《数字滤波 数据处理与控制策略62574.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字滤波 数据处理与控制策略62574.docx（32页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、计算机控制技术第4章 数据处理与控制策略l 本章的教学目的与要求掌握各种数数字滤波波的原理理、特点点及使用用场合，数数控技术术、数字字PIDD及常规规控制系系统，了了解先进进控制系系统。l 授课主要内内容l 数字滤波和和数据处处理l 数控技术l 数字PIDDl 常规控制系系统l 先进控制系系统l 主要外语词词汇Digittal Fillterr:数字字滤波，Numerical Control（NC）：数字控制，Compuuterrizeed NNumeericcal Conntrool(CCNC):计算算机数字字控制l 重点、难点点及对学学生的要要求说明：带“*”表示要要掌握的的重点内内容，带
2、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“”表示示难点内内容，无无任何符符号的表表示要求求自学的的内容l 常用的数字字滤波的的原理、特特点及使使用场合合*l 常用的数据据处理方方法*l 数字PIDD及改进进算法*l 常规控制方方法*l 先进控制方方法*l 辅助教学情情况多媒体教学学课件（PPOWEERPOOINTT）l 复习思考题题l 常用的数字字滤波的的原理、特特点及使使用场合合l 常用的数据据处理方方法l 数字PIDD及改进进算法l 常规控制方方法l 先进控制方方法l 参考资料刘川来，胡胡乃平，计计算机控控制技术术，青岛岛科技大大学讲义义31计算机系统统的抗干
3、干扰不可可能完全全依靠硬硬件解决决，一般般需要进进行数字字滤波。另另外在计计算机控控制系统统中，根根据实际际需要经经常会用用到数据据处理技技术对数数据进行行预处理理。数控技术和和数控装装备是制制造工业业现代化化的重要要基础。这这个基础础是否牢牢固直接接影响到到一个国国家的经经济发展展和综合合国力，关关系到一一个国家家的战略略地位。计算机控制制系统中中的控制制策略是是指基于于控制理理论，在在被控对对象数学学模型或或操作人人员的先先验知识识基础上上设计并并用计算算机软件件实现的的数字控控制器或或某种控控制算法法。4.1 数数字滤波波和数据据处理数字滤波是是指在计计算机中中利用某某种计算算方法对对原
4、始输输入数据据进行数数学处理理，去掉掉原始数数据中掺掺杂的噪噪声数据据，提高高信号的的真实性性，获得得最具有有代表性性的数据据集合。通过数字滤滤波得到到比较真真实的被被测参数数，有时时不能直直接使用用，还需需要做某某些处理理。一 数字滤滤波我们这里所所说的数数字滤波波技术是是指在软软件中对对采集到到的数据据进行消消除干扰扰的处理理。采用数字滤滤波优点点一是不不需要增增加硬件件设备，只只需在计计算机得得到采样样数据之之后，执执行一段段根据预预定滤波波算法编编制的程程序即可可达到滤滤波的目目的；优优点二是是数字滤滤波稳定定性好，一一种滤波波程序可可以反复复调用，使使用方便便灵活。1. 平均均值滤波
5、波法（1）算术术平均值值滤波对于一点数数据连续续采样多多次，计计算其算算术平均均值，以以其平均均值作为为该点采采样结果果。这种种方法可可以减少少系统的的随机干干扰对采采集结果果的影响响。实质质是对采采样数据据y(ii)的mm次测量量值进行行算术平平均，作作为时刻刻kT的的有效输输出采样样值，即即 （44.1）m值决定了了信号平平滑度和和灵敏度度。为提高运算算速度，可可以利用用上次运运算结果果，通过过递推平平均滤波波算式 （44.2）得到当前采采样时刻刻的递推推平均值值。算术平均值值滤波和和加权平平均值滤滤波主要要用于对对压力、流流量等周周期性的的采样值值进行平平滑加工工，但对对偶然出出现的脉脉
6、冲性干干扰的平平滑作用用尚不理理想，因因而不适适用于脉脉冲性干干扰比较较严重的的场合。（2）加权权平均值值滤波由（4-11）式可可以看出出，算术术平均值值滤波法法对每次次采样值值给出相相同的加加权系数数，即11/m，实实际上有有些场合合需要增增加新采采样值在在平均值值中的比比重，这这时可采采用加权权平均值值滤波法法，其算算式为 （44.3）这种滤波方方法可以以根据需需要突出出信号的的某一部部分，抑抑制信号号的另一一部分。适适用于纯纯滞后较较大、采采样周期期短的过过程。2. 中值值滤波法法所谓中值滤滤波是对对某一参参数连续续采样nn次，然然后把nn次的采采样值从从小到大大或从大大到小排排队，再再
7、取中间间值作为为本次采采样值。中值滤波对对于去掉掉由于偶偶然因素素引起的的波动或或采样器器不稳定定造成的的误差所所引起的的脉动干干扰比较较有效。若若变量变变化比较较慢，则则采用中中值滤波波效果比比较好，但但对快速速变化的的参数不不宜采用用。如果将平均均值滤波波和中值值滤波结结合起来来使用，滤滤波效果果会更好好。3. 惯性性滤波法法前面几种方方法基本本上属于于静态滤滤波，主主要适用用于变化化过程比比较快的的参数，如如压力、流流量等。对对于慢速速随机变变量，则则采用短短时间内内连续采采样取平平均值的的方法，其其滤波效效果不够够理想。为提高滤波波效果，可可以仿照照模拟系系统RCC低通滤滤波器的的方法
8、，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RC低低通滤波波器的动动态方程程为 （44.4）式（4-44）离散散化可得得低通滤滤波算法法为 （44.5）该种滤波方方法模拟拟了具有有较大惯惯性得低低通滤波波功能，主主要适用用于高频频和低频频的干扰扰信号。4. 程序序判断滤滤波程序判断滤滤波的方方法，是是根据生生产经验验，确定定两次采采样输入入信号可可能出现现的最大大偏差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，应应该去掉掉；如小小于此偏偏差值，则则可以将将信号作作为本次次采样值值。程序判断滤滤波一般般
9、分两种种：（1）限幅幅滤波（2）限速速滤波数据采集所所采用的的检测技技术不同同，检测测对象不不同，数数据的采采集频率率、信噪噪比不同同，各种种数字化化滤波算算法各有有优缺点点，所以以我们在在实际应应用中要要根据情情况将其其有机的的结合起起来，为为数据处处理选择择一种最最优的滤滤波算法法，保证证数据准准确、快快速的反反应被检检测对象象的实际际，为生生产管理理提供有有效的数数据。二 数据处处理1. 线性性化处理理计算机从模模拟量输输入通道道得到的的检测信信号与该该信号所所代表的的物理量量之间不不一定成成线性关关系。而而在计算算机内部部参与运运算与控控制的二二进制数数希望与与被测参参数之间间成线性性
10、关系，其其目的既既便于运运算又便便于数字字显示，因因此还须须对数据据做线性性化处理理。在常规自动动化仪表表中，常常引入“线性化化器”来补偿偿其他环环节的非非线性，如如二极管管阵列、运运算放大大器等，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。在在计算机机数据处处理系统统中，用用计算机机进行非非线性补补偿，方方法灵活活，精度度高。常常用的补补偿方法法有计算算法、插插值法、折折线法。（1）计算算法当参数间的的非线性性关系可可以用数数学方程程来表示示时，计计算机可可按公式式进行计计算，完完成非线线性补偿偿。在过过程控制制中最常常见的两两个非线线性关系系是差压压与流量量、温度度与热电电势
11、。用孔板测量量气体或或液体流流量，差差压变送送器输出出的孔板板差压信信号P，同同实际流流量F之之间呈平平方根关关系，即即 （44.8）式中k是流流量系数数。用数数值分析析方法计计算平方方根，可可采用牛牛顿迭代代法，设设（x0），则则 （44.9）热点偶的热热电势同同所测温温度之间间也是非非线性关关系。例例如，镍镍铬-镍镍铝热点点偶在440010000范围内内，可按按下式求求温度 （44.100）式中E为热热电势mV，T为为温度。（4.100）式可可以写成成 （44.111）可用上式将将非线性性化的关关系分成成多个线线性化的的式子来来实现。（2）插值值法计算机非线线性处理理应用最最多的方方法就是
12、是插值法法。其实实质是找找出一种种简单的的、便于于计算处处理的近近似表达达式代替替非线性性参数。用用这种方方法得到到的公式式叫做插插值公式式。常用用的插值值公式有有多项式式插值公公式、拉拉格朗日日插值公公式、线线性插值值公式等等（3）折线线法上述两种方方法都可可能会带带来大量量运算，对对于小型型工控机机来说，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。线性化过程程是：首首先判断断测量数数据处于于哪一折折线段内内，然后后按相应应段的线线性化公公式计算算出线性性值。折折线段的的分法并并不是惟惟一的，可可以视具具体情况况和要求求来定。当当然，折折线段
13、数数越多，线线性化精精度越高高，软件件的开销销也就相相应增加加。2. 校正运算有时来自被被控对象象的某些些检测信信号与真真实值有有偏差，这这时需要要对这些些检测信信号进行行补偿，力力求补偿偿后的检检测值能能反映真真实情况况。3. 标度变换在计算机控控制系统统中，生生产中的的各个参参数都有有不同的的数值和和量纲，这这些参数数都经过过变送器器转换成成A/DD转换器器能接收收的05V电电压信号号，又由由A/DD转换成成00FFHH（8位位）的数数字量，它它们不在在是带量量纲的参参数值，而而是仅代代表参数数值的相相对大小小。为方便操作作人员操操作以及及满足一一些运算算、显示示和打印印的要求求，必须须把
14、这些些数字量量转换成成带有量量纲的数数值，这这就是所所谓的标标度变换换。 （11）线性性参数标标度变换换所谓线性参参数，指指一次仪仪表测量量值与AA/D转转换结果果具有线线性关系系，或者者说一次次仪表是是线性刻刻度的。其其标度变变换公式式为： （4.15）式中，A00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为仪表下限对应的数字量，Nm为仪表上限对应的数字量，Nx为测量值所对应的数字量。其中A0，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，不不同的参参数有不不同的值值。为使使程序简简单，一一般把被被测参数数的起点点A
15、0（输入入信号为为0）所所对应的的A/DD输出值值为0，即即N00，这这样式（44.155）可化化为： （44.166）有时，工程程量的实实际值还还需经过过一次变变换，如如电压测测量值是是电压互互感器的的二次测测的电压压，则其其一次测测的电压压还有一一个互感感器的变变比问题题，这时时上式应应再乘上上一个比比例系数数： （44.177） （22）非线线性参数数标度变变换在过程控制制中，最最常见的的非线性性关系是是差压变变送器信信号P与流流量F的的关系（见见式（44.8），据据此，可可得测量量流量时时的标度度变换式式为： 即 （44-188）式中G0为为流量仪仪表下限限值，GGm为流量量仪表上上限
16、值，Gx为被测量的流量值，N0为差压变送器下限所对应的数字量，Nm为差压变送器上限所对应的数字量，Nx为差压变送器所测得的差压值（数字量）。4. 越限限报警处处理在计算机控控制系统统中，为为了安全全生产，对对于一些些重要的的参数或或系统部部位，都都设有上上、下限限检查及及报警系系统，以以便提醒醒操作人人员注意意或采取取相应的的措施。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、数数字滤波波、标度度变换之之后，与与该参数数上、下下限给定定值进行行比较。如如果高于于(或低低于)上上限(或或下限)，则进进行报警警，否则则就作为为采样的的正常值值，以便便进行显显示和控控制。报警系统
17、一一般为声声光报警警信号，灯灯光多采采用发光光二极管管(LEED)或或白炽灯灯光等，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)。报警程序的的设计方方法主要要有两种种。一种种是全软软件报警警程序。另另一种是是直接报报警程序序。5. 死区区处理从工业现场场采集到到的信号号往往会会在一定定的范围围内不断断的波动动，或者者说有频频率较高高、能量量不大的的干扰叠叠加在信信号上，这这种情况况往往出出现在应应用工控控板卡的的场合，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，难难以稳定定。这种种情况可可以采
18、取取死区处处理，把把不停波波动的值值进行死死区处理理，只有有当变化化超出某某值时才才认为该该值发生生了变化化。比如如编程时时可以先先对数据据除以110，然然后取整整，去掉掉波动项项。4.2 数数控技术术基础数控技术和和数控设设备是制制造工业业现代化化的重要要基础。这这个基础础是否牢牢固直接接影响到到一个国国家的经经济发展展和综合合国力，关关系到一一个国家家的战略略地位。因因此，世世界上各各工业发发达国家家均采取取重大措措施来发发展自己己的数控控技术及及其产业业。一 概述数字控制是是近代发发展起来来的一种种自动控控制技术术，国家家标准（GGB 88129987）定定义为“用数字字化信号号对机床床
19、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，CCNC）。数控机床是是一种典典型的数数控设备备，由于于数控技技术是与与机床控控制密切切结合发发展起来来的，因因此以往往讲数控控即指机机床数控控。世界上第一一台数控控机床是是19552年美美国麻省省理工学学院（MMIT）伺伺服机构构实验室室开发出出来，当当时的主主要动机机是为了了满足高高精度和和高效率率加工复复杂零件
20、件的需要要。数控设备中中的构成成如图44.1所所示。图图中CNNC是数数控设备备的核心心，它的的功能是是接受输输入的控控制信息息，完成成数控计计算、逻逻辑判断断、输入入输出控控制等功功能。被被控对象象可以是是机床、雕雕刻机、焊焊接机、机机械手、绘绘图仪、套套色印刷刷机械、包包装机械械等。CCNC通通过输入入通道获获得被控控对象的的各种反反馈信息息。饲服系统机电接口输入通道被控对象CNC图4.1 数控设设备的组组成二 数控原原理 首首先分析析图4.2所示示的平面面曲形图图形，如如何用计计算机在在绘图仪仪或数控控加工机机床上重重现，以以此来简简要说明明数字控控制的基基本原理理。1. 将图图4.22
21、所示的的曲线分分割成若若干段，可可以是直直线段，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、bb、c、dd四点坐坐标记下下来并送送给计算算机。图图形分割割的原则则应保证证线段所所连的曲曲线(或或折线)与原图图形的误误差在允允许范围围之内。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4.2曲曲线分段段 图图4.33用折线线逼近直直线段2. 当给给定a、bb、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。插插补计算算的宗旨旨是通过过给定的的
22、基点坐坐标，以以一定的的速度连连续定出出一系列列中间点点，而这这些中间间点的坐坐标值是是以一定定的精度度逼近给给定的线线段。从从理论上上讲，插插补的形形式可用用任意函函数形式式，但为为了简化化插补运运算过程程和加快快插补速速度，常常用的是是直线插插补和二二次曲线线插补两两种形式式。所谓谓直线插插补是指指在给定定的两个个基点之之间用一一条近似似直线来来逼近，也也就是由由此定出出中间点点连接起起来的折折线近似似于一条条直线，而而并不是是真正的的直线。所所谓二次次曲线插插补是指指在给定定的两个个基点之之间用一一条近似似曲线来来逼近，也也就是实实际的中中间点连连线是一一条近似似于曲线线的折线线弧。常常
23、用的二二次曲线线有圆弧弧、抛物物线和双双曲线等等。对图图4.22所示的的曲线来来说，显显然abb和bcc段用直直接插补补，cdd段用圆圆弧插补补是合理理的。 33. 把把插补运运算过程程中定出出的各中中间点，以以脉冲信信号形式式去控制制x、yy方向上上的步进进电机，带带动绘图图笔、刀刀具等，从从而绘出出图形或或加工出出所要求求的轮廓廓来。这这里的每每一个脉脉冲信号号代表步步进电机机走一步步，即绘绘图笔或或刀具在在x或yy方向移移动一个个位置。我我们把对对应于每每个脉冲冲移动的的相对位位置称为为脉冲当当量，又又称为步步长，常常用如x和y来表表示，并并且总是是取x=y。 插补运算就就是如何何分配x
24、x和y方方向上的的脉冲数数，使实实际的中中间点轨轨迹尽可可能地逼逼近理想想轨迹。实实际的中中间点连连接线是是一条由由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，眼眼睛分辨辨不出来来，看起起来似乎乎和直线线一样而而已。显显然，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“”代表表x和y的长长度。 三 数控系系统分类类1. 按控控制方式式分类（1）点位位控制数数控系统统（2）直线线控制数数控系统统（3）轮廓廓控制数数控系统统 上上述三种种控制方方式中以以点位控控制最简简单，因因为它的的运动轨轨迹没有有特殊要要求，运运动时又又不加工工，所以以它的控控制电
25、路路只要具具有记忆忆（记下下刀具应应走的移移动量和和已走过过的移动动量）和和比较（将将所记忆忆的两个个移动量量进行比比较，当当两个数数值的差差为零时时，刀具具立即停停止）的的功能即即可，根根本不需需要插补补运算。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，所所以控制制电路复复杂，且且需要进进行一系系列的插插补计算算和判断断。2. 按系系统结构构分类（1）开环环数控系系统指令步进电机驱动电路工作台步进电机图4.4 开环数数控系统统结构图图（2）全闭闭环数控控系统速度反馈位置比较电路工作台速度控制电路指令
26、步进电机位置反馈图4.5 全闭环环数控系系统结构构图（3）半闭闭环数控控系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4.6 半闭环环数控系系统结构构图4.3 数数字PIID控制制算法一 标准数数字PIID控制制算法在模拟控制制系统中中，按给给定值与与测量值值的偏差差e进行行控制的的PIDD控制器器是一种种线性调调节器，其其PIDD表达式式如下 （44.211）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，为偏差时的调节器输出，常称之为稳态工作点。要实现式（44.211）所示示的PIID控制制规律，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
27、采样样时刻时时，通过过下述差差分方程程 ， 可得到式（44.211）的数数字算式式为 （44.222A）或写成 （44.222B）式（4.222A）和（4.22B）给出的是执行机构在采样时刻的位置或控制阀门的开度，所以被称为位置型PID算法。在工业过程程控制中中常采用用另一种种被称为为增量型型PIDD控制算算法的算算式。采采用这种种控制算算法得到到的计算算机输出出是执行行机构的的增量值值，其表表达式为为 （44.233）或写为 （44.244）可见，除当当前偏差差值e(k)外，采采用增量量式PIID算法法只需保保留前两两个采样样周期的的偏差，即即e(k-1)，在程程序中简简单地采采用平移移法即
28、可可保存，免免去了保保存所有有偏差的的麻烦。增增量PIID算法法的优点点是编程程简单，数数据可以以递推使使用，占占用内存存少，运运算快。更更进一步步，为了了编程方方便起见见，式（44.244）还可可写成 （44.255）由增量PIID算法法得到采采样时刻刻计算机机的实际际输出控控制量为为 （4.26）二 数字PPID控控制算法法的改进进1. 实际际微分PPID控控制算法法PID控制制中，微微分的作作用是扩扩大稳定定域，改改善动态态性能，近近似地补补偿被控控对象的的一个极极点。从前面的推推导可知知，标准准的模拟拟PIDD算式（4-21）与数字PID算式（4-22）式（4-25）中的微分作用是理想
29、的，故它们被称为是理想微分的PID算法。而模拟调节器由于反馈电路硬件的限制，实际上实现的是带一阶滞后环节的微分作用。计算机控制虽可方便地实现理想微分的差分形式，但实际表明，理想微分的PID控制效果并不理想。在计算机控控制系统统中，常常常是采采用类似似模拟调调节器的的微分作作用，称称为实际际微分作作用。图图4.77是标准准PIDD控制算算法与实实际微分分PIDD控制算算法在单单位阶跃跃输入时时，输出出的控制制作用。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 8KT微比 例 项(a) 理理想微分分PIDD (b) 实际微微分PIID
30、图4.7 数字PPID控控制算法法的单位位阶跃响响应示意意图从图中可以以看出，理理想微分分作用只只能维持持一个采采样周期期，且作作用很强强，当偏偏差较大大时，受受工业执执行机构构限制，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。另另一方面面，由于于实际微微分PIID控制制算法中中的一阶阶惯性环环节，使使得它具具有一定定的数字字滤波能能力，因因此，抗抗干扰能能力也较较强。理想PIDD与实际际微分PPID算算式的区区别主要要在于后后者比前前者多了了个一阶阶惯性环环节，如如图4.8所示示。理想PID
31、 图4.8 实际微微分PIID控制制算法示示意框图图图中 （4.27） 所以 （4.28）将式（4.28）离离散化，可可得实际际微分位位置型控控制算式式 （44.299）式中 其增量型控控制算式式为 （4-30）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微分先先行PIID控制制算法当控制系统统的给定定值发生生阶跃变变化时，微微分动作作将使控控制量大大幅度变变化，这这样不利利于生产产的稳定定操作。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，可可采用如如图4.9所示示的方案案。这种方案的的特点是是只对测测量值（被被控量）进
32、进行微分分，而不不对偏差差微分，也也即对给给定值无无微分作作用。这这种方案案称之为为“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 （正正作用） （反反作用） （4.31）标准PIDD增量算算式（44-244）中的的微分项项为,改进后的微微分作用用算式则则为 （正作作用） （反作用用） （44.322）3积分分分离PIID算法法积分分离PPID算算法的基基本思想想是：在在偏差较较大时，暂暂时取消消积分作作用；当当偏差小小于某一一设定值值A时，才才将积分分作用投投入，即即 当当|A时，用用P或PPD控制制； 当当|A时，用用PI或或PIDD控制。上式
33、中的AA值需要要适当选选取，AA过大，起起不到积积分分离离的作用用；若AA过小，系系统将存存在余差差。4遇限切切除积分分PIDD算法在实际工业业过程控控制中，控控制变量量因受到到执行机机构机械械性能与与物理性性能的约约束，其其输出和和输出的的速率总总是限制制在一个个有限的的范围内内，例如如 （绝对对值）| （速速率） 5. 提高高积分项项积分的的精度在PID控控制算法法中，积积分项的的作用是是消除余余差。为为提高其其积分项项的运算算精度，可可将前面面数字PPID算算式中积积分的差差分方程程取为，即即用梯形形替代原原来的矩矩形计算算。 三 数字PPID参参数整定定数字PIDD控制参参数的整整定过
34、程程是，首首先按模模拟PIID控制制参数的的整定方方法来选选择，然然后在适适当调整整，并考考虑采样样周期对对整定参参数的影影响。1稳定边边界法（临临界比例例度法）选用纯比例例控制，给给定值rr作阶跃跃扰动，从从较大的的比例带带开始，逐逐渐减小小，直到到被控变变量出现现临界振振荡为止止，记下下临界周周期Tuu和临界界比例带带u。然然后，按按经验公公式计算算Kc、Ti和Td。2动态特特性法（响响应曲线线法）在系统处于于开环情情况下，首首先做被被控对象象的阶跃跃曲线，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TT和放大大系数KK。然后后在按经经验公式式计算KKc、TT
35、i和Td。图4.10 被控对象阶跃响应曲线 3基于偏偏差积分分指标最最小的整整定参数数法由于计算机机的运算算速度快快，这就就为使用用偏差积积分指标标整定PPID控控制参数数提供了了可能，常常用以下下三种指指标：(4.333)(4.344)(4.355)4试凑法法在实际工程程中，常常常采用用试凑法法进行参参数整定定。增大比例系系数Kcc一般将将加快系系统的响响应，使使系统的的稳定性性变差。减小积分时时间Tii，将使使系统的的稳定性性变差，使使余差（静静差）消消除加快快。增大微分时时间Tdd，将使使系统的的响应加加快，但但对扰动动有敏感感的响应应，可使使系统稳稳定性变变差。在试凑时，可可参考上上述
36、参数数对控制制过程的的影响趋趋势，对对参数实实行先比比例，后后积分，最最后微分分的整定定步骤。（1）首先先只整定定比例部部分。（2）如果果纯比例例控制，有有较大的的余差，则则需要加加入积分分作用。（3）若使使用比例例积分控控制，反反复调整整仍达不不到满意意的效果果，则可可加入微微分环节节。4.4 常规控控制方案案一 串级控控制系统统当被控系统统中同时时有几个个干扰因因素影响响同一个个被控量量时，如如果仍采采用单回回路控制制系统，只只控制其其中一个个变量，将将难以满满足系统统的控制制性能。串串级控制制系统是是在原来来单回路路控制的的基础上上，增加加一个或或多个控控制内回回路，用用以控制制可能引引
37、起被控控量变化化的其它它因素，从从而抑制制被控对对象的时时滞特性性，提高高系统动动态响应应的快速速性。一一个通用用的计算算机串级级控制系系统框图图如图44.111所示。从图中可以以看出，通通用的串串级系统统在结构构上形成成了两个个闭环。其其中外面面的闭环环称为主主环或主主回路，用用于最终终保证被被调量满满足工艺艺要求；里面的的闭环称称为副环环或副回回路，用用于克服服被控对对象所受受到的主主要干扰扰。在串级控制制系统中中，主.副调节节器的选选型很重重要。对对于主调调节器，因因为要减减少稳态态误差，提提高控制制精度，同同时使系系统反应应灵敏，最最终保证证被控量量满足工工艺要求求，所以以一般宜宜采用
38、PPID控控制；对对于副调调节器，在在控制系系统中通通常是承承担着“粗调”的控制制任务，故故一般采采用P或或PI即即可。在控制如图图4.111所示示的双回回路串级级控制系系统在每每个采样样周期的的计算顺顺序为（设设主调节节器采用用PIDD，副调调节器采采用PII）：计计算主回回路的偏偏差e11(k)e1(k)=r11(k)-y11(k) (4.336)计算主回路路PIDD控制器器的输出出u1(k) uu1(k)=u11(k-1)+u1(k) (44.377) uu1(k)=Kee1ee1(k)-e11(k-1)+kii1e1(k)+kdd1ee1(k)-2ee1(k-1)+e1(k-2) (4
39、.38) 计算副回路路的偏差差e2(k)e2(k)=u11(k)-y22(k) (4.39)计算副回路路PIDD控制器器的输出出u2(k) u2(k)= u22(k-1)+ u2(k) (44.400)u2(k)=kee2ee2(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 通通用的计计算机串串级控制制系统示示意框图图 串级控控制系统统的控制制方式有有两种：一种是是异步采采样控制制。另一一种是同同步采样样控制。 二 前馈馈控制系系统
40、 前馈控控制是按按某个干干扰量进进行控制制器的设设计，一一旦测量量到有干干扰，即即对它直直接产生生校正作作用，使使得它在在影响到到被控对对象之前前已被抵抵消。前前馈控制制是一种种开环控控制系统统，在控控制算法法与参数数选择适适当的情情况下，可可以取得得很好的的控制效效果。在实际生产产过程控控制中，由由于前馈馈控制是是开环控控制，且且只能针针对某一一特定的的干扰实实施控制制作用，因因此很少少单独被被采用。通通常是采采用前馈馈反馈馈控制相相结合的的方案，其其典型结结构如图图4.112所示示。yufucubr-PIDD/AG(s)Gd(s)Gf(s)A/D扰动d图4.122 典型型的前馈馈-反馈馈计算机机控制系系统示意意框图图中的Gff(s)是前馈馈控制器器的传递递函数，GGd(ss)为对对象干扰扰通道的的传递函函数，GG(s)是对象象控制通通道的传传递函数数，PIID为反反馈控制制系统的的控制器器。按照照前馈控控制的原原理，要要使前馈馈作用完完全补偿偿干扰的的影响，则则应使干干扰引起起的被控控量变化化为零。由由此可推推出，前前馈控制制器的传传递函数数应为 （4.42）计算机前馈馈-反馈馈控制算算法的流流程如下下：(1)计算算反馈控控制的偏偏差e(k)