第5章数据处理与控制策略ppt课件

1、第5章 数据处置与控制战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置数字滤波和数据处置数控技术根底数控技术根底数字数字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延续化设计技术 数字控制器的离散化设计技术 5.1.1 数字控制器的延续化设计技术y(t)u(t)e(k)+-G(s)e(t)D(z)H(s)Tu(k)Tr(t)5.1.1 数字控制器的延续化设计技术5.1.1 数字控制器的延续化设计技术D(s)G(s)y(t)e(t)r(t) +-u(t)5.1.1 数字控制器的延续化设计技术5.1.1 数

2、字控制器的延续化设计技术112Tzzs112)()(tzzssDzD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112Tzzs2121212122sTsTsTsTeeezsTsTsT双线性变换或塔斯廷(Tustin)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 ，写成以下方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

3、有后向差分法后向差分法: :sTez 利用级数展开可将 ，写成以下方式为了由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sTeezsTsT111Tzzs1TzzssDzD1)()(5.1.1 数字控制器的延续化设计技术nnmmzazazbzbbzEzuzD111101)()()()()()()()(1102211zEzbzbbzuzazazazummnn)() 1()()()2() 1()(1021mkebkebkebnkuakuakuakumn设数字控制器D(z)的普通方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

4、器D(z)的控制算法。 5.1.1 数字控制器的延续化设计技术5.1.2 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-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 ) 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送函数为可得上页图对应的闭环脉冲传送函数为由上式求得 (5.12) (5.13) (5.14) 假设知Gc(s)且可根据控制系统性能目的要求构造(z)，那

5、么可由式(5.12)和式(5.14)求得D(z) 5.1.2 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n0iiim0iiiza1zb) z (E) z (U) z (D) z (Uza) z (Ezb) z (Un0iiim0iiin0iim0iii)-u(kai)-e(kb)k(u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)的普通方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。 5.1 数字控制器的设计技术 不论是按延续系统进展控制系统设计还是按离散系统进展控制系统设计, 都可采用基于经典控制

6、实际的常规控制战略或基于现代控制实际的先进控制战略，采用哪种控制战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。 5.2 数字滤波和数据处置数字滤波数字处置5.2.1 数字滤波5.2.1 数字滤波-平均值滤波法miikymky1)(1)(5.2.1 数字滤波-平均值滤波法mmkymkyyy) 1() 1() 1-k()k(5.2.1 数字滤波-平均值滤波法10)()(miiikyaky1,1010miiiaa5.2.1 数字滤波-中值滤波法5.2.1 数字滤波-中值滤波法5.2.1 数字滤波-惯性滤波法xydtdyTf)()1 () 1()(

7、kxakayky)/(TTTaff5.2.1 数字滤波-程序判别滤波法5.2.1 数字滤波-程序判别滤波法 |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-程序判别滤波法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5.2.2 数据处置5.2.2 数据处置-线性化处置PkF1)-y(kx1)-y(k21)(yk01223344TaEaEaEaEa0

8、1234)TaEaEaEaEa5.2.2 数据处置-线性化处置 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5.2.2 数据处置-线性化处置5.2.2 数据处置-校正运算 有时来自被控对象的某些检测信号与真实值有偏向，这时需求对这些

9、检测信号进展补偿，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01100PTPTFF5.2.2 数据处置-标度变换5.2.2 数据处置-标度变换0m0 x0m0 xNNNN)AA(AA0000()xxmmNNGGGGNN0m0 xxmxxNkNkNkNkGGGG5.2.2 数据处置-越限报警处置5.2.2 数据处置-越限报警处置 如下图锅炉水位调理系统。图中锅炉正常任务的主要目的是汽包水位：液面太高会影响汽包的蒸汽产量；水位过低那么有爆炸的危险。 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 数据处置-越限报警

10、处置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，如以下图所示。当系统各个参数全部正常时，绿灯亮；假设有不正常参数，那么发出声光报警信号。 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 LED RD1 LED RD1 LED RD7PBA82551 LED RD1 LEDRD6PB5PB3PB2PB1PB0PB4PB1 电笛0674LS3X2X1X5.2.2 数据处置-死区处置 从工业现场采集到的信号往往会在一定范围内动摇，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

11、效值的最后一位不停的动摇，难以稳定。 这种情况可以采取死区处置，把不停动摇的值进展死区处置，只需当变化超出某值时才以为该值发生了变化。比如编程时可以先对数据除以10，然后取整，去掉动摇项。5.3 数控技术根底概述数控原理数控系统分类运动控制系统 5.3.1 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XbadcYabbcabbcabcdbc5.3.2 数控原理XbadcY5.3.2 数控原理XbadcY5.3.3 数控系统分类-按控制方式分类5.3.3 数控系统分类-按系统构造分类步进电机驱动电路步进电机任务台5.3.3 数控系统分类-按系统构造分类位置反响速度反响速度控制电

12、路步进电机任务台位置比较电路5.3.3 数控系统分类-按系统构造分类指令位置反响速度反响速度控制电路步进电机任务台位置比较电路5.4 数字PID控制算法规范数字PID控制算法数字PID控制算法的改良数字PID参数整定5-4-1 规范数字PID控制算法 PID是Proportional比例、Integral积分、Differential微分三者的缩写。在过程控制中，按误差信号的比例、积分和微分进展控制的调理器，简称PID调理器，是技术成熟、运用最为广泛的一种调理器5-4-1 规范数字PID控制算法 规范的模拟PID 式中：Kc、Ti、Td 分别为模拟调理器的比例增益、积分时间和微分时间, u0为

13、偏向 e=0 时的调理器输出, 又称之为稳态任务点。00)()(1)()(udttdeTdtteTteKtudtic 采样周期与控制周期的概念 模拟PID调理规律的离散化 在控制器的采样时辰 t=kT时 因此，PID的数字算式如下式kjjTeedt0)(Tkekedtde) 1()(00) 1()()()()(ukekeTTjeTTkeKkudkjic5-4-1 规范数字PID控制算法00) 1()()()()(ukekeKjeKkeKkudkjiciciTTKKTTKKdcd5-4-1 规范数字PID控制算法kiie1)() 1()()(kukuku) 2() 1(2)()() 1()(ke

14、kekeTTkeTTkekeKdic5-4-1 规范数字PID控制算法)2() 1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkudic)() 1()(kukuku5-4-1 规范数字PID控制算法5-4-2 数字PID控制算法的改良 1. 1. 实践微分实践微分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算法算法模拟调理器实现的微分作用模拟调理器实现的微分作用理想微分作用的实践缺陷理想微分作用的实践缺陷实践微分作用实践微分作用 (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

15、比比 例例 项项 u 0 1 2 3 4 5 6 7 8 kT项项 (B) 实践微分PID微微积积分分分分项项5-4-2 数字PID控制算法的改良理想理想PIDU(s)E(s)Gf(s)U(s) 实践微分PID控制算法表示框图11)(sTsGff5-4-2 数字PID控制算法的改良)/(ffTTTa)()()()()(1)()( 0tutudttduTdttdeTdtteTteKtufdtic)()1 () 1()(kuakauku)1()()()()( 0kekeTTieTTkeKkudkiic5-4-2 数字PID控制算法的改良)( )1 () 1()(kuakuaku) 1()()()(

16、)( kekeTTkeTTkeKkudic5-4-2 数字PID控制算法的改良)( )()(krkyke)( )()(kykrke5-4-2 数字PID控制算法的改良)2() 1(2)()(kekekeKkudd)2() 1(2)()(kykykyKkudd)2() 1(2)()(kykykyKkudd5-4-2 数字PID控制算法的改良 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PID控制算法的改良 3. 积分分别积分分别PID算法算法提出背景提出背景:积分作用会产生较大超调和振荡积分作用会产生较大超调和

17、振荡根本思想根本思想 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值需求适中选取；值需求适中选取； 2Kc应根据积分作用能否起作用而变应根据积分作用能否起作用而变化化5-4-2 数字PID控制算法的改良 y曲线曲线2：规范：规范PID曲线曲线3：A过小过小曲线曲线1 0 t R APDPIDPD5-4-2 数字PID控制算法的改良 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方法之一该算法是抑制积分饱和的方

18、法之一根本思想：一旦计算出的控制量根本思想：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；另一方面添加判别程序限幅；另一方面添加判别程序, , 算法算法中只执行减弱积分饱和项的积分运中只执行减弱积分饱和项的积分运算算, , 而停顿增大积分饱和项的运算。而停顿增大积分饱和项的运算。5-4-2 数字PID控制算法的改良 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方法提高其积分项的运算精度的方法原来的方法：原来的方法：改良方法改良方法Tjejedttekjt002

19、) 1()()(kjjTeedt0)(5-4-2 数字PID控制算法的改良5-4-3 数字PID控制的参数整定5-4-3 数字PID控制的参数整定控制规律控制规律TiTdPPIPID2u2.2u1.6u-0.85Tu0.50Tu-0.13Tu5-4-3 数字PID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/T220.50.50.81Tc+0.10.81Tc+0.1990.25Ti0.25Ti7 . 008. 06 . 2ccTTk6 . 008. 06 . 2ccTTk

20、88. 015. 06 . 2ccTTk5-4-3 数字PID控制的参数整定5-4-3 数字PID控制的参数整定最后微分的整定步骤。5-4-3 数字PID控制的参数整定5-4-3 数字PID控制的参数整定5-4-3 数字PID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=2.85KP=1.855-4-3 数字PID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PID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.

21、4 Ti=1 Td=0.25KP=2.4 Ti=1 Td=0.4纯比例控制参数整定KP=1 KP=2KP=2.4 5-4-3 数字PID控制的参数整定比例积分控制参数整定KP=2.4 KP=2.2 Ti=2KP=2.2 Ti=15-4-3 数字PID控制的参数整定PID控制参数整定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PID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=0.25PID控制参数整定25-4-3 数字PID

22、控制的参数整定5-4-3 数字PID控制的参数整定5.5 常规控制方案串级控制系统 前馈控制系统纯滞后补偿控制系统5-5-1 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主参数给定值给定值r通用的计算机串级控制系统表示框图通用的计算机串级控制系统表示框图u2主调主调理器理器副调副调理器理器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 5-5-1 串级控制系统 5-5-1 串级控制系统 5-5-1 串级控制系统 5-5-1 串级控制系统 出料进料冷却剂TC出料进料冷却剂TCT

23、C5-5-1 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 Gf (s)Gd (s) D/AG (s) PID A/Dreucy扰动扰动dufub)()()(sGsGsGdf5-5-2 前馈控制系统 5-5-2 前馈控制系统 5-5-2 前馈控制系统 凝液蒸汽QC5-5-2 前馈控制系统 DFBFCFCTCTC5-5-3 纯滞后补偿控制系统5-5-3 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表示框图史密斯预估控制系统表示框图mqesey 5-5-3 纯滞后补偿控制系统sespcpcesGsGsGsGsG)()(1)()()(5-5-3 纯滞后补偿控制系统TN5-5-3 纯滞后补偿控制系统)( )()()()()(kykykrkykrke)() 1()(kukuku)()(Nkmkmy5-5-3 纯滞后补偿控制系统5-5-3 纯滞后补偿控制系统5-5-3 纯滞后补偿控制系统5-5-3 纯滞后补偿控制系统5.6 先进控制方案预测控制专家系统