《计算机控制技术》全套PPT电子课件教案-第三章数字控制器的设计与实现.ppt

第三章数字控制器的设计与实现 design and implementation of digital controller,本章主要内容,数字滤波和数据处理 数字pid控制算法 控制策略的工程实现,第一节数字滤波和数据处理,unit 1 data filtering and data processing,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 必要性 ccs是采样系统 提高信号的可靠性,3-1-1 采样数据的合理性判别及报警(1),1.越限的限幅与报警 设yl y(k)yh 时为采样有效值 y(k)yh :取 y(k)= yh ,报警 y(k)yl : 取 y(k)= yl ,报警,3-1-1 采样数据的合理性判别及报警(2),2.对采样数据进行分析判断 (1)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 (2)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,3-1-2 数字滤波(1),1.数字滤波(软件滤波)的基本概念 （1）滤波：去除不需要的信号 （2）必要性： 现场环境一般比较恶劣干扰源较多、较强 (3)优势 灵活性: 不同的滤波方法 一种滤波程序可反复调用 多个通道可共用 适用范围 宽（低）频，不存在阻抗匹配问题,节约投资，提高可靠性、稳定性。,2.算术平均值滤波 （1）原理 （2）说明 m值决定信号的平滑度和灵敏度 适于对流量、压力及沸腾状液面等信号 实现：在一个采样瞬间对一个测点多次采样;对多个采样周期的平均采样值作递推滤波,3-1-2 数字滤波（2）,3-1-2 数字滤波（3）,3.加权(递推)平均滤波(滑动平均值滤波) (1)原理 (2)说明 应用：增加某些（如新）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）,3-1-2 数字滤波(4),4.中值滤波 (1)原理 在某采样瞬间对被测参数连续采样3次,选择居中的数据作为有效信号 (2)说明 适用： 偶然因素引起的波动; 因采样器的不稳定造成的误码等脉冲性干扰。,3-1-2 数字滤波(5),5.惯性滤波法(一阶滞后滤波) （1）原理 动态方程 tf =rc为滤波时间常数 离散化后动态方程 t为采样周期 0a1, 称为滤波系数。 （2）说明 用软件实现rc低通滤波器功能,3-1-2 数字滤波(6),6.程序判断滤波（限速/变化率滤波法） （1）原理 比较两个相邻采样瞬间采样值的大小 （2）说明 关键：正确选择y0 克服偶然的、大幅度的跳码干扰,|y(k)-y(k-1)|,y0, 则 y(k)=y(k),y0, 则 y(k)=y(k-1),3-1-2 数字滤波(7),7.各种滤波方法的特点与应用 （1）各种软件滤波的比较 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 （2）应用 多种软件结合； 软、硬件（rc、放大器）结合,3-1-3 数据处理,1.目的 经处理后可直接引用采样数据 2.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,3-1-4 软测量简介（1）,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,3-1-4 软测量简介（2）,2.软测量定义 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”。 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,3-1-4 软测量简介（3）,3。软测量技术 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,3-1-4 软测量简介（4）,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,第二节 unit 2,数字pid控制算法 data pid control arithmetic,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,3-2-1 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。,3-2-1 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,3-2-1 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,3-2-1 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 由 ，可得,3-2-1 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,3-2-2 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,3-2-2 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,3-2-2 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）,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）,3-2-2 数字pid控制算法的改进（6）,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,3-2-2 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？,3-2-2 数字pid控制算法的改进（8）,微分先行pid控制算法示意图,3-2-2 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,3-2-2 数字pid控制算法的改进（10）,积分分离pid算法示意图,3-2-2 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。,3-2-2 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,3-2-3 数字pid控制的参数整定（1）,参数整定的基本概念 通过调整控制台参数（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）t,3-2-3 数字pid控制的参数整定（2）,采样周期的确定（一般规律）,3-2-3 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(relay feedback control) 基于模式识别(pattern recognition) 基于专家系统(expert system)原理 以及控制器参数的优化计算整定,3-2-3 数字pid控制的参数自动整定(2),基于继电反馈控制(relay feedback control) 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,3-2-3 数字pid控制的参数自动整定(3),基于继电反馈控制(relay feedback control) 临界增益ku(critical gain)和临界振荡周期tu(critical frequency)的概念,由ziegler和nichols 闭环整定方法得到的调节参数 控 制 器 kc ti td p 0.5ku pi 0.4ku 0.8tu pid 0.6ku 0.5tu 0.12tu,3-2-3 数字pid控制的参数自动整定(4),基于继电反馈控制(relay feedback control) 原理如图,3-2-3 数字pid控制的参数自动整定(5),基于继电反馈控制(relay feedback control) 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,3-2-3 数字pid控制的参数自动整定(6),基于继电反馈控制(relay feedback control) 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。,3-2-3 数字pid控制的参数自动整定(7),基于继电反馈控制(relay feedback control) 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。,3-2-3 数字pid控制的参数自动整定(8),基于继电反馈控制(relay feedback control) 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,3-2-3 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。,3-2-3 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,3-2-3 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。,3-2-3 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。,3-2-3 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,第三节 unit 3,控制策略的工程实现 the implementation of control strategy in the engineering project,3-3 控制策略的工程实现,模拟pid与数字pid的异同 调节器本身及其功能的实现方式,3-3-1 给定值处理（1）,给定值处理包括 选择给定值sv 给定值变化率限制sr,3-3-1 给定值处理（2）,内给定状态：软开关cl/cr切向cl位置，选择操作员设置的给定值svl 外给定状态：软开关cl/cr切向cr位置 scc控制 串级控制 给定值变化率的限制 通过选择sr值防止给定值的突变,3-3-1 给定值处理（3）,给定值处理部分 3个输入量（svl、svc、svs） 2个输出量（sv、csv） 2个开关量（cl/cr、cas/scc） 1个变化率（sr） 为了方便控制算法程序调用这些量, 需要给每个回路的控制模块提供一段内存数据区, 用于存放以上变量。,3-3-2 被控量处理（1）,被控量处理部分 主要是出于对安全考虑的上下限报警 上限值为ph，上限报警状态为pha； 下限值为pl，下限报警状态为pla； 被控量为pv 当pvph时，pha为“1”； 当pvpl时，pla为“1”。,3-3-2 被控量处理（2）,被控量处理部分,3-3-2 被控量处理（3）,被控量处理部分 为平衡控制，有时需要对参与控制的被控量的变化率pr加以限制，且要取得适中。 被控量处理的数据区共需存放 1个输入量pv 3个输出量pha、pla和cpv 4个参数ph、pl、hy和pr。,3-3-3 偏差处理（1）,偏差处理 计算偏差、偏差报警、非线性补偿及输入补偿,计 算偏 差,d/r,dl,非线性 特 性,输 入 补 偿,icm,dla,cdv,dvc,dv,给定值csv,测量值cpv,输入补偿量icv,偏差处理部分示意图,偏差报警,输入补偿方式,正/反作 用方式,3-3-3 偏差处理（2）,计算偏差 根据正/反作用方式开关（d/r）计算偏差值dv。 偏差报警 当偏差的绝对值大于某个极限值dl时，则给出报警信息（报警状态dla为“1”）,3-3-3 偏差处理（3）,非线性特性补偿 设置非线性 增益k，非线 性区-a至+a 实现非线性 pid控制或带 死区的pid控制。,k=0，带死区的pid k=1，正常pid 0k1时，则为非线性pid,3-3-3 偏差处理（4）,输入补偿 由icm决定偏差dvc与输入补偿量icv之间的关系 当icm=0，表示不考虑输入补偿； 当icm=1，表示加补偿； 当icm=2，表示减补偿； 当icm=3，表示置换补偿。,3-3-3 偏差处理（5）,输入补偿 利用加、减补偿，可以分别实现前馈控制与smith纯滞后补偿控制。 偏差处理数据区 1个输入补偿量icv 2个输出量dla和cdv 2个状态量d/r和icm 4个参数dl、-a、+a和k。,3-3-4 控制策略的实现（1）,由偏差进行控制算法计算并限幅,3-3-4 控制策略的实现（