数字滤波 数据处理与控制策略

1、第3章 过程通道和人机接口计算机控制技术PAGE 14PAGE 13第4章 数据处处理与控控制策略略本章的教教学目的的与要求求掌握各种种数字滤滤波的原原理、特特点及使使用场合合，数控控技术、数字PPID及及常规控控制系统统，了解解先进控控制系统统。授课主要要内容数字滤波波和数据据处理数控技术术数字PIID常规控制制系统先进控制制系统主要外语语词汇Digiitall Fiilteer:数数字滤波波，Nuumerricaal CConttroll（NCC）：数数字控制制，Compputeerizzed Nummeriicall Coontrrol(CNCC):计计算机数数字控制制重点、难难点及对对

2、学生的的要求说明：带带“*”表示要要掌握的的重点内内容，带带“*”表示要要求理解解的内容容，带“*”表示要要求了解解的内容容，带“”表表示难点点内容，无任何何符号的的表示要要求自学学的内容容常用的数数字滤波波的原理理、特点点及使用用场合*常用的数数据处理理方法*数字PIID及改改进算法法*常规控制制方法*先进控制制方法*辅助教学学情况多媒体教教学课件件（POOWERRPOIINT）复习思考考题常用的数数字滤波波的原理理、特点点及使用用场合常用的数数据处理理方法数字PIID及改改进算法法常规控制制方法先进控制制方法参考资料料刘川来，胡乃平平，计算算机控制制技术，青岛科科技大学学讲义PAGE 14

3、第4章 数据处理与控制料略计算机系系统的抗抗干扰不不可能完完全依靠靠硬件解解决，一一般需要要进行数数字滤波波。另外外在计算算机控制制系统中中，根据据实际需需要经常常会用到到数据处处理技术术对数据据进行预预处理。数控技术术和数控控装备是是制造工工业现代代化的重重要基础础。这个个基础是是否牢固固直接影影响到一一个国家家的经济济发展和和综合国国力，关关系到一一个国家家的战略略地位。计算机控控制系统统中的控控制策略略是指基基于控制制理论，在被控控对象数数学模型型或操作作人员的的先验知知识基础础上设计计并用计计算机软软件实现现的数字字控制器器或某种种控制算算法。4.1 数字滤滤波和数数据处理理数字滤波波

4、是指在在计算机机中利用用某种计计算方法法对原始始输入数数据进行行数学处处理，去去掉原始始数据中中掺杂的的噪声数数据，提提高信号号的真实实性，获获得最具具有代表表性的数数据集合合。通过数字字滤波得得到比较较真实的的被测参参数，有有时不能能直接使使用，还还需要做做某些处处理。一 数字字滤波我们这里里所说的的数字滤滤波技术术是指在在软件中中对采集集到的数数据进行行消除干干扰的处处理。采用数字字滤波优优点一是是不需要要增加硬硬件设备备，只需需在计算算机得到到采样数数据之后后，执行行一段根根据预定定滤波算算法编制制的程序序即可达达到滤波波的目的的；优点点二是数数字滤波波稳定性性好，一一种滤波波程序可可以

5、反复复调用，使用方方便灵活活。1. 平平均值滤滤波法（1）算算术平均均值滤波波对于一点点数据连连续采样样多次，计算其其算术平平均值，以其平平均值作作为该点点采样结结果。这这种方法法可以减减少系统统的随机机干扰对对采集结结果的影影响。实实质是对对采样数数据y(i)的的m次测测量值进进行算术术平均，作为时时刻kTT的有效效输出采采样值，即 （4.11）m值决定定了信号号平滑度度和灵敏敏度。为提高运运算速度度，可以以利用上上次运算算结果，通过递递推平均均滤波算算式 （4.22）得到当前前采样时时刻的递递推平均均值。算术平均均值滤波波和加权权平均值值滤波主主要用于于对压力力、流量量等周期期性的采采样值

6、进进行平滑滑加工，但对偶偶然出现现的脉冲冲性干扰扰的平滑滑作用尚尚不理想想，因而而不适用用于脉冲冲性干扰扰比较严严重的场场合。（2）加加权平均均值滤波波由（4-1）式式可以看看出，算算术平均均值滤波波法对每每次采样样值给出出相同的的加权系系数，即即1/mm，实际际上有些些场合需需要增加加新采样样值在平平均值中中的比重重，这时时可采用用加权平平均值滤滤波法，其算式式为 （4.33）这种滤波波方法可可以根据据需要突突出信号号的某一一部分，抑制信信号的另另一部分分。适用用于纯滞滞后较大大、采样样周期短短的过程程。2. 中中值滤波波法所谓中值值滤波是是对某一一参数连连续采样样n次，然后把把n次的的采样

7、值值从小到到大或从从大到小小排队，再取中中间值作作为本次次采样值值。中值滤波波对于去去掉由于于偶然因因素引起起的波动动或采样样器不稳稳定造成成的误差差所引起起的脉动动干扰比比较有效效。若变变量变化化比较慢慢，则采采用中值值滤波效效果比较较好，但但对快速速变化的的参数不不宜采用用。如果将平平均值滤滤波和中中值滤波波结合起起来使用用，滤波波效果会会更好。3. 惯惯性滤波波法前面几种种方法基基本上属属于静态态滤波，主要适适用于变变化过程程比较快快的参数数，如压压力、流流量等。对于慢慢速随机机变量，则采用用短时间间内连续续采样取取平均值值的方法法，其滤滤波效果果不够理理想。为提高滤滤波效果果，可以以仿

8、照模模拟系统统RC低低通滤波波器的方方法，将将普通硬硬件RCC低通滤滤波器的的微分方方程用差差分方程程来表示示，用软软件算法法来模拟拟硬件滤滤波器的的功能。典型RCC低通滤滤波器的的动态方方程为 （4.44）式（4-4）离离散化可可得低通通滤波算算法为 （4.5）该种滤波波方法模模拟了具具有较大大惯性得得低通滤滤波功能能，主要要适用于于高频和和低频的的干扰信信号。4. 程程序判断断滤波程序判断断滤波的的方法，是根据据生产经经验，确确定两次次采样输输入信号号可能出出现的最最大偏差差y。若若超过此此偏差值值，则表表明该输输入信号号是干扰扰信号，应该去去掉；如如小于此此偏差值值，则可可以将信信号作为

9、为本次采采样值。程序判断断滤波一一般分两两种：（1）限限幅滤波波（2）限限速滤波波数据采集集所采用用的检测测技术不不同，检检测对象象不同，数据的的采集频频率、信信噪比不不同，各各种数字字化滤波波算法各各有优缺缺点，所所以我们们在实际际应用中中要根据据情况将将其有机机的结合合起来，为数据据处理选选择一种种最优的的滤波算算法，保保证数据据准确、快速的的反应被被检测对对象的实实际，为为生产管管理提供供有效的的数据。二 数据据处理1. 线线性化处处理计算机从从模拟量量输入通通道得到到的检测测信号与与该信号号所代表表的物理理量之间间不一定定成线性性关系。而在计计算机内内部参与与运算与与控制的的二进制制数

10、希望望与被测测参数之之间成线线性关系系，其目目的既便便于运算算又便于于数字显显示，因因此还须须对数据据做线性性化处理理。在常规自自动化仪仪表中，常引入入“线性化化器”来补偿偿其他环环节的非非线性，如二极极管阵列列、运算算放大器器等，都都属于硬硬件补偿偿，这些些补偿方方法一般般精度不不太高。在计算算机数据据处理系系统中，用计算算机进行行非线性性补偿，方法灵灵活，精精度高。常用的的补偿方方法有计计算法、插值法法、折线线法。（1）计计算法当参数间间的非线线性关系系可以用用数学方方程来表表示时，计算机机可按公公式进行行计算，完成非非线性补补偿。在在过程控控制中最最常见的的两个非非线性关关系是差差压与流

11、流量、温温度与热热电势。用孔板测测量气体体或液体体流量，差压变变送器输输出的孔孔板差压压信号P，同同实际流流量F之之间呈平平方根关关系，即即 （4.88）式中k是是流量系系数。用用数值分分析方法法计算平平方根，可采用用牛顿迭迭代法，设（xx0），则 （4.99）热点偶的的热电势势同所测测温度之之间也是是非线性性关系。例如，镍铬-镍铝热热点偶在在400010000范围内内，可按按下式求求温度 （4.10）式中E为为热电势势mVV，TT为温度度。（4.110）式式可以写写成 （4.11）可用上式式将非线线性化的的关系分分成多个个线性化化的式子子来实现现。（2）插插值法计算机非非线性处处理应用用最多

12、的的方法就就是插值值法。其其实质是是找出一一种简单单的、便便于计算算处理的的近似表表达式代代替非线线性参数数。用这这种方法法得到的的公式叫叫做插值值公式。常用的的插值公公式有多多项式插插值公式式、拉格格朗日插插值公式式、线性性插值公公式等（3）折折线法上述两种种方法都都可能会会带来大大量运算算，对于于小型工工控机来来说，占占用内存存比较大大，为简简单起见见，可以以分段进进行线性性化，即即用多段段折线代代替曲线线。线性化过过程是：首先判判断测量量数据处处于哪一一折线段段内，然然后按相相应段的的线性化化公式计计算出线线性值。折线段段的分法法并不是是惟一的的，可以以视具体体情况和和要求来来定。当当然

13、，折折线段数数越多，线性化化精度越越高，软软件的开开销也就就相应增增加。校正运算算有时来自自被控对对象的某某些检测测信号与与真实值值有偏差差，这时时需要对对这些检检测信号号进行补补偿，力力求补偿偿后的检检测值能能反映真真实情况况。标度变换换在计算机机控制系系统中，生产中中的各个个参数都都有不同同的数值值和量纲纲，这些些参数都都经过变变送器转转换成AA/D转转换器能能接收的的055V电压压信号，又由AA/D转转换成000FFFH（8位）的数字字量，它它们不在在是带量量纲的参参数值，而是仅仅代表参参数值的的相对大大小。为方便操操作人员员操作以以及满足足一些运运算、显显示和打打印的要要求，必必须把这

14、这些数字字量转换换成带有有量纲的的数值，这就是是所谓的的标度变变换。 （1）线线性参数数标度变变换所谓线性性参数，指一次次仪表测测量值与与A/DD转换结结果具有有线性关关系，或或者说一一次仪表表是线性性刻度的的。其标标度变换换公式为为： （44.155）式中，AA0为一次次测量仪仪表的下下限，AAm为一次次测量仪仪表的上上限，AAx为实际际测量值值（工程程量），N0为仪表表下限对对应的数数字量，Nm为仪表表上限对对应的数数字量，Nx为测量量值所对对应的数数字量。其中A00，Am，N0，Nm对于某某一个固固定的被被测参数数来说是是常数，不同的的参数有有不同的的值。为为使程序序简单，一般把把被测参

15、参数的起起点A0（输入入信号为为0）所所对应的的A/DD输出值值为0，即N00，这样式式（4.15）可化为为： （4.116）有时，工工程量的的实际值值还需经经过一次次变换，如电压压测量值值是电压压互感器器的二次次测的电电压，则则其一次次测的电电压还有有一个互互感器的的变比问问题，这这时上式式应再乘乘上一个个比例系系数： （4.117） （2）非非线性参参数标度度变换在过程控控制中，最常见见的非线线性关系系是差压压变送器器信号P与流流量F的的关系（见式（4.88），据据此，可可得测量量流量时时的标度度变换式式为： 即 （4-118）式中G00为流量量仪表下下限值，Gm为流量量仪表上上限值，Gx

16、为被测测量的流流量值，N0为差压压变送器器下限所所对应的的数字量量，Nm为差压压变送器器上限所所对应的的数字量量，Nx为差压压变送器器所测得得的差压压值（数数字量）。4. 越越限报警警处理在计算机机控制系系统中，为了安安全生产产，对于于一些重重要的参参数或系系统部位位，都设设有上、下限检检查及报报警系统统，以便便提醒操操作人员员注意或或采取相相应的措措施。其其方法就就是把计计算机采采集的数数据经计计算机进进行数据据处理、数字滤滤波、标标度变换换之后，与该参参数上、下限给给定值进进行比较较。如果果高于(或低于于)上限限(或下下限)，则进行行报警，否则就就作为采采样的正正常值，以便进进行显示示和控

17、制制。报警系统统一般为为声光报报警信号号，灯光光多采用用发光二二极管(LEDD)或白白炽灯光光等，声声响则多多为电铃铃、电笛笛等。有有些地方方也采用用闪光报报警的方方法，即即使报警警的灯光光或声音音按一定定的频率率闪烁(或发声声)。报警程序序的设计计方法主主要有两两种。一一种是全全软件报报警程序序。另一一种是直直接报警警程序。5. 死死区处理理从工业现现场采集集到的信信号往往往会在一一定的范范围内不不断的波波动，或或者说有有频率较较高、能能量不大大的干扰扰叠加在在信号上上，这种种情况往往往出现现在应用用工控板板卡的场场合，此此时采集集到的数数据有效效值的最最后一位位不停的的波动，难以稳稳定。这

18、这种情况况可以采采取死区区处理，把不停停波动的的值进行行死区处处理，只只有当变变化超出出某值时时才认为为该值发发生了变变化。比比如编程程时可以以先对数数据除以以10，然后取取整，去去掉波动动项。4.2 数控技技术基础础数控技术术和数控控设备是是制造工工业现代代化的重重要基础础。这个个基础是是否牢固固直接影影响到一一个国家家的经济济发展和和综合国国力，关关系到一一个国家家的战略略地位。因此，世界上上各工业业发达国国家均采采取重大大措施来来发展自自己的数数控技术术及其产产业。一 概述述数字控制制是近代代发展起起来的一一种自动动控制技技术，国国家标准准（GBB 8112987）定义为为“用数字字化信

19、号号对机床床运动及及其加工工过程进进行控制制的一种种方法”。采用用数控技技术的控控制系统统称为数数控系统统，采用用了数控控系统的的设备称称之为数数控设备备，以计计算机为为核心的的数控系系统称为为计算机机数控系系统（CCompputeerizzed Nummeriicall Coontrrol，CNCC）。数控机床床是一种种典型的的数控设设备，由由于数控控技术是是与机床床控制密密切结合合发展起起来的，因此以以往讲数数控即指指机床数数控。世界上第第一台数数控机床床是19952年年美国麻麻省理工工学院（MITT）伺服服机构实实验室开开发出来来，当时时的主要要动机是是为了满满足高精精度和高高效率加加工

20、复杂杂零件的的需要。数控设备备中的构构成如图图4.11所示。图中CCNC是是数控设设备的核核心，它它的功能能是接受受输入的的控制信信息，完完成数控控计算、逻辑判判断、输输入输出出控制等等功能。被控对对象可以以是机床床、雕刻刻机、焊焊接机、机械手手、绘图图仪、套套色印刷刷机械、包装机机械等。CNCC通过输输入通道道获得被被控对象象的各种种反馈信信息。饲服系统机电接口输入通道被控对象CNC图4.11 数控控设备的的组成二 数控控原理 首先分分析图44.2所所示的平平面曲形形图形，如何用用计算机机在绘图图仪或数数控加工工机床上上重现，以此来来简要说说明数字字控制的的基本原原理。1. 将将图4.2所示

21、示的曲线线分割成成若干段段，可以以是直线线段，也也可以是是曲线段段，图中中分割成成了三段段，即、和，然后后把a、b、cc、d四四点坐标标记下来来并送给给计算机机。图形形分割的的原则应应保证线线段所连连的曲线线(或折折线)与与原图形形的误差差在允许许范围之之内。由由图可见见，显然然采用、和比、和要精确确得多。Y(xe，ye)(x0，y0)YcdabXX图4.22曲线分分段 图4.3用折折线逼近近直线段段2. 当当给定aa、b、c、dd各点坐坐标x和和y值之之后，如如何确定定各坐标标值之间间的中间间值？求求得这些些中间值值的数值值计算方方法称为为插值或或插补。插补计计算的宗宗旨是通通过给定定的基点

22、点坐标，以一定定的速度度连续定定出一系系列中间间点，而而这些中中间点的的坐标值值是以一一定的精精度逼近近给定的的线段。从理论论上讲，插补的的形式可可用任意意函数形形式，但但为了简简化插补补运算过过程和加加快插补补速度，常用的的是直线线插补和和二次曲曲线插补补两种形形式。所所谓直线线插补是是指在给给定的两两个基点点之间用用一条近近似直线线来逼近近，也就就是由此此定出中中间点连连接起来来的折线线近似于于一条直直线，而而并不是是真正的的直线。所谓二二次曲线线插补是是指在给给定的两两个基点点之间用用一条近近似曲线线来逼近近，也就就是实际际的中间间点连线线是一条条近似于于曲线的的折线弧弧。常用用的二次次

23、曲线有有圆弧、抛物线线和双曲曲线等。对图44.2所所示的曲曲线来说说，显然然ab和和bc段段用直接接插补，cd段段用圆弧弧插补是是合理的的。 3. 把插补补运算过过程中定定出的各各中间点点，以脉脉冲信号号形式去去控制xx、y方方向上的的步进电电机，带带动绘图图笔、刀刀具等，从而绘绘出图形形或加工工出所要要求的轮轮廓来。这里的的每一个个脉冲信信号代表表步进电电机走一一步，即即绘图笔笔或刀具具在x或或y方向向移动一一个位置置。我们们把对应应于每个个脉冲移移动的相相对位置置称为脉脉冲当量量，又称称为步长长，常用用如x和y来表表示，并并且总是是取x=y。 插补运算算就是如如何分配配x和yy方向上上的脉

24、冲冲数，使使实际的的中间点点轨迹尽尽可能地地逼近理理想轨迹迹。实际际的中间间点连接接线是一一条由x和y的增增量值组组成的折折线，只只是由于于实际的的x和y的值值很小，眼睛分分辨不出出来，看看起来似似乎和直直线一样样而已。显然，x和y的增增量值越越小，就就越逼近近理想的的直线段段，图中中均以“”代代表x和y的长长度。 三 数控控系统分分类1. 按按控制方方式分类类（1）点点位控制制数控系系统（2）直直线控制制数控系系统（3）轮轮廓控制制数控系系统 上述三三种控制制方式中中以点位位控制最最简单，因为它它的运动动轨迹没没有特殊殊要求，运动时时又不加加工，所所以它的的控制电电路只要要具有记记忆（记记下

25、刀具具应走的的移动量量和已走走过的移移动量）和比较较（将所所记忆的的两个移移动量进进行比较较，当两两个数值值的差为为零时，刀具立立即停止止）的功功能即可可，根本本不需要要插补运运算。和和点位控控制相比比，直线线控制要要进行直直线加工工，控制制电路要要复杂一一些。轮轮廓控制制要控制制刀具准准确的完完成复杂杂的曲线线运动，所以控控制电路路复杂，且需要要进行一一系列的的插补计计算和判判断。2. 按按系统结结构分类类（1）开开环数控控系统指令步进电机驱动电路工作台步进电机图4.44 开环环数控系系统结构构图（2）全全闭环数数控系统统速度反馈位置比较电路工作台速度控制电路指令步进电机位置反馈图4.55

26、全闭闭环数控控系统结结构图（3）半半闭环数数控系统统步进电机位置反馈指令位置比较电路速度反馈工作台速度控制电路图4.66 半闭闭环数控控系统结结构图4.3 数字PPID控控制算法法一 标准准数字PPID控控制算法法在模拟控控制系统统中，按按给定值值与测量量值的偏偏差e进进行控制制的PIID控制制器是一一种线性性调节器器，其PPID表表达式如如下 （4.221）式中的、分别为为模拟调调节器的的比例增增益、积积分时间间和微分分时间，为偏差差时的调调节器输输出，常常称之为为稳态工工作点。要实现式式（4.21）所示的的PIDD控制规规律，就就要将其其离散化化。设控控制周期期为则在在控制器器的采样样时刻

27、时时，通过过下述差差分方程程 ， 可得到式式（4.21）的数字字算式为为 （4.22AA）或写成 （4.222B）式（4.22AA）和（4.22BB）给出出的是执执行机构构在采样样时刻的的位置或或控制阀阀门的开开度，所所以被称称为位置置型PIID算法法。在工业过过程控制制中常采采用另一一种被称称为增量量型PIID控制制算法的的算式。采用这这种控制制算法得得到的计计算机输输出是执执行机构构的增量量值，其其表达式式为 （4.23）或写为 （4.224）可见，除除当前偏偏差值ee(k)外，采用增增量式PPID算算法只需需保留前前两个采采样周期期的偏差差，即ee(k-1)，在程程序中简简单地采采用平移

28、移法即可可保存，免去了了保存所所有偏差差的麻烦烦。增量量PIDD算法的的优点是是编程简简单，数数据可以以递推使使用，占占用内存存少，运运算快。更进一一步，为为了编程程方便起起见，式式（4.24）还可写写成 （4.225）由增量PPID算算法得到到采样时时刻计算算机的实实际输出出控制量量为 （44.266）二 数字字PIDD控制算算法的改改进1. 实实际微分分PIDD控制算算法PID控控制中，微分的的作用是是扩大稳稳定域，改善动动态性能能，近似似地补偿偿被控对对象的一一个极点点。从前面的的推导可可知，标标准的模模拟PIID算式式（4-21）与数字字PIDD算式（4-222）式（44-255）中的

29、的微分作作用是理理想的，故它们们被称为为是理想想微分的的PIDD算法。而模拟拟调节器器由于反反馈电路路硬件的的限制，实际上上实现的的是带一一阶滞后后环节的的微分作作用。计计算机控控制虽可可方便地地实现理理想微分分的差分分形式，但实际际表明，理想微微分的PPID控控制效果果并不理理想。在计算机机控制系系统中，常常是是采用类类似模拟拟调节器器的微分分作用，称为实实际微分分作用。图4.7是标标准PIID控制制算法与与实际微微分PIID控制制算法在在单位阶阶跃输入入时，输输出的控控制作用用。u0 1 2 3 4 5 6 7 8KT项积分微分 项比 例 项项分 项分积u0 1 2 3 4 5 6 7 8

30、KT微比 例 项(a) 理想微微分PIID (b) 实际际微分PPID图4.77 数字字PIDD控制算算法的单单位阶跃跃响应示示意图从图中可可以看出出，理想想微分作作用只能能维持一一个采样样周期，且作用用很强，当偏差差较大时时，受工工业执行行机构限限制，这这种算法法不能充充分发挥挥微分作作用。而而实际微微分作用用能缓慢慢地保持持多个采采样周期期，使工工业执行行机构能能较好地地跟踪微微分作用用输出。另一方方面，由由于实际际微分PPID控控制算法法中的一一阶惯性性环节，使得它它具有一一定的数数字滤波波能力，因此，抗干扰扰能力也也较强。理想PIID与实实际微分分PIDD算式的的区别主主要在于于后者比

31、比前者多多了个一一阶惯性性环节，如图44.8所所示。理想PID 图4.88 实际际微分PPID控控制算法法示意框框图图中 （4.27） 所以 （4.28）将式（44.288）离散散化，可可得实际际微分位位置型控控制算式式 （4.229）式中 其增量型型控制算算式为 （44-300）式中 Y(s)U(s)R(s)图4.9 实际微分PID控制算法示意框图2微分分先行PPID控控制算法法当控制系系统的给给定值发发生阶跃跃变化时时，微分分动作将将使控制制量大幅幅度变化化，这样样不利于于生产的的稳定操操作。为为了避免免因给定定值变化化给控制制系统带带来超调调量过大大、调节节阀动作作剧烈的的冲击，可采用用

32、如图44.9所所示的方方案。这种方案案的特点点是只对对测量值值（被控控量）进进行微分分，而不不对偏差差微分，也即对对给定值值无微分分作用。这种方方案称之之为“微分先先行”或“测量值值微分”。考虑虑正反作作用的不不同，偏偏差的计计算方法法也不同同，即 （正作用用） （反作作用） （4.31）标准PIID增量量算式（4-224）中中的微分分项为,改进后的的微分作作用算式式则为 （正正作用） （反作作用） （4.332）3积分分分离PPID算算法积分分离离PIDD算法的的基本思思想是：在偏差差较大时时，暂时时取消积积分作用用；当偏偏差小于于某一设设定值AA时，才才将积分分作用投投入，即即 当|A时时

33、，用PP或PDD控制； 当|A时，用PII或PIID控制制。上式中的的A值需需要适当当选取，A过大大，起不不到积分分分离的的作用；若A过过小，系系统将存存在余差差。4遇限限切除积积分PIID算法法在实际工工业过程程控制中中，控制制变量因因受到执执行机构构机械性性能与物物理性能能的约束束，其输输出和输输出的速速率总是是限制在在一个有有限的范范围内，例如 （绝绝对值）| （速率率） 5. 提提高积分分项积分分的精度度在PIDD控制算算法中，积分项项的作用用是消除除余差。为提高高其积分分项的运运算精度度，可将将前面数数字PIID算式式中积分分的差分分方程取取为，即即用梯形形替代原原来的矩矩形计算算。

34、 三 数字字PIDD参数整整定数字PIID控制制参数的的整定过过程是，首先按按模拟PPID控控制参数数的整定定方法来来选择，然后在在适当调调整，并并考虑采采样周期期对整定定参数的的影响。1稳定定边界法法（临界界比例度度法）选用纯比比例控制制，给定定值r作阶跃跃扰动，从较大大的比例例带开始始，逐渐渐减小，直到被被控变量量出现临临界振荡荡为止，记下临临界周期期Tu和和临界比比例带u。然然后，按按经验公公式计算算Kc、Ti和Td。2动态态特性法法（响应应曲线法法）在系统处处于开环环情况下下，首先先做被控控对象的的阶跃曲曲线，如如图4.10所所示，从从该曲线线上求得得对象的的纯滞后后时间、时间间常数T

35、T和放大大系数KK。然后后在按经经验公式式计算KKc、TTi和Td。图4.10 被控对象阶跃响应曲线 3基于于偏差积积分指标标最小的的整定参参数法由于计算算机的运运算速度度快，这这就为使使用偏差差积分指指标整定定PIDD控制参参数提供供了可能能，常用用以下三三种指标标：(4.333)(4.334)(4.335)4试凑凑法在实际工工程中，常常采采用试凑凑法进行行参数整整定。增大比例例系数KKc一般般将加快快系统的的响应，使系统统的稳定定性变差差。减小积分分时间TTi，将将使系统统的稳定定性变差差，使余余差（静静差）消消除加快快。增大微分分时间TTd，将将使系统统的响应应加快，但对扰扰动有敏敏感的

36、响响应，可可使系统统稳定性性变差。在试凑时时，可参参考上述述参数对对控制过过程的影影响趋势势，对参参数实行行先比例例，后积积分，最最后微分分的整定定步骤。（1）首首先只整整定比例例部分。（2）如如果纯比比例控制制，有较较大的余余差，则则需要加加入积分分作用。（3）若若使用比比例积分分控制，反复调调整仍达达不到满满意的效效果，则则可加入入微分环环节。4.4 常规规控制方方案一 串级级控制系系统当被控系系统中同同时有几几个干扰扰因素影影响同一一个被控控量时，如果仍仍采用单单回路控控制系统统，只控控制其中中一个变变量，将将难以满满足系统统的控制制性能。串级控控制系统统是在原原来单回回路控制制的基础础

37、上，增增加一个个或多个个控制内内回路，用以控控制可能能引起被被控量变变化的其其它因素素，从而而抑制被被控对象象的时滞滞特性，提高系系统动态态响应的的快速性性。一个个通用的的计算机机串级控控制系统统框图如如图4.11所所示。从图中可可以看出出，通用用的串级级系统在在结构上上形成了了两个闭闭环。其其中外面面的闭环环称为主主环或主主回路，用于最最终保证证被调量量满足工工艺要求求；里面面的闭环环称为副副环或副副回路，用于克克服被控控对象所所受到的的主要干干扰。在串级控控制系统统中，主主.副调调节器的的选型很很重要。对于主主调节器器，因为为要减少少稳态误误差，提提高控制制精度，同时使使系统反反应灵敏敏，

38、最终终保证被被控量满满足工艺艺要求，所以一一般宜采采用PIID控制制；对于于副调节节器，在在控制系系统中通通常是承承担着“粗调”的控制制任务，故一般般采用PP或PII即可。在控制如如图4.11所所示的双双回路串串级控制制系统在在每个采采样周期期的计算算顺序为为（设主主调节器器采用PPID，副调节节器采用用PI）：计算算主回路路的偏差差e1(k)e1(kk)=rr1(k)-y11(k) (4.336)计算主回回路PIID控制制器的输输出u11(k) u1(k)=u11(k-1)+u1(k) (44.377) uu1(k)=Kee1ee1(k)-e11(k-1)+kii1e1(k)+kdd1ee1

39、(k)-2ee1(k-1)+e1(k-2) (4.38) 计算副回回路的偏偏差e22(k)e2(kk)=uu1(k)-y22(k) (4.39)计算副回回路PIID控制制器的输输出u22(k) u22(k)= uu2(k-1)+ u2(k) (44.400)u2(kk)=kke2ee2(k)-e22(k-1)+kii2e2(k) (4.441)主参数y1副参数-u1y2一次扰动二次扰动u2D/A执行机构副对象副变送器A/D主变送器e2主参数给定值re1副调节器主调节器A/D主对象图4.111 通用的的计算机机串级控控制系统统示意框框图 串级级控制系系统的控控制方式式有两种种：一种种是异步步采样

40、控控制。另另一种是是同步采采样控制制。 二 前前馈控制制系统 前馈馈控制是是按某个个干扰量量进行控控制器的的设计，一旦测测量到有有干扰，即对它它直接产产生校正正作用，使得它它在影响响到被控控对象之之前已被被抵消。前馈控控制是一一种开环环控制系系统，在在控制算算法与参参数选择择适当的的情况下下，可以以取得很很好的控控制效果果。在实际生生产过程程控制中中，由于于前馈控控制是开开环控制制，且只只能针对对某一特特定的干干扰实施施控制作作用，因因此很少少单独被被采用。通常是是采用前前馈反反馈控制制相结合合的方案案，其典典型结构构如图44.122所示。yufucubr-PIDD/AG(s)Gd(s)Gf(

41、s)A/D扰动d图4.112 典典型的前前馈-反反馈计算算机控制制系统示示意框图图图中的GGf(ss)是前前馈控制制器的传传递函数数，Gdd(s)为对象象干扰通通道的传传递函数数，G(s)是是对象控控制通道道的传递递函数，PIDD为反馈馈控制系系统的控控制器。按照前前馈控制制的原理理，要使使前馈作作用完全全补偿干干扰的影影响，则则应使干干扰引起起的被控控量变化化为零。由此可可推出，前馈控控制器的的传递函函数应为为 （44.422）计算机前前馈-反反馈控制制算法的的流程如如下：(1)计计算反馈馈控制的的偏差ee(k) ee(k)=r(k)-y(kk) （4.43）(2)计计算反馈馈控制器器（PI

42、ID）的的输出uub(kk) ubb(k)= uub(kk-1)+ubb(k) （4.444）(3)计计算前馈馈控制器器Gf(s)的的输出uuf(kk)uf(kk)= uf(k-11)+uff(k) （4.45）(4)计计算前馈馈-反馈馈控制的的输出uuc(kk) uc(k)= ubb(k)+ uuf(kk) （4.446）三 纯滞滞后补偿偿控制系系统在工业过过程控制制中，由由于物料料或能量量的传输输延迟，许多被被控对象象具有纯纯滞后。由于纯纯滞后的的存在，被控量量不能及及时反映映系统所所受到的的干扰影影响，即即使测量量信号已已到达调调节器，执行机机构接受受调节信信号后迅迅速作用用于对象象，也

43、需需要经过过纯滞后后时间以以后才能能影响到到被控量量，使之之发生变变化。在在这样一一个调节节过程中中，必然然会产生生较明显显的超调调或振荡荡以及较较长的调调节时间间。早在200世纪550年代代末，史史密斯(Smiith)就提出出了一种种纯滞后后控制器器，常被被称为史史密斯预预估器或或史密斯斯补偿器器。其基基本思想想是按照照过程的的动态特特性建立立一个模模型加入入到反馈馈控制系系中，使使被延迟迟了的被被控量超超前反映映到调节节器，让让调节器器提前动动作，从从而可明明显地减减少超调调量和加加快调节节过程。图4.13是是史密斯斯预估控控制系统统的示意意框图。Gs(s)-m-dueGc(s)Gp(s)

44、e-sGp(s)e-sryyq图4.113 史密斯斯预估控控制系统统示意框框图史密斯预预估器是是实现这这种控制制方案的的关键。设采样样周期为为T，则则由于纯纯滞后的的存在，信号要要延迟NN(N=/T)个周期期。为此此，要在在内存中中专门设设定N个个单元存存放信号号m(kk)的历历史数据据。实施施时，在在每个采采样周期期，把新新得到的的m(kk)存入入0号单单元，同同时把00号单元元原来存存放的数数据移到到1号单单元，11号单元元原来存存放的数数据移到到2号单单元，依依次类推推，N号号单元里里的内容容即为mm(k)滞后NN个采样样周期后后的信号号qqq=m(k-NN)。(1)计计算反馈馈回路的的

45、偏差ee(k)e(k)=r(k)-(k)= rr(k)-y (k)-(kk) （44.499）(2)计计算控制制器的输输出u(k)u(k)= uu(k-1)+u(kk) （4.550）(3)史史密斯预预估器的的输出=m(kk)- m(kk-N) （4.551）其中m(k)根根据被控控对象的的数学模模型Gpp(s)的差分分形式和和控制器器的输出出u(kk)计算算得到。4.5先先进控制制方案一 预测测控制1. 预预测控制制的概况况预测控制制从19978年年Ricchallet等等人提出出模型预预测启发发式控制制算法（MPHHC）以以来，已已经取得得了很大大的发展展，先后后提出了了模型算算法控制制（

46、MAAC）、动态矩矩阵控制制（DMMC）、广义预预测控制制（GPPC）、广义预预测极点点配置控控制（GGPP）等多种种。预测控制制不是某某一种统统一理论论的产物物，而是是在工业业生产过过程中逐逐渐发展展起来的的，是工工程界和和控制理理论界协协作的产产物。预测控制制的理论论研究工工作已取取得很大大的进展展。但现现有的理理论研究究仍远落落后于工工业应用用实践。目前理理论分析析研究大大多集中中在单变变量、线线性化模模型等基基本算法法上，而而成功的的工业应应用实践践大多是是复杂的的多变量量系统，表明预预测控制制的理论论研究落落后于工工业生产产实际。目前预测测控制研研究的热热点问题题主要有有： = 1

47、* GB3 进一步步开展对对预测控控制的理理论研究究，探讨讨算法中中主要设设计参数数对稳定定性、鲁鲁棒性及及其他控控制性能能的影响响，给出出参数选选择的定定量结果果； = 2 * GB3 研究存存在建模模误差及及干扰时时预测控控制的鲁鲁棒性，并给出出定量分分析结果果； = 3 * GB3 建立高高精度的的信息预预测模型型； = 4 * GB3 研究新新的滚动动优化策策略； = 5 * GB3 建立有有效的反反馈校正正方法； = 6 * GB3 研究非非线性系系统的预预测控制制； = 7 * GB3 加强应应用研究究。2. 预预测控制制的基本本原理总的说来来，预测测控制属属于一种种基于模模型的多

48、多变量控控制算法法，也称称之为模模型预测测控制。预测控控制算法法的种类类虽然多多，但都都具有相相同的三三个要素素预测测模型、滚动优优化和反反馈校正正，这三三个要素素也是预预测控制制区别于于其他控控制方法法的基本本特征，同时也也是预测测控制在在实际工工程应用用中取得得成功的的关键。 = 1 * GB3 预测测模型 = 2 * GB3 滚动动优化 = 3 * GB3 反馈馈校正由概念和和基本特特征，可可以得出出预测控控制的以以下基本本特点： = 1 * roman i) 模模型预测测控制算算法综合合利用过过去、现现代和将将来（模模型预测测）的信信息，而而传统算算法，如如PIDD等，却却只利用用过去

49、和和现在的的信息； = 1 * roman i = 1 * roman i) 对模型型要求低低，现代代控制理理论之所所以在过过程工业业中难以以大规模模应用，重要的的原因之之一是对对模型精精度要求求太高，而预测测控制就就成功的的克服了了这一点点； = 1 * roman i = 1 * roman i = 1 * roman i) 模型型预测控控制算法法用滚动动优化取取代全局局一次优优化，每每个控制制周期不不断进行行优化计计算，不不仅在时时间上满满足了实实时性的的要求，而且突突破了传传统全局局一次优优化的局局限，把把稳态优优化与动动态优化化相结合合； = 4 * roman iv) 用多变变量的

50、控控制思想想取代传传统控制制手段的的单变量量控制。因此在在应用于于多变量量问题时时，预测测控制也也常常称称为多变变量预测测控制； = 5 * roman v) 能能有效处处理约束束问题。在实际际生产中中，往往往希望将将生产过过程的设设定状态态推向设设备及工工艺条件件的边界界上（安安全边界界、设备备能力边边界、工工艺条件件边界等等）运行行，这种种状态常常会产生生使操纵纵变量饱饱和，使使被控变变量超出出约束的的问题。所以能能够处理理约束问问题就成成为使控控制系统统能够长长期、稳稳定、可可靠运行行的关键键技术。各种预测测控制算算法具有有相同的的计算步步骤：在在当前时时刻，基基于过程程的动态态模型预预

51、测未来来一定时时域内每每个采样样周期（或按一一定间隔隔）的过过程输出出，这些些输出为为当前时时刻和未未来一定定时域内内控制量量的函数数。按照照基于反反馈校正正的某个个优化目目标函数数计算当当前及未未来一定定时域的的控制量量大小。为了防防止控制制量剧烈烈变化及及超调，一般在在优化目目标函数数中都考考虑使未未来输出出以一参参考轨迹迹最优的的跟踪期期望设定定值。计计算当前前控制量量后实施施控制。至下一一时刻，根据测测量数据据重新按按上述步步骤计算算控制量量。3. 常常见预测测控制方方案 = 1 * GB3 模型型算法控控制模型算法法控制是是60年年代末在在法国工工业企业业中的锅锅炉和分分馏塔的的控制

52、中中首先得得到应用用。_+_参考轨迹优化计算对象模型预测输出模型算法法控制内内部模型型采用基基于脉冲冲响应模模型，用用过去和和未来的的输入输输出信息息，根据据内模预预测系统统未来的的输出状状态，用用模型输输出误差差反馈校校正后，与参考考输入轨轨迹进行行比较，应用二二次型性性能指标标进行滚滚动优化化，计算算当前时时刻应加加于系统统的控制制动作，完成整整个控制制循环（图4.14）。图4. 14 MMAC系系统原理理简图 = 2 * GB3 广义义预测控控制算法法随着以脉脉冲响应应和阶跃跃响应的的非参数数模型为为基础的的预测控控制算法法的发展展和应用用,19984年年Claarkee提出了了基于参参

53、数模型型的广义义预测控控制（GGPC）。由于于它是在在广义最最小方差差控制的的基础上上,在优优化中引引入多步步预测的的思想，抗负载载扰动、随机噪噪声、时时延变化化等能力力显著提提高，具具有较强强的鲁棒棒性，可可用于有有纯时延延、开环环不稳定定的非最最小相位位系统,又由于于采用传传统的数数学模型型,参数数数目较较少,对对于过程程参数慢慢时变的的系统,易于在在线估计计参数,实现自自适应控控制。二 专家家系统1. 专专家系统统概述人工智能能科学家家一直在在致力于于研制某某种意义义上讲能能够思维维的计算算机软件件，用以以“智能化化”的处理理、解决决实际问问题。660年代代，科学学家们企企图通过过找到解

54、解决多种种不同类类型问题题的通用用方法来来模拟思思维的复复杂过程程，并将将这些方方法用于于通过目目的的程程序中。19655年，SStannforrd大学学开始建建立用于于分析化化合物内内部结构构的DEENTRRAL系系统，首首先使用用了“专家系系统”的概念念。70年代代末，该该校又研研制成功功了著名名的医疗疗诊断系系统MYYCIMM和用于于矿藏勘勘探的PPROSSPECCTORR系统，推动了了专家系系统的开开发研究究和应用用。80年代代，专家家系统的的开发研研究进入入了高潮潮，应用用范围涉涉及到工工业、农农业、国国防、教教育及教教学、物物理等许许多领域域并逐步步进行控控制界。在控制制系统辅辅助

55、设计计，故障障诊断和和系统控控制等方方面得到到了推广广应用。专家系系统的研研究发展展，促进进了人工工智能科科学的进进步，也也使专家家系统本本身成为为人工智智能科学学的一个个重要分分支领域域。专家系统统的应用用范围很很广，就就其功能能而言，可以分分为以下下几个方方面（见见表4.3）。表4.33专家系系统应用用分类功能分类类 应用诊断：根根据给定定情况，确定问问题所在在 疾病病诊断，设备或或系统故故障诊断断等预报：根根据已知知条件，推断、预报系系统 气象预预报，运运输量、粮食产产量测算算，军可能的行行为 事预报报等设计规划划：设计计满足约约束条件件的求解解方 电路、建筑、机械系系统设计计、科研研、

56、财 案 务预预算、作作战方案案拟定等等教学：诊诊断、调调整、指指导学生生的行为为 诊断断学习中中的问题题，提出出改革方方案解释：对对观测信信息进行行解释，推出结结论 信号解解释、图图像分析析、语言言理解控制：监监控系统统整体行行为 电电站监控控、航空空交通管管理、工工业生产产控制、疫情情控制专家系统统是具有有大量专专门知识识和经验验的，用用以解决决专门领领域特定定问题的的计算机机程序系系统。专家系统统与人类类专家相相比，又又有不同同之处。专家具具有理解解能力，具有创创造性和和适应性性，可以以灵活地地分解、运用常常用的规规则，重重新组织织问题，以便使使问题易易于解决决；专家家具有广广泛的、有价值值的知识识背景，往往通通过直觉觉和经验验解决