用前提是扰动可测只能针对某一特定的干扰实施控制较少单独使用,一般结合反馈控制,构成前馈-反馈(Feedforword-Feedback)控制2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略673-3-2前馈控制系统(2)典型的前馈-反馈控制系统Gf(s)Gd(s)D/AG

(s)PIDA/Dreucy扰动dufub2023/3/20第三章计算机控制系统中的控制策略683-3-2

前馈控制系统(3)前馈-反馈控制算法的流程计算反馈控制的偏差e(k);计算反馈控制器(PID)的输出ub(k);计算前馈控制器Gf(s)的输出uf(k);计算前馈-反馈调节器的输出uc(k)。前馈-反馈控制系统往往可以取得较好的控制效果,实际中也常采用前馈-串级控制。2023/3/20第三章计算机控

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