第5章數(shù)據(jù)處理與控制策略研究報(bào)告

第5章

數(shù)據(jù)處理與控制策略DataProcessing&ControlStrategy2/14/20251計(jì)算機(jī)控制技術(shù)數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字PID控制算法常規(guī)控制方案先進(jìn)控制方案本章主要內(nèi)容2/14/20252計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.1數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)

DesigntechnologyOfDigitalontroler2/14/20253計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是指在給定系統(tǒng)性能指標(biāo)的條件下，設(shè)計(jì)出控制器的控制規(guī)律和相應(yīng)的數(shù)字控制算法

大多數(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由處理數(shù)字信號(hào)的過(guò)程控制計(jì)算機(jī)和連續(xù)的被控過(guò)程組成的數(shù)字信號(hào)與連續(xù)信號(hào)并存的“混合系統(tǒng)”

數(shù)字控制器的分析和設(shè)計(jì)方法數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)2/14/20254計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.1.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)步驟

設(shè)計(jì)假想的連續(xù)控制器選擇采樣周期T將D(s)離散化為D(z)設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制算法校驗(yàn)2/14/20256計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.1.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)(1)設(shè)計(jì)假想的連續(xù)控制器

采用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法(如頻率特性法、根軌跡法等)設(shè)計(jì)出假想的連續(xù)控制器D(s)

。D(s)G(s)y(t)e(t)r(t)+-u(t)2/14/20257計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.1.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)(2)選擇采樣周期T采樣定理：采樣周期T≤π/ωmax由于被控對(duì)象的物理過(guò)程及參數(shù)的變化比較復(fù)雜，致使模擬信號(hào)的最高角頻率ωmax很難確定。采樣定理僅從理論上給出了采樣周期的上限，實(shí)際采樣周期的選擇要受到多方面因素的制約,如：

系統(tǒng)控制品質(zhì)的要求、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性、控制系統(tǒng)抗干擾和快速響應(yīng)的要求、計(jì)算工作量、計(jì)算機(jī)的成本、控制對(duì)象的時(shí)間常數(shù)Tp和純滯后時(shí)間τ

2/14/20258計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.1.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)(3)將D(s)離散化為D(z)常用連續(xù)系統(tǒng)離散化的方法：雙線性變換法后向差分法前向差分法沖擊響應(yīng)不變法零極點(diǎn)匹配法零階保持法

2/14/20259計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為了由D(s)求解D(z)，由上式得且有(5.3)式(5.3)就是利用雙線性變換法由D(s)求取D(z)的計(jì)算公式。,利用級(jí)數(shù)展開(kāi)可得雙線性變換或塔斯廷(Tustin)近似

雙線性變換法:2/14/202510計(jì)算機(jī)控制技術(shù)前向差分法:利用級(jí)數(shù)展開(kāi)可將，寫(xiě)成以下形式上式稱(chēng)為前向差分法或歐拉法的計(jì)算公式。為了由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)的計(jì)算公式且有2/14/202511計(jì)算機(jī)控制技術(shù)后向差分法:利用級(jí)數(shù)展開(kāi)可將，寫(xiě)成以下形式為了由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)的計(jì)算公式且有2/14/202512計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.1.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)(4)設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制算法設(shè)數(shù)字控制器D(z)的一般形式為上式可改寫(xiě)為上式用時(shí)域表示為利用上式即可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程，因此上式稱(chēng)為數(shù)字控制器D(z)的控制算法。

2/14/202513計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.1.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)(5)校驗(yàn)控制器D(z)設(shè)計(jì)完成并求出控制算法后，需要檢驗(yàn)其閉環(huán)特性是否符合設(shè)計(jì)要求，可采用數(shù)字仿真來(lái)驗(yàn)證，若滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)結(jié)束，否則應(yīng)修改設(shè)計(jì)。

2/14/202514計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.1.2數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)概述數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)，立足于連續(xù)控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)，然后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)字模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該方法在被控對(duì)象的特性不太清楚時(shí)，可充分利用成熟的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，并把它移植到計(jì)算機(jī)上予以實(shí)現(xiàn)由于控制任務(wù)需要，當(dāng)所選擇的采樣周期比較大或?qū)刂瀑|(zhì)量要求比較高時(shí)，必須從被控對(duì)象的特性出發(fā)，直接根據(jù)計(jì)算機(jī)控制理論(采樣控制理論)來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，這類(lèi)方法稱(chēng)為離散化設(shè)計(jì)方法

離散化設(shè)計(jì)技術(shù)比連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)更具有一般意義，它完全是根據(jù)采樣控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析和綜合，并導(dǎo)出相應(yīng)的控制規(guī)律和算法2/14/202515計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.1.2數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題下圖中，Gc(s)是被控對(duì)象的連續(xù)傳遞函數(shù)，D(z)是數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)，H(s)是零階保持器的傳遞函數(shù)，T是采樣周期)。-r(t)y(t)u(t)u(k)e(t)e(k)+D(z)H(s)TTGc(s)2/14/202516計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.1.2數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題定義廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)為可得上頁(yè)圖對(duì)應(yīng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為由上式求得(5.12)(5.13)(5.14)若已知Gc(s)且可根據(jù)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)要求構(gòu)造Φ(z)，則可由式(5.12)和式(5.14)求得D(z)

2/14/202517計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.1.2數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)步驟

根據(jù)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)要求和其他約束條件，確定所需閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)Φ(z)；根據(jù)式(5.12)求廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)；根據(jù)式(5.14)求數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)；根據(jù)D(z)求取控制算法的遞推計(jì)算公式2/14/202518計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.1.2數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)由G(z)求取控制算法可按以下方法實(shí)現(xiàn)：設(shè)數(shù)字控制器G(z)的一般形式為數(shù)字控制器的輸出U(z)為因此，數(shù)字控制器D(z)的計(jì)算機(jī)控制算法為按照式上式就可編寫(xiě)出控制算法程序。2/14/202519計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.1數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)不管是按連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是按離散系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),都可采用基于經(jīng)典控制理論的常規(guī)控制策略或基于現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)控制策略，采用哪種控制策略往往與被控對(duì)象的過(guò)程特點(diǎn)、得到的數(shù)學(xué)模型以及對(duì)系統(tǒng)的控制精度要求有關(guān)，與采用哪種方法無(wú)直接關(guān)系。

2/14/202520計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾波數(shù)字處理DataFilteringandDataProcessing2/14/202521計(jì)算機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行數(shù)字濾波和處理的必要性存在外部干擾采樣系統(tǒng)多次轉(zhuǎn)換信號(hào)會(huì)摻雜噪聲直接測(cè)得數(shù)據(jù)可能不可用數(shù)字濾波在計(jì)算機(jī)中利用某種計(jì)算方法對(duì)原始輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，去掉原始數(shù)據(jù)中摻雜的噪聲數(shù)據(jù)，提高信號(hào)的真實(shí)性，獲得最具有代表性的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)處理通過(guò)數(shù)字濾波得到比較真實(shí)的被測(cè)參數(shù)，有時(shí)不能直接使用，還需要做某些處理，如線性化、校正運(yùn)算、標(biāo)度變換等。2/14/202522計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.1數(shù)字濾波概述在軟件中對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行消除干擾的處理目的是進(jìn)一步消除附加在數(shù)據(jù)中的干擾，使采集數(shù)據(jù)能真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提高信號(hào)可靠性?xún)?yōu)點(diǎn)不需增加硬件設(shè)備，只需在計(jì)算機(jī)得到采樣數(shù)據(jù)后，執(zhí)行預(yù)定濾波算法程序即可達(dá)到濾波目的穩(wěn)定性好，一種濾波程序可以反復(fù)調(diào)用，使用方便靈活常用數(shù)字濾波方法平均值濾波法、中值濾波法慣性濾波法、程序判斷濾波備2/14/202523計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.1數(shù)字濾波--平均值濾波法(1)算術(shù)平均值濾波對(duì)一點(diǎn)數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計(jì)算算術(shù)平均值，以平均值作為該點(diǎn)采樣結(jié)果?？蓽p少系統(tǒng)隨機(jī)干擾對(duì)采集結(jié)果的影響m值決定信號(hào)平滑度和靈敏度.適用于對(duì)流量、壓力及沸騰狀液面等周期性采樣信號(hào)作平滑處理。2/14/202524計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.1數(shù)字濾波--平均值濾波法實(shí)現(xiàn)方法可以在一個(gè)采樣瞬間對(duì)一個(gè)測(cè)點(diǎn)多次采樣后,計(jì)算出其平均值也可對(duì)多個(gè)采樣周期的平均采樣值作遞推濾波遞推算式為加快運(yùn)算速度,可利用上一次計(jì)算值,通過(guò)遞推平均濾波算式得到當(dāng)前采樣時(shí)刻的遞推平均值。2/14/202525計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.1數(shù)字濾波--平均值濾波法(2)加權(quán)平均濾波算術(shù)平均值濾波對(duì)每個(gè)采樣值給出相同的權(quán)重系數(shù)1/m若要增加新采樣值在平均值中比重,提高系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前所受干擾的靈敏度,可采用加權(quán)平均濾波,算式為ai為加權(quán)系數(shù)，體現(xiàn)各次采樣值在平均值中所占比例。這種濾波方法可根據(jù)需要突出信號(hào)某一部分，抑制信號(hào)另一部分。適用于純滯后較大、采樣周期短的過(guò)程。

2/14/202526計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.1數(shù)字濾波--中值濾波法中值濾波的基本原理對(duì)某一參數(shù)連續(xù)采樣n次,把n次的采樣值從小到大或從大到小排隊(duì),再取中間值作為本次采樣值。適用范圍對(duì)于去掉由于偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定造成的誤差所引起的脈動(dòng)干擾比較有效.若變量變化比較慢，則采用中值濾波效果比較好實(shí)際使用時(shí)，n值要選擇適當(dāng)，若選擇過(guò)小，可能起不到去除干擾的作用，n過(guò)大，會(huì)造成采樣數(shù)據(jù)的時(shí)延過(guò)大，造成系統(tǒng)性能變差。一般取n為3-5次。

2/14/202527計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.1數(shù)字濾波--中值濾波法平均值濾波對(duì)具有周期性干擾噪聲的信號(hào)比較有效,中值濾波法對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖干擾信號(hào)有良好的濾波效果,結(jié)合使用濾波效果會(huì)更好.方法是連續(xù)采樣m次，并按大小排序，從首尾各舍掉1/3個(gè)大數(shù)和小數(shù)，再將剩余的1/3個(gè)大小居中的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，作為本次采樣的有效數(shù)據(jù)；亦可去掉采樣值中的最大值和最小值，將余下的（m-2）個(gè)采樣值算術(shù)平均。2/14/202528計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.1數(shù)字濾波--慣性濾波法慣性濾波法基本概念用軟件實(shí)現(xiàn)RC低通濾波器功能,動(dòng)態(tài)方程為

其中Tf=RC，稱(chēng)為濾波時(shí)間常數(shù)離散化后動(dòng)態(tài)方程，T為采樣周期,得

0＜a＜1,稱(chēng)為濾波系數(shù)。2/14/202529計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.1數(shù)字濾波--程序判斷濾波法基本概念根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定兩次采樣輸入信號(hào)可能出現(xiàn)的最大偏差Δy當(dāng)采樣信號(hào)由于隨機(jī)干擾，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值較遠(yuǎn)，可以采用程序判斷濾波。一般分兩類(lèi)限幅濾波限速濾波2/14/202530計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.1數(shù)字濾波--程序判斷濾波法限幅濾波把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量（以絕對(duì)值表示），然后與兩次采樣允許的最大偏差Δy比較，若小于或等于Δy取本次采樣值，若大于Δy仍取上次采樣值。

即|y(k)-y(k-1)|≤Δy0,則y(k)=y(k)

>Δy0,則y(k)=y(k-1)2/14/202531計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.1數(shù)字濾波--程序判斷濾波法限速濾波限幅濾波用兩次采樣值來(lái)決定采樣結(jié)果，而限速濾波可用三次采樣值來(lái)決定采樣結(jié)果。當(dāng)|y(k)-y(k-1)|>Δy時(shí)，再采樣一次，取得y(k+1)根據(jù)|y(k+1)-y(k)|與Δy的關(guān)系決定本次采樣值

2/14/202532計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.1數(shù)字濾波各種濾波方法的特點(diǎn)與應(yīng)用平均值濾波適用于周期性干擾；加權(quán)平均遞推濾波適用于純滯后較大的過(guò)程；中值濾波和程序判斷濾波適用于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾；慣性濾波適用于高頻干擾。2/14/202533計(jì)算機(jī)控制技術(shù)目的經(jīng)過(guò)處理后，可直接引用采樣數(shù)據(jù)。常見(jiàn)數(shù)據(jù)處理方法線性化處理：校正運(yùn)算標(biāo)度變換越限報(bào)警處理死區(qū)處理5.2.2數(shù)據(jù)處理2/14/202534計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.2數(shù)據(jù)處理--線性化處理概述計(jì)算機(jī)從模擬量輸入通道得到的檢測(cè)信號(hào)與該信號(hào)所代表的物理量之間不一定成線性關(guān)系。線性化處理后，方便運(yùn)算并且便于數(shù)字顯示。計(jì)算法孔板差壓與流量熱電偶的熱電勢(shì)與溫度2/14/202535計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.2數(shù)據(jù)處理--線性化處理插值法實(shí)質(zhì)是找出一種簡(jiǎn)單、便于計(jì)算處理的近似表達(dá)式代替非線性參數(shù)。常用的插值公式有多項(xiàng)式插值公式、拉格朗日插值公式、線性插值公式等。折線法上述兩法都可能會(huì)帶來(lái)大量運(yùn)算，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，可分段進(jìn)行線性化，即用多段折線代替曲線。過(guò)程：先判斷測(cè)量數(shù)據(jù)處于哪一折線段內(nèi)，然后按相應(yīng)段的線性化公式計(jì)算出線性值。折線段分法不是惟一的，可視具體要求定。一般折線段數(shù)越多，線性化精度越高。2/14/202536計(jì)算機(jī)控制技術(shù)℃Pt100℃Pt100℃Pt100-5080.3110103.9080130.90-4084.2720107.8090134.70-3088.2230111.67100138.50-2092.1640115.54150157.31-2092.1650119.40200175.84-1096.0960123.240100.0070127.07熱電阻分度表5.2.2數(shù)據(jù)處理--線性化處理查表法

為提高運(yùn)算速度，可將非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為表格形式存在計(jì)算機(jī)內(nèi)，在線工作量?jī)H是根據(jù)采樣值查表2/14/202537計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.2數(shù)據(jù)處理--校正運(yùn)算有時(shí)來(lái)自被控對(duì)象的某些檢測(cè)信號(hào)與真實(shí)值有偏差，這時(shí)需要對(duì)這些檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，力求補(bǔ)償后的檢測(cè)值能反映真實(shí)情況。用孔板測(cè)氣體體積流量的溫度、壓力補(bǔ)償2/14/202538計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.2數(shù)據(jù)處理--標(biāo)度變換概述生產(chǎn)中各個(gè)參數(shù)有不同的數(shù)值和量綱,如Pa、℃等

參數(shù)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成A/D能接收的0~

5V電壓信號(hào)，又由A/D轉(zhuǎn)換成00~FFH的數(shù)字量，不帶量綱，僅代表參數(shù)值相對(duì)大小。為方便操作及運(yùn)算、顯示和打印的要求，須把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值標(biāo)度變換方法線性參數(shù)標(biāo)度變換非線性參數(shù)標(biāo)度變換2/14/202539計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.2數(shù)據(jù)處理--標(biāo)度變換線性參數(shù)標(biāo)度變換一次儀表測(cè)量值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果具有線性關(guān)系

非線性參數(shù)標(biāo)度變換一次儀表測(cè)量值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是非線性關(guān)系根據(jù)差壓變送器信號(hào)△P與流量F的關(guān)系，可得測(cè)量流量時(shí)的標(biāo)度變換式

即2/14/202540計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.2數(shù)據(jù)處理--越限報(bào)警處理概述把計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上、下限給定值進(jìn)行比較。若高于(或低于)上限(或下限)，則進(jìn)行報(bào)警，以便進(jìn)行顯示和控制。聲光報(bào)警、報(bào)警記錄

設(shè)計(jì)方法全軟件報(bào)警程序直接報(bào)警程序（硬件申請(qǐng)中斷）2/14/202541計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.2數(shù)據(jù)處理--越限報(bào)警處理如圖所示鍋爐水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖中鍋爐正常工作的主要指標(biāo)是汽包水位：液面太高會(huì)影響汽包的蒸汽產(chǎn)量；水位過(guò)低則有爆炸的危險(xiǎn)。

HHJ

變送器cba++

預(yù)熱管水傳感器傳感器蒸汽蒸汽流量bac液面高度汽包水流量變速器變送器2/14/202542計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.2數(shù)據(jù)處理--越限報(bào)警處理為及時(shí)監(jiān)視鍋爐情況，系統(tǒng)有三個(gè)參數(shù)報(bào)警系統(tǒng)，即水位上下限，爐膛溫度上下限，蒸汽壓力下限報(bào)警，如下圖所示。當(dāng)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)全部正常時(shí)，綠燈亮；若有不正常參數(shù)，則發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

正常運(yùn)轉(zhuǎn)

蒸汽壓力下限報(bào)警

爐膛溫度下限報(bào)警

爐膛溫度下限報(bào)警

水位下限報(bào)警

水位上限報(bào)警

1

LEDGN1

LEDRD1

LEDRD1

LEDRD7PBA82551

LEDRD1

LEDRD6PB5PB3PB2PB1PB0PB4PB1

電笛0674LS3X2X1X2/14/202543計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.2.2數(shù)據(jù)處理--死區(qū)處理從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)往往會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，或者有頻率較高、能量不大的干擾疊加在信號(hào)上，此時(shí)采集到的數(shù)據(jù)有效值的最后一位不停的波動(dòng)，難以穩(wěn)定。這種情況可以采取死區(qū)處理，把不停波動(dòng)的值進(jìn)行死區(qū)處理，只有當(dāng)變化超出某值時(shí)才認(rèn)為該值發(fā)生了變化。比如編程時(shí)可以先對(duì)數(shù)據(jù)除以10，然后取整，去掉波動(dòng)項(xiàng)。2/14/202544計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.3數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)概述數(shù)控原理數(shù)控系統(tǒng)分類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)BaseofNumericalContrl2/14/202545計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.3.1概述基本概念數(shù)字控制(NC)：用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法數(shù)控系統(tǒng)：采用數(shù)控技術(shù)的控制系統(tǒng)數(shù)控設(shè)備：采用了數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)備計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)：以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控設(shè)備構(gòu)成飼服系統(tǒng)機(jī)電接口輸入通道被控對(duì)象CNC2/14/202546計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.3.2數(shù)控原理XbadcY曲線分段將如圖所示曲線分割成若干段，可以是直線段，也可以是曲線段，圖中分割成了三段，即、和cd把a(bǔ)、b、c、d四點(diǎn)坐標(biāo)記下來(lái)并送給計(jì)算機(jī)。圖形分割原則應(yīng)保證線段所連的曲線與原圖形誤差在允許范圍內(nèi)。由圖可見(jiàn)，顯然采用、和cd比、和要精確得多。

2/14/202547計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.3.2數(shù)控原理插值（或插補(bǔ)）當(dāng)給定a、b、c、d各點(diǎn)坐標(biāo)x和y值之后，求得各坐標(biāo)值間的中間值的數(shù)值計(jì)算方法稱(chēng)插值或插補(bǔ)

直線插補(bǔ)：在給定的兩個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似直線來(lái)逼近二次曲線插補(bǔ)：在給定的兩個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似曲線來(lái)逼近

XbadcY2/14/202548計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.3.2數(shù)控原理繪圖或加工把插補(bǔ)運(yùn)算過(guò)程中定出的各中間點(diǎn)，以脈沖信號(hào)形式去控制x、y方向上的步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)繪圖筆、刀具等，繪出圖形或加工所要求輪廓每一個(gè)脈沖信號(hào)代表步進(jìn)電機(jī)走一步，即繪圖筆或刀具在x或y方向移動(dòng)一個(gè)位置對(duì)應(yīng)于每個(gè)脈沖移動(dòng)的相對(duì)位置稱(chēng)為脈沖當(dāng)量，又稱(chēng)為步長(zhǎng)，常用△x和△y表示，且一般取△x=△y。

XbadcY2/14/202549計(jì)算機(jī)控制技術(shù)2/14/202550計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.3.3數(shù)控系統(tǒng)分類(lèi)--按控制方式分類(lèi)按控制方式分類(lèi)點(diǎn)位控制數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制最簡(jiǎn)單，其運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有特殊要求，運(yùn)動(dòng)時(shí)又不加工，它的控制電路只要具有記憶和比較功能即可，不需要插補(bǔ)運(yùn)算。直線控制數(shù)控系統(tǒng)和點(diǎn)位控制相比，直線控制要進(jìn)行直線加工，控制電路要復(fù)雜一些。輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)要控制刀具準(zhǔn)確完成復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)，故控制電路復(fù)雜，且需要進(jìn)行一系列的插補(bǔ)計(jì)算和判斷。

2/14/202551計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.3.3數(shù)控系統(tǒng)分類(lèi)--按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類(lèi)開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)早期數(shù)控機(jī)床采用的數(shù)控系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用步進(jìn)電機(jī)或脈沖馬達(dá)。數(shù)控系統(tǒng)將零件程序處理后，輸出指令脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，控制機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)這種驅(qū)動(dòng)方式不設(shè)置檢測(cè)元件，指令脈沖送出后，沒(méi)有反饋信息，容易掌握，調(diào)試維修方便，但控制精度和速度受到限制。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)2/14/202552計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.3.3數(shù)控系統(tǒng)分類(lèi)--按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類(lèi)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)指令同時(shí)，還接受工作臺(tái)上檢測(cè)元件測(cè)出的實(shí)際位置反饋信息，比較后根據(jù)差值進(jìn)行修正，消除因傳動(dòng)系統(tǒng)誤差引起的誤差可獲得高的加工精度，由于包含很多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，會(huì)影響伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。因此全閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大困難，處理不好常會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。主要用于高精度機(jī)床。

位置反饋速度反饋速度控制電路步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)位置比較電路2/14/202553計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.3.3數(shù)控系統(tǒng)分類(lèi)--按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類(lèi)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)將測(cè)量元件從工作臺(tái)移到執(zhí)行機(jī)構(gòu)端，由于工作臺(tái)不在控制環(huán)里，測(cè)量元件安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)端，環(huán)路短，剛性好，容易獲得穩(wěn)定的控制特性，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)連續(xù)控制的數(shù)控機(jī)床上。

指令位置反饋速度反饋速度控制電路步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)位置比較電路2/14/202554計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.4數(shù)字PID控制算法標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)數(shù)字PID參數(shù)整定DigitalPIDControlArithmetic2/14/202555計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5-4-1標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法PID是Proportional（比例）、Integral（積分）、Differential（微分）三者的縮寫(xiě)。在過(guò)程控制中，按誤差信號(hào)的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱(chēng)PID調(diào)節(jié)器，是技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器2/14/202556計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5-4-1標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法標(biāo)準(zhǔn)的模擬PID式中：Kc、Ti、Td分別為模擬調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間,u0為偏差e=0

時(shí)的調(diào)節(jié)器輸出,又稱(chēng)之為穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。2/14/202557計(jì)算機(jī)控制技術(shù)采樣周期與控制周期的概念模擬PID調(diào)節(jié)規(guī)律的離散化在控制器的采樣時(shí)刻t=kT時(shí)因此，PID的數(shù)字算式如下式5-4-1標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法2/14/202558計(jì)算機(jī)控制技術(shù)數(shù)字PID又可寫(xiě)成上面兩個(gè)算式又稱(chēng)為PID位置算式其中稱(chēng)為積分系數(shù)

稱(chēng)為微分系數(shù)5-4-1標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法2/14/202559計(jì)算機(jī)控制技術(shù)PID位置算式的問(wèn)題由積分項(xiàng)的存在所產(chǎn)生PID增量算式

由

，可得5-4-1標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法2/14/202560計(jì)算機(jī)控制技術(shù)PID增量算式的另一種形式增量PID算法的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)可以遞推使用,占用內(nèi)存少,運(yùn)算快。增量PID算法得到k采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)的實(shí)際輸出控制量為5-4-1標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法2/14/202561計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)

1.實(shí)際微分PID控制算法微分的作用理想微分的PID算法模擬調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的微分作用理想微分作用的實(shí)際缺陷實(shí)際微分作用2/14/202562計(jì)算機(jī)控制技術(shù)理想微分PID與實(shí)際微分PID在單位階躍輸入時(shí),它們輸出的控制作用

(A)理想微分PID積分項(xiàng)比例項(xiàng)

u012345678kT微分項(xiàng)比例項(xiàng)

u

012345678kT項(xiàng)

(B)實(shí)際微分PID微積分分項(xiàng)5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)2/14/202563計(jì)算機(jī)控制技術(shù)理想微分PID與實(shí)際微分PID其區(qū)別在于實(shí)際微分多了個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，即如圖所示圖中因?yàn)閡’(t)為理想PID的輸出，Gf(s)是一階慣性環(huán)節(jié)理想PIDU'(s)E(s)Gf(s)U(s)

實(shí)際微分PID控制算法示意框圖5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)2/14/202564計(jì)算機(jī)控制技術(shù)理想微分PID與實(shí)際微分PID故：經(jīng)計(jì)算，可得實(shí)際微分位置型控制算式

5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)2/14/202565計(jì)算機(jī)控制技術(shù)理想微分PID與實(shí)際微分PID實(shí)際微分增量型控制算式實(shí)際微分的其它形式Gf(s)為一階超前/一階滯后環(huán)節(jié),或?qū)⒗硐胛⒎肿饔酶臑槲⒎?一階慣性環(huán)節(jié)5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)2/14/202566計(jì)算機(jī)控制技術(shù)2.微分先行PID控制算法（“測(cè)量值微分”）出發(fā)點(diǎn)：避免因給定值變化給控制系統(tǒng)帶來(lái)超調(diào)量過(guò)大、調(diào)節(jié)閥動(dòng)作劇烈的沖擊。特點(diǎn)：只對(duì)測(cè)量值(被控量)進(jìn)行微分,而不對(duì)偏差微分,也即對(duì)給定值無(wú)微分作用。偏差計(jì)算：正作用反作用5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)2/14/202567計(jì)算機(jī)控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)PID算式中的微分作用改進(jìn)后的微分作用算式則為正作用：反作用：5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)2/14/202568計(jì)算機(jī)控制技術(shù)微分先行PID控制算法示意圖U(s)Y(s)

R(s)微分先行的PID控制方框圖5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)2/14/202569計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

3.積分分離PID算法提出背景:積分作用會(huì)產(chǎn)生較大超調(diào)和振蕩基本思想當(dāng)│e(k)│＞A時(shí),用P或PD控制；│e(k)│≤A時(shí),用PI或PID控制。注：1）A值需要適當(dāng)選?。?）Kc應(yīng)根據(jù)積分作用是否起作用而變化5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)2/14/202570計(jì)算機(jī)控制技術(shù)積分分離PID算法示意圖

y曲線2：標(biāo)準(zhǔn)PID曲線3：A過(guò)小曲線1

0t

R

APDPIDPD5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)2/14/202571計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

4.遇限切除積分PID算法執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械性能與物理性能的約束積分飽和該算法是抑制積分飽和的方法之一基本思想：一旦計(jì)算出的控制量u(k)進(jìn)入飽和區(qū),一方面對(duì)控制量輸出值限幅；另一方面增加判別程序,算法中只執(zhí)行削弱積分飽和項(xiàng)的積分運(yùn)算,而停止增大積分飽和項(xiàng)的運(yùn)算。5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)2/14/202572計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

5.提高積分項(xiàng)積分的精度積分項(xiàng)的作用：比較重要提高其積分項(xiàng)的運(yùn)算精度的辦法原來(lái)的方法：改進(jìn)方法5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)2/14/202573計(jì)算機(jī)控制技術(shù)整定過(guò)程先按模擬PID控制參數(shù)整定方法來(lái)選擇，然后在適當(dāng)調(diào)整，并考慮采樣周期對(duì)整定參數(shù)影響采樣周期的確定（一般規(guī)律）5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定2/14/202574計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）選用純比例控制，給定值r作階躍擾動(dòng)，從較大比例帶開(kāi)始，逐漸減小，直到被控變量出現(xiàn)臨界振蕩為止，記下臨界周期Tu和臨界比例帶δu，按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算Kc、Ti和Td?？刂埔?guī)律δTiTdPPIPID2δu2.2δu1.6δu-0.85Tu0.50Tu--0.13Tu2/14/202575計(jì)算機(jī)控制技術(shù)動(dòng)態(tài)特性法（響應(yīng)曲線法）

在系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)情況下，首先做被控對(duì)象的階躍曲線，從該曲線上求得對(duì)象的純滯后時(shí)間τ、時(shí)間常數(shù)Tτ和放大系數(shù)K。然后在按表4.2經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算Kc、Ti和Td。

5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定2/14/202576計(jì)算機(jī)控制技術(shù)控制規(guī)律τ/Tτ≤0.20.2≤τ/Tτ≤1.5δTiTdδTiTdPKτ/Tτ----PI1.1Kτ/Tτ3.3τ-0.8Tc-PID0.85Kτ/Tτ2τ0.5τ0.81Tc+0.19τ0.25Ti5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定2/14/202577計(jì)算機(jī)控制技術(shù)3.基于偏差積分指標(biāo)最小的整定參數(shù)法常用三種指標(biāo)：最佳整定參數(shù)應(yīng)使這些積分指標(biāo)最小，不同積分指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出被控變量響應(yīng)曲線稍有差別一般情況下，ISE指標(biāo)的超調(diào)量大，上升時(shí)間快；IAE指標(biāo)的超調(diào)量適中，上升時(shí)間稍快；ITAE指標(biāo)的超調(diào)量小，調(diào)整時(shí)間也短。

5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定2/14/202578計(jì)算機(jī)控制技術(shù)4.試湊法一般規(guī)律：增大比例系數(shù)Kc一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差

減小積分時(shí)間Ti，將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，使余差（靜差）消除加快。增大微分時(shí)間Td，將使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，但對(duì)擾動(dòng)有敏感的響應(yīng)，可使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。試湊時(shí)，可參考上述參數(shù)對(duì)控制過(guò)程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例，后積分，最后微分的整定步驟。5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定2/14/202579計(jì)算機(jī)控制技術(shù)試湊法整定步驟：（1）首先整定比例部分。將比例系數(shù)由小變大，觀察相應(yīng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)較快，超調(diào)較小的響應(yīng)曲線。若系統(tǒng)靜差較小，滿(mǎn)足要求可采用純比例控制。（2）如果純比例控制有較大余差，則需要加入積分作用。積分時(shí)間從大變小，同時(shí)調(diào)整比例增益，使系統(tǒng)保持良好的動(dòng)態(tài)性能，反復(fù)調(diào)整比例增益和積分時(shí)間，以得到滿(mǎn)意的動(dòng)態(tài)性能。（3）若使用比例積分控制，反復(fù)調(diào)整仍達(dá)不到滿(mǎn)意的效果，則可加入微分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)，微分時(shí)間從小變大，相應(yīng)調(diào)整比例增益和積分時(shí)間，逐步試湊，以得到滿(mǎn)意的動(dòng)態(tài)性能。5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定2/14/202580計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定比例增益對(duì)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響KP=2.85KP=1.852/14/202581計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定KP=2.4KP=2.4Ti=2KP=2.4

Ti=1積分時(shí)間對(duì)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響2/14/202582計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定微分時(shí)間對(duì)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響KP=2.4Ti=1Td=0.25KP=2.4

Ti=1Td=0.42/14/202583計(jì)算機(jī)控制技術(shù)純比例控制參數(shù)整定KP=1KP=2KP=2.4

5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定2/14/202584計(jì)算機(jī)控制技術(shù)比例積分控制參數(shù)整定KP=2.4KP=2.2Ti=2KP=2.2

Ti=15-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定2/14/202585計(jì)算機(jī)控制技術(shù)PID控制參數(shù)整定1KP=2.2Ti=1KP=2.6Ti=0.8Td=0.2KP=2.6

Ti=0.75Td=0.25-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定2/14/202586計(jì)算機(jī)控制技術(shù)KP=2.6Ti=0.75Td=0.2KP=2.6Ti=0.75Td=0.25KP=2.4

Ti=0.75Td=0.25PID控制參數(shù)整定25-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定2/14/202587計(jì)算機(jī)控制技術(shù)其他先進(jìn)的自動(dòng)整定方法基于繼電反饋控制(relayfeedbackcontrol)基于模式識(shí)別(patternrecognition)

基于專(zhuān)家系統(tǒng)(expertsystem)原理5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定2/14/202588計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.5常規(guī)控制方案串級(jí)控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)RoutineControlScheme2/14/202589計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5-5-1串級(jí)控制系統(tǒng)

串級(jí)控制系統(tǒng)基本概念主調(diào)節(jié)回路要保證控制精度，主調(diào)節(jié)器一般采用PID控制器副調(diào)節(jié)回路克服主要干擾，系統(tǒng)中起“粗調(diào)”作用，副調(diào)節(jié)器一般采用P或PI控制器。2/14/202590計(jì)算機(jī)控制技術(shù)雙回路串級(jí)控制系統(tǒng)副變送器主變送器主參數(shù)給定值r通用的計(jì)算機(jī)串級(jí)控制系統(tǒng)示意框圖u2主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器e1e2u1副對(duì)象主對(duì)象二次擾動(dòng)一次擾動(dòng)副參數(shù)主參數(shù)y1y2執(zhí)行機(jī)構(gòu)D/AA/DA/D5-5-1串級(jí)控制系統(tǒng)

2/14/202591計(jì)算機(jī)控制技術(shù)串級(jí)控制系統(tǒng)在每個(gè)采樣周期的計(jì)算順序采樣并獲得當(dāng)前輸出采樣值；計(jì)算主回路的偏差e1(k)；計(jì)算主回路PID控制器的輸出u1(k)；計(jì)算副回路的偏差e2(k)；計(jì)算副回路PID控制器的輸出u2(k)；輸出到被控對(duì)象。5-5-1串級(jí)控制系統(tǒng)

2/14/202592計(jì)算機(jī)控制技術(shù)串級(jí)控制系統(tǒng)的控制方式異步采樣控制即主回路的采樣控制周期T1是副回路采樣控制周期T2的整數(shù)倍。同步采樣控制即主、副回路的采樣控制周期相同，但因副對(duì)象響應(yīng)速度較快，故應(yīng)以副回路為準(zhǔn)。5-5-1串級(jí)控制系統(tǒng)

2/14/202593計(jì)算機(jī)控制技術(shù)串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用目的用于抑制系統(tǒng)的主要干擾用于克服對(duì)象的純滯后用于減少對(duì)象的非線性影響5-5-1串級(jí)控制系統(tǒng)

2/14/202594計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5-5-1串級(jí)控制系統(tǒng)

例：反應(yīng)釜的單回路控制、串級(jí)控制2/14/202595計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5-5-1串級(jí)控制系統(tǒng)

例：加熱爐的串級(jí)控制2/14/202596計(jì)算機(jī)控制技術(shù)前饋控制系統(tǒng)的基本思想：不變性原理主要特點(diǎn)是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用前提是擾動(dòng)可測(cè)只能針對(duì)某一特定的干擾實(shí)施控制較少單獨(dú)使用，一般結(jié)合反饋控制，構(gòu)成前饋-反饋（Feedforword-Feedback)控制5-5-2前饋控制系統(tǒng)

2/14/202597計(jì)算機(jī)控制技術(shù)典型的前饋-反饋控制系統(tǒng)Gf(s)Gd(s)D/AG

(s)PIDA/Dreucy擾動(dòng)dufub5-5-2前饋控制系統(tǒng)2/14/202598計(jì)算機(jī)控制技術(shù)前饋-反饋控制算法的流程計(jì)算反饋控制的偏差e(k)；計(jì)算反饋控制器(PID)的輸出ub(k)；計(jì)算前饋控制器Gf(s)的輸出uf(k)；計(jì)算前饋－反饋調(diào)節(jié)器的輸出uc(k)。前饋：快速、對(duì)具體干擾；反饋：慢速、準(zhǔn)確、對(duì)整個(gè)系統(tǒng)。前饋-反饋控制系統(tǒng)往往可以取得較好的控制效果。實(shí)際中也常采用前饋-串級(jí)控制。5-5-2前饋控制系統(tǒng)

2/14/202599計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5-5-2前饋控制系統(tǒng)

凝液蒸汽QC例：換熱器前饋控制系統(tǒng)2/14/2025100計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5-5-2前饋控制系統(tǒng)

例：精餾塔前饋-反饋控制系統(tǒng)2/14/2025101計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5-5-3純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)在工業(yè)過(guò)程控制中，由于物料或能量的傳輸延遲，許多被控對(duì)象具有純滯后。由于純滯后的存在，被控量不能及時(shí)反映系統(tǒng)變化，即使測(cè)量信號(hào)已到達(dá)調(diào)節(jié)器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)迅速動(dòng)作，也需要純滯后時(shí)候后才能影響到被控量。具有純滯后的對(duì)象被公認(rèn)為過(guò)程控制的難點(diǎn)之一。2/14/2025102計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5-5-3純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)史密斯(Smith)純滯后補(bǔ)償器基本思想建立過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性的模型；將模型加入到反饋控制系統(tǒng)中，有延遲的一部分用于抵消被延遲了τ的被控量；無(wú)延遲部分反映到調(diào)節(jié)器，讓調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，從而可明顯地減少超調(diào)量和加快調(diào)節(jié)過(guò)程。預(yù)估是純滯后控制中的基本方法2/14/2025103計(jì)算機(jī)控制技術(shù)史密斯(Smith)純滯后補(bǔ)償器Gc(s)

Gp(s)Gp(s)rduyy'Gs(s)史密斯預(yù)估控制系統(tǒng)示意框圖mqe5-5-3純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)2/14/2025104計(jì)算機(jī)控制技術(shù)史密斯(Smith)純滯后補(bǔ)償器圖中虛框即為史密斯預(yù)估器，其等效傳遞函數(shù)Gs(s)為Gs(s)=Gp(s)(1－)閉環(huán)傳遞函數(shù)為5-5-3純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)2/14/2025105計(jì)算機(jī)控制技術(shù)史密斯(Smith)純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)實(shí)施純滯后的表示設(shè)采樣周期為T(mén)，則由于純滯后τ的存在，信號(hào)要延遲N個(gè)周期內(nèi)存中設(shè)N個(gè)單元存放信號(hào)m(k)的歷史數(shù)據(jù)第N號(hào)單元里的內(nèi)容即為m(k)滯后N個(gè)采樣周期后的信號(hào)q(q=m(k-N))。5-5-3純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)2/14/2025106計(jì)算機(jī)控制技術(shù)史密斯(Smith)純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)實(shí)施史密斯預(yù)估控制系統(tǒng)的計(jì)算順序計(jì)算反饋回路的偏差e(k)：控制器的輸出u(k)：史密斯預(yù)估器的輸出：5-5-3純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)2/14/2025107計(jì)算機(jī)控制技術(shù)史密斯(Smith)純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)實(shí)施前面式中的m(k)根據(jù)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型Gp(s)的差分形式和控制器的輸出u(k)計(jì)算得到。教材中給出了對(duì)象為一階加純滯后的史密斯(Smith)預(yù)估器控制算式。5-5-3純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)2/14/2025108計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5-5-3純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)Smith預(yù)估控制器仿真例2/14/2025109計(jì)算機(jī)控制技術(shù)史密斯(Smith)預(yù)估器的不足對(duì)系統(tǒng)受到的負(fù)荷干擾無(wú)補(bǔ)償作用；控制效果嚴(yán)重依賴(lài)于對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型精度，特別是純滯后時(shí)間。改進(jìn)算法加入自適應(yīng)功能等多回路控制也可與PID改進(jìn)算法結(jié)合應(yīng)用