數(shù)據(jù)處理與控制策略

第5章

數(shù)據(jù)處理與控制策略DataProcessing&ControlStrategy6/22/20231數(shù)字控制器的設計技術數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)控技術根底數(shù)字PID控制算法常規(guī)控制方案先進控制方案本章主要內容6/22/202325.1數(shù)字控制器的設計技術數(shù)字控制器的連續(xù)化設計技術數(shù)字控制器的離散化設計技術

DesigntechnologyOfDigitalontroler6/22/20233計算機控制系統(tǒng)的設計是指在給定系統(tǒng)性能指標的條件下，設計出控制器的控制規(guī)律和相應的數(shù)字控制算法大多數(shù)計算機控制系統(tǒng)是由處理數(shù)字信號的過程控制計算機和連續(xù)的被控過程組成的數(shù)字信號與連續(xù)信號并存的“混合系統(tǒng)〞數(shù)字控制器的分析和設計方法數(shù)字控制器的連續(xù)化設計技術數(shù)字控制器的離散化設計技術6/22/202345.1.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設計技術概述數(shù)字控制器的連續(xù)化設計是忽略控制回路中所有的零階保持器和采樣器，在S域中按連續(xù)系統(tǒng)進行設計，然后通過某種近似將連續(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器，并由計算機來實現(xiàn)。設計問題G(s)是被控對象的傳遞函數(shù)，H(s)是零階保持器，D(z)是數(shù)字控制器。設計問題是：根據(jù)的系統(tǒng)性能指標和G(s)來設計出數(shù)字控制器D(z)。y(t)u(t)e(k)+-G(s)e(t)D(z)H(s)Tu(k)Tr(t)6/22/202355.1.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設計技術數(shù)字控制器的連續(xù)化設計步驟

設計假想的連續(xù)控制器選擇采樣周期T將D(s)離散化為D(z)設計由計算機實現(xiàn)的控制算法校驗6/22/202365.1.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設計技術(1)設計假想的連續(xù)控制器

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

。D(s)G(s)y(t)e(t)r(t)+-u(t)6/22/202375.1.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設計技術(2)選擇采樣周期T采樣定理：采樣周期T≤π/ωmax由于被控對象的物理過程及參數(shù)的變化比較復雜，致使模擬信號的最高角頻率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)控制品質的要求、執(zhí)行機構的特性、控制系統(tǒng)抗干擾和快速響應的要求、計算工作量、計算機的本錢、控制對象的時間常數(shù)Tp和純滯后時間τ6/22/202385.1.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設計技術(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不變法零極點匹配法零階保持法

6/22/20239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)的計算公式。,利用級數(shù)展開可得雙線性變換或塔斯廷(Tustin)近似

雙線性變換法:6/22/202310前向差分法:利用級數(shù)展開可將，寫成以下形式上式稱為前向差分法或歐拉法的計算公式。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)的計算公式且有6/22/202311后向差分法:利用級數(shù)展開可將，寫成以下形式為了由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)的計算公式且有6/22/2023125.1.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設計技術(4)設計由計算機實現(xiàn)的控制算法設數(shù)字控制器D(z)的一般形式為上式可改寫為上式用時域表示為利用上式即可實現(xiàn)計算機編程，因此上式稱為數(shù)字控制器D(z)的控制算法。

6/22/2023135.1.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設計技術(5)校驗控制器D(z)設計完成并求出控制算法后，需要檢驗其閉環(huán)特性是否符合設計要求，可采用數(shù)字仿真來驗證，假設滿足設計要求，設計結束，否那么應修改設計。6/22/2023145.1.2數(shù)字控制器的離散化設計技術概述數(shù)字控制器的連續(xù)化設計，是立足于連續(xù)控制系統(tǒng)控制器的設計，然后在計算機上進行數(shù)字模擬來實現(xiàn)的，該方法在被控對象的特性不太清楚時，可充分利用技術成熟的連續(xù)化設計技術(如PID控制器設計技術)，并把它移植到計算機上予以實現(xiàn)，以到達滿意控制效果由于控制任務需要，當所選擇的采樣周期比較大或對控制質量要求比較高時，必須從被控對象的特性出發(fā)，直接根據(jù)計算機控制理論(采樣控制理論)來設計數(shù)字控制器，這類方法稱為離散化設計方法離散化設計技術比連續(xù)化設計技術更具有一般意義，它完全是根據(jù)采樣控制系統(tǒng)的特點進行分析和綜合，并導出相應的控制規(guī)律和算法6/22/2023155.1.2數(shù)字控制器的離散化設計技術設計問題以下圖中，Gc(s)是被控對象的連續(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)6/22/2023165.1.2數(shù)字控制器的離散化設計技術設計問題定義廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)為可得上頁圖對應的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為由上式求得(5.12)(5.13)(5.14)假設Gc(s)且可根據(jù)控制系統(tǒng)性能指標要求構造Φ(z)，那么可由式(5.12)和式(5.14)求得D(z)6/22/2023175.1.2數(shù)字控制器的離散化設計技術數(shù)字控制器的離散化設計步驟

根據(jù)控制系統(tǒng)性能指標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算公式6/22/2023185.1.2數(shù)字控制器的離散化設計技術由G(z)求取控制算法可按以下方法實現(xiàn)：設數(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)的計算機控制算法為按照式上式就可編寫出控制算法程序。

6/22/2023195.1數(shù)字控制器的設計技術不管是按連續(xù)系統(tǒng)進行控制系統(tǒng)設計還是按離散系統(tǒng)進行控制系統(tǒng)設計,都可采用基于經典控制理論的常規(guī)控制策略或基于現(xiàn)代控制理論的先進控制策略，采用哪種控制策略往往與被控對象的過程特點、得到的數(shù)學模型以及對系統(tǒng)的控制精度要求有關，與采用哪種方法無直接關系。

6/22/2023205.2數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾波數(shù)字處理DataFilteringandDataProcessing6/22/202321進行數(shù)字濾波和處理的必要性計算機控制系統(tǒng)是采樣系統(tǒng)提高信號的可靠性數(shù)字濾波在計算機中利用某種計算方法對原始輸入數(shù)據(jù)進行數(shù)學處理，去掉原始數(shù)據(jù)中摻雜的噪聲數(shù)據(jù)，提高信號的真實性，獲得最具有代表性的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)處理通過數(shù)字濾波得到比較真實的被測參數(shù)，有時不能直接使用，還需要做某些處理，如線性化、校正運算、標度變換等。6/22/2023225.2.1數(shù)字濾波概述在軟件中對采集到的數(shù)據(jù)進行消除干擾的處理目的是進一步消除附加在數(shù)據(jù)中的干擾，使采集數(shù)據(jù)能真實反映現(xiàn)場實際情況，提高信號可靠性優(yōu)點不需增加硬件設備，只需在計算機得到采樣數(shù)據(jù)后，執(zhí)行預定濾波算法程序即可到達濾波目的穩(wěn)定性好，一種濾波程序可以反復調用，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6/22/2023235.2.1數(shù)字濾波--平均值濾波法(1)算術平均值濾波對一點數(shù)據(jù)連續(xù)采樣屢次，計算算術平均值，以平均值作為該點采樣結果?？蓽p少系統(tǒng)隨機干擾對采集結果的影響m值決定信號平滑度和靈敏度.適用于對流量、壓力及沸騰狀液面等周期性采樣信號作平滑處理。6/22/2023245.2.1數(shù)字濾波--平均值濾波法實現(xiàn)方法可以在一個采樣瞬間對一個測點屢次采樣后,計算出其平均值也可對多個采樣周期的平均采樣值作遞推濾波遞推算式為加快運算速度,可利用上一次計算值,通過遞推平均濾波算式得到當前采樣時刻的遞推平均值。6/22/2023255.2.1數(shù)字濾波--平均值濾波法(2)加權平均濾波算術平均值濾波對每個采樣值給出相同的權重系數(shù)1/m假設要增加新采樣值在平均值中比重,提高系統(tǒng)對當前所受干擾的靈敏度,可采用加權平均濾波,算式為ai為加權系數(shù)，表達各次采樣值在平均值中所占比例。這種濾波方法可根據(jù)需要突出信號某一局部，抑制信號另一局部。適用于純滯后較大、采樣周期短的過程。6/22/2023265.2.1數(shù)字濾波--中值濾波法中值濾波的根本原理對某一參數(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,再取中間值作為本次采樣值。適用范圍對于去掉由于偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定造成的誤差所引起的脈動干擾比較有效.假設變量變化比較慢，那么采用中值濾波效果比較好實際使用時，n值要選擇適當，假設選擇過小，可能起不到去除干擾的作用，n過大，會造成采樣數(shù)據(jù)的時延過大，造成系統(tǒng)性能變差。一般取n為3-5次。6/22/2023275.2.1數(shù)字濾波--中值濾波法平均值濾波對具有周期性干擾噪聲的信號比較有效,中值濾波法對偶然出現(xiàn)的脈沖干擾信號有良好的濾波效果,結合使用濾波效果會更好.方法是連續(xù)采樣m次，并按大小排序，從首尾各舍掉1/3個大數(shù)和小數(shù)，再將剩余的1/3個大小居中的數(shù)據(jù)進行算術平均，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〕個采樣值算術平均。6/22/2023285.2.1數(shù)字濾波--慣性濾波法慣性濾波法根本概念用軟件實現(xiàn)RC低通濾波器功能,動態(tài)方程為

其中Tf=RC，稱為濾波時間常數(shù)離散化后動態(tài)方程，T為采樣周期,得

0＜a＜1,稱為濾波系數(shù)。6/22/2023295.2.1數(shù)字濾波--程序判斷濾波法根本概念根據(jù)生產經驗，確定兩次采樣輸入信號可能出現(xiàn)的最大偏差Δy當采樣信號由于隨機干擾，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實際值較遠，可以采用程序判斷濾波。一般分兩類限幅濾波限速濾波6/22/2023305.2.1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〔以絕對值表示〕，然后與兩次采樣允許的最大偏差Δy比較，假設小于或等于Δy取本次采樣值，假設大于Δy仍取上次采樣值。即|y(k)-y(k-1)|≤Δy0,那么y(k)=y(k)>Δy0,那么y(k)=y(k-1)6/22/2023315.2.1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決定采樣結果，而限速濾波可用三次采樣值來決定采樣結果。當|y(k)-y(k-1)|>Δy時，再采樣一次，取得y(k+1)根據(jù)|y(k+1)-y(k)|與Δy的關系決定本次采樣值

6/22/2023325.2.1數(shù)字濾波各種濾波方法的特點與應用平均值濾波適用于周期性干擾；加權平均遞推濾波適用于純滯后較大的過程；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。6/22/202333目的經過處理后，可直接引用采樣數(shù)據(jù)。常見數(shù)據(jù)處理方法線性化處理：校正運算標度變換越限報警處理死區(qū)處理5.2.2數(shù)據(jù)處理6/22/2023345.2.2數(shù)據(jù)處理--線性化處理概述計算機從模擬量輸入通道得到的檢測信號與該信號所代表的物理量之間不一定成線性關系。線性化處理后，方便運算并且便于數(shù)字顯示。計算法孔板差壓與流量熱電偶的熱電勢與溫度6/22/2023355.2.2數(shù)據(jù)處理--線性化處理插值法實質是找出一種簡單、便于計算處理的近似表達式代替非線性參數(shù)。常用的插值公式有多項式插值公式、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帶來大量運算，為簡單起見，可分段進行線性化，即用多段折線代替曲線。過程：先判斷測量數(shù)據(jù)處于哪一折線段內，然后按相應段的線性化公式計算出線性值。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。6/22/202336℃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

為提高運算速度，可將非線性關系轉化為表格形式存在計算機內，在線工作量僅是根據(jù)采樣值查表6/22/2023375.2.2數(shù)據(jù)處理--校正運算有時來自被控對象的某些檢測信號與真實值有偏差，這時需要對這些檢測信號進行補償，力求補償后的檢測值能反映真實情況。用孔板測氣體體積流量的溫度、壓力補償6/22/2023385.2.2數(shù)據(jù)處理--標度變換概述生產中各個參數(shù)有不同的數(shù)值和量綱,如Pa、℃等

參數(shù)經變送器轉換成A/D能接收的0~5V電壓信號，又由A/D轉換成00~FFH的數(shù)字量，不帶量綱，僅代表參數(shù)值相對大小。為方便操作及運算、顯示和打印的要求，須把數(shù)字量轉換成帶有量綱的數(shù)值標度變換方法線性參數(shù)標度變換非線性參數(shù)標度變換6/22/2023395.2.2數(shù)據(jù)處理--標度變換線性參數(shù)標度變換一次儀表測量值與A/D轉換結果具有線性關系

非線性參數(shù)標度變換一次儀表測量值與A/D轉換結果是非線性關系根據(jù)差壓變送器信號△P與流量F的關系，可得測量流量時的標度變換式

即6/22/2023405.2.2數(shù)據(jù)處理--越限報警處理概述把計算機采集的數(shù)據(jù)經計算機進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波、標度變換之后，與該參數(shù)上、下限給定值進行比較。假設高于(或低于)上限(或下限)，那么進行報警，以便進行顯示和控制。聲光報警、報警記錄設計方法全軟件報警程序直接報警程序6/22/2023415.2.2數(shù)據(jù)處理--越限報警處理如下圖鍋爐水位調節(jié)系統(tǒng)。圖中鍋爐正常工作的主要指標是汽包水位：液面太高會影響汽包的蒸汽產量；水位過低那么有爆炸的危險。

HHJ

變送器cba++

預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6/22/2023425.2.2數(shù)據(jù)處理--越限報警處理為及時監(jiān)視鍋爐情況，系統(tǒng)有三個參數(shù)報警系統(tǒng)，即水位上下限，爐膛溫度上下限，蒸汽壓力下限報警，如以下圖所示。當系統(tǒng)各個參數(shù)全部正常時，綠燈亮；假設有不正常參數(shù)，那么發(fā)出聲光報警信號。

正常運轉

蒸汽壓力下限報警

爐膛溫度下限報警

爐膛溫度下限報警

水位下限報警

水位上限報警

1

LEDGN1

LEDRD1

LEDRD1

LEDRD7PBA82551

LEDRD1

LEDRD6PB5PB3PB2PB1PB0PB4PB1

電笛0674LS3X2X1X6/22/2023435.2.2數(shù)據(jù)處理--死區(qū)處理從工業(yè)現(xiàn)場采集到的信號往往會在一定范圍內波動，或者有頻率較高、能量不大的干擾疊加在信號上，此時采集到的數(shù)據(jù)有效值的最后一位不停的波動，難以穩(wěn)定。這種情況可以采取死區(qū)處理，把不停波動的值進行死區(qū)處理，只有當變化超出某值時才認為該值發(fā)生了變化。比方編程時可以先對數(shù)據(jù)除以10，然后取整，去掉波動項。6/22/2023445.3數(shù)控技術根底概述數(shù)控原理數(shù)控系統(tǒng)分類運動控制系統(tǒng)

BaseofNumericalContrl6/22/2023455.3.1概述根本概念數(shù)字控制(NC)：用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法數(shù)控系統(tǒng)：采用數(shù)控技術的控制系統(tǒng)數(shù)控設備：采用了數(shù)控系統(tǒng)的設備計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC)：以計算機為核心的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控設備構成飼服系統(tǒng)機電接口輸入通道被控對象CNC6/22/2023465.3.2數(shù)控原理XbadcY曲線分段將如下圖曲線分割成假設干段，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、b、c、d四點坐標記下來并送給計算機。圖形分割原那么應保證線段所連的曲線與原圖形誤差在允許范圍內。由圖可見，顯然采用、和cd比、和要精確得多。6/22/2023475.3.2數(shù)控原理插值〔或插補〕當給定a、b、c、d各點坐標x和y值之后，求得各坐標值間的中間值的數(shù)值計算方法稱插值或插補直線插補：在給定的兩個基點之間用一條近似直線來逼近二次曲線插補：在給定的兩個基點之間用一條近似曲線來逼近6/22/2023485.3.2數(shù)控原理繪圖或加工把插補運算過程中定出的各中間點，以脈沖信號形式去控制x、y方向上的步進電機，帶動繪圖筆、刀具等，繪出圖形或加工所要求輪廓每一個脈沖信號代表步進電機走一步，即繪圖筆或刀具在x或y方向移動一個位置對應于每個脈沖移動的相對位置稱為脈沖當量，又稱為步長，常用△x和△y表示，且總是取△x=△y。

6/22/2023495.3.3數(shù)控系統(tǒng)分類--按控制方式分類按控制方式分類點位控制數(shù)控系統(tǒng)點位控制最簡單，其運動軌跡沒有特殊要求，運動時又不加工，它的控制電路只要具有記憶和比較功能即可，不需要插補運算。直線控制數(shù)控系統(tǒng)和點位控制相比，直線控制要進行直線加工，控制電路要復雜一些。輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)要控制刀具準確完成復雜的曲線運動，故控制電路復雜，且需要進行一系列的插補計算和判斷。6/22/2023505.3.3數(shù)控系統(tǒng)分類--按系統(tǒng)結構分類開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)早期數(shù)控機床采用的數(shù)控系統(tǒng)，執(zhí)行機構多采用步進電機或脈沖馬達。數(shù)控系統(tǒng)將零件程序處理后，輸出指令脈沖信號，驅動步進電動機，控制機床工作臺移動這種驅動方式不設置檢測元件，指令脈沖送出后，沒有反響信息，容易掌握，調試維修方便，但控制精度和速度受到限制。步進電機驅動電路步進電機工作臺6/22/2023515.3.3數(shù)控系統(tǒng)分類--按系統(tǒng)結構分類全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)驅動指令同時，還接受工作臺上檢測元件測出的實際位置反響信息，比較后根據(jù)差值進行修正，消除因傳動系統(tǒng)誤差引起的誤差可獲得高的加工精度，由于包含很多機械傳動環(huán)節(jié)，會影響伺服系統(tǒng)的調節(jié)參數(shù)。因此全閉環(huán)系統(tǒng)的設計和調整都有較大困難，處理不好常會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。主要用于高精度機床。位置反饋速度反饋速度控制電路步進電機工作臺位置比較電路6/22/2023525.3.3數(shù)控系統(tǒng)分類--按系統(tǒng)結構分類半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)將測量元件從工作臺移到執(zhí)行機構端，由于工作臺不在控制環(huán)里，測量元件安裝在執(zhí)行機構端，環(huán)路短，剛性好，容易獲得穩(wěn)定的控制特性，廣泛應用于各類連續(xù)控制的數(shù)控機床上。

指令位置反饋速度反饋速度控制電路步進電機工作臺位置比較電路6/22/2023535.3.4運動控制系統(tǒng)運動控制起源運動控制起源于早期的伺服控制(Servomechanism)運動控制就是對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，使其按照預期的運動軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)進行運動早期的運動控制技術主要伴隨著數(shù)控(CNC)技術、機器人技術(Robotics)和工廠自動化技術的開展而開展的早期的運動控制器是可獨立運行的專用的控制器，即獨立運行(Stand-alone)的運動控制器早期的運動控制器不能離開特定的工藝要求而跨行業(yè)應用，開放性僅依賴于控制器的加工代碼協(xié)議，用戶不能根據(jù)應用要求而重組自己的運動控制系統(tǒng)6/22/2023545.3.4運動控制系統(tǒng)通用運動控制技術在20世紀90年代，由于有強勁市場需求的推動，通用運動控制技術開展迅速，應用廣泛。近年來，隨著運動控制技術的不斷進步和完善，通用運動控制器作為一個獨立的工業(yè)自動化控制類產品，已經被越來越多的產業(yè)領域接受，根據(jù)ARC近期的一份研究，世界通用運動控制市場已超過40億美元，并且有望在未來5年內綜合增長率到達6.3％一個典型的運動控制系統(tǒng)主要由運動部件、傳動機構、執(zhí)行機構、驅動器和運動控制器構成，整個系統(tǒng)的運動指令由運動控制器給出，因此運動控制器是整個運動控制系統(tǒng)的靈魂。6/22/2023555.3.4運動控制系統(tǒng)通用運動控制器分類〔按結構〕基于計算機標準總線的運動控制器，是把具有開放體系結構，獨立于計算機的運動控制器與計算機相結合構成Soft型開放式運動控制器，提供給用戶最大的靈活性，運動控制軟件全部裝在計算機中，而硬件局部僅是計算機與伺服驅動和外部I/O之間的標準化通用接口嵌入式結構的運動控制器，這種運動控制器是把計算機嵌入到運動控制器中的一種產品，它能夠獨立運行。6/22/2023565.3.4運動控制系統(tǒng)基于PC總線的開放式運動控制器

基于PC總線的開放式運動控制器是目前自動化領域應用最廣、功能最強的運動控制器，并且在全球范圍內得到了廣泛的應用。一個基于PC總線的運動控制系統(tǒng)的典型構成應用程序指令反饋電機運動控制器上位計算機驅動器運動指令6/22/2023575.3.4運動控制系統(tǒng)運動控制器分類〔按運動控制的特點和應用〕點位控制運動控制器，PCB鉆床、SMT、晶片自動輸送、IC插裝機、引線焊接機、紙板運送機驅動、包裝系統(tǒng)……連續(xù)軌跡控制運動控制器，數(shù)控車、銑床，雕刻機、激光切割機、激光焊接機、激光雕刻機、數(shù)控沖壓機床、快速成型機……同步控制運動控制器，套色印刷、包裝機械、紡織機械、飛剪、拉絲機、造紙機械、6/22/2023585.3.4運動控制系統(tǒng)運動控制技術已經成為現(xiàn)代化的"制器之技"，運動控制器不但在傳統(tǒng)的機械數(shù)控行業(yè)有著廣泛的應用，而且在新興的電子制造和信息產品的制造業(yè)中起著不可替代的作用通用運動控制技術已逐步開展成為一種高度集成化的技術，不但包含通用的多軸速度、位置控制技術，而且與應用系統(tǒng)的工藝條件和技術要求緊密相關6/22/2023595.4數(shù)字PID控制算法標準數(shù)字PID控制算法數(shù)字PID控制算法的改進數(shù)字PID參數(shù)整定DigitalPIDControlArithmetic6/22/2023605-4-1標準數(shù)字PID控制算法PID是Proportional〔比例〕、Integral〔積分〕、Differential〔微分〕三者的縮寫。在過程控制中，按誤差信號的比例、積分和微分進行控制的調節(jié)器，簡稱PID調節(jié)器，是技術成熟、應用最為廣泛的一種調節(jié)器6/22/2023615-4-1標準數(shù)字PID控制算法標準的模擬PID式中：Kc、Ti、Td分別為模擬調節(jié)器的比例增益、積分時間和微分時間,u0為偏差e=0

時的調節(jié)器輸出,又稱之為穩(wěn)態(tài)工作點。6/22/202362采樣周期與控制周期的概念模擬PID調節(jié)規(guī)律的離散化在控制器的采樣時刻t=kT時因此，PID的數(shù)字算式如下式5-4-1標準數(shù)字PID控制算法6/22/202363數(shù)字PID又可寫成上面兩個算式又稱為PID位置算式其中稱為積分系數(shù)

稱為微分系數(shù)5-4-1標準數(shù)字PID控制算法6/22/202364PID位置算式的問題由積分項的存在所產生PID增量算式

由

，可得5-4-1標準數(shù)字PID控制算法6/22/202365PID增量算式的另一種形式增量PID算法的優(yōu)點是編程簡單,數(shù)據(jù)可以遞推使用,占用內存少,運算快。增量PID算法得到k采樣時刻計算機的實際輸出控制量為5-4-1標準數(shù)字PID控制算法6/22/2023665-4-1標準數(shù)字PID控制算法PID控制仿真例6/22/2023675-4-2數(shù)字PID控制算法的改進

1.實際微分PID控制算法微分的作用理想微分的PID算法模擬調節(jié)器實現(xiàn)的微分作用理想微分作用的實際缺陷實際微分作用6/22/202368理想微分PID與實際微分PID在單位階躍輸入時,它們輸出的控制作用

(A)理想微分PID積分項比例項

u012345678kT微分項比例項

u

012345678kT項

(B)實際微分PID微積分分項5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進6/22/202369理想微分PID與實際微分PID其區(qū)別在于實際微分多了個一階慣性環(huán)節(jié)，即如下圖圖中因為u’(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6/22/202370理想微分PID與實際微分PID故：經計算，可得實際微分位置型控制算式

5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進6/22/202371理想微分PID與實際微分PID實際微分增量型控制算式實際微分的其它形式Gf(s)為一階超前/一階滯后環(huán)節(jié),或將理想微分作用改為微分/一階慣性環(huán)節(jié)5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進6/22/2023722.微分先行PID控制算法〔“測量值微分〞〕出發(fā)點：防止因給定值變化給控制系統(tǒng)帶來超調量過大、調節(jié)閥動作劇烈的沖擊。特點：只對測量值(被控量)進行微分,而不對偏差微分,也即對給定值無微分作用。偏差計算：正作用反作用5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進6/22/202373標準PID算式中的微分作用改進后的微分作用算式那么為正作用：反作用：5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進6/22/202374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6/22/2023753.積分別離PID算法提出的背景根本思想當│e(k)│＞A時,用P或PD控制；│e(k)│≤A時,用PI或PID控制。注：1〕A值需要適中選取；2〕Kc應根據(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6/22/202376積分別離PID算法示意圖

y曲線2：標準PID曲線3：A過小曲線1

0t

R

APDPIDPD5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進6/22/2023774.遇限切除積分PID算法執(zhí)行機構機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根本思想：一旦計算出的控制量u(k)進入飽和區(qū),一方面對控制量輸出值限幅；另一方面增加判別程序,算法中只執(zhí)行削弱積分飽和項的積分運算,而停止增大積分飽和項的運算。5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進6/22/2023785.提高積分項積分的精度積分項的作用：比較重要提高其積分項的運算精度的方法原來的方法：改進方法5-4-2數(shù)字PID控制算法的改進6/22/202379整定過程先按模擬PID控制參數(shù)整定方法來選擇，然后在適當調整，并考慮采樣周期對整定參數(shù)影響采樣周期確實定〔一般規(guī)律〕5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定6/22/2023805-4-3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，從較大比例帶開始，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Ku，按以下經驗公式計算Kc、Ti和Td?？刂埔?guī)律KTiTdPPIPID0.50Ku0.46Ku0.63Ku-0.85Tu0.50Tu--0.13Tu6/22/202381動態(tài)特性法〔響應曲線法〕在系統(tǒng)處于開環(huán)情況下，首先做被控對象的階躍曲線，從該曲線上求得對象的純滯后時間τ、時間常數(shù)Tτ和放大系數(shù)K。然后在按表4.2經驗公式計算Kc、Ti和Td。5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定6/22/202382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6/22/2023833.基于偏差積分指標最小的整定參數(shù)法常用三種指標：最正確整定參數(shù)應使這些積分指標最小，不同積分指標所對應的系統(tǒng)輸出被控變量響應曲線稍有差異一般情況下，ISE指標的超調量大，上升時間快；IAE指標的超調量適中，上升時間稍快；ITAE指標的超調量小，調整時間也短。5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定6/22/2023844.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，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差減小積分時間Ti，將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，使余差〔靜差〕消除加快。增大微分時間Td，將使系統(tǒng)的響應加快，但對擾動有敏感的響應，可使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。試湊時，可參考上述參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行先比例，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6/22/202385試湊法整定步驟：〔1〕首先整定比例局部。將比例系數(shù)由小變大，觀察相應響應，直到得到反響較快，超調較小的響應曲線。假設系統(tǒng)靜差較小，滿足要求可采用純比例控制。〔2〕如果純比例控制有較大余差，那么需要參加積分作用。積分時間從大變小，同時調整比例增益，使系統(tǒng)保持良好的動態(tài)性能，反復調整比例增益和積分時間，以得到滿意的動態(tài)性能?！?〕假設使用比例積分控制，反復調整仍達不到滿意的效果，那么可參加微分環(huán)節(jié)。在整定時，微分時間從小變大，相應調整比例增益和積分時間，逐步試湊，以得到滿意的動態(tài)性能。5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定6/22/2023865-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定比例增益對控制系統(tǒng)過渡過程的影響KP=2.85KP=1.856/22/2023875-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定KP=2.4KP=2.4Ti=2KP=2.4

Ti=1積分時間對控制系統(tǒng)過渡過程的影響6/22/2023885-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定微分時間對控制系統(tǒng)過渡過程的影響KP=2.4Ti=1Td=0.25KP=2.4

Ti=1Td=0.46/22/202389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6/22/202390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6/22/202391PID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6/22/202392KP=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6/22/202393其他先進的自動整定方法基于繼電反響控制(relayfeedbackcontrol)基于模式識別(patternrecognition)基于專家系統(tǒng)(expertsystem)原理5-4-3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定6/22/2023945.5常規(guī)控制方案串級控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)純滯后補償控制系統(tǒng)RoutineControlScheme6/22/2023955-5-1串級控制系統(tǒng)

串級控制系統(tǒng)根本概念主調節(jié)回路要保證控制精度，主調節(jié)器一般采用PID控制器副調節(jié)回路克服主要干擾，系統(tǒng)中起“粗調〞作用，副調節(jié)器一般采用P或PI控制器。6/22/202396雙回路串級控制系統(tǒng)副變送器主變送器主參數(shù)給定值r通用的計算機串級控制系統(tǒng)示意框圖u2主調節(jié)器副調節(jié)器e1e2u1副對象主對象二次擾動一次擾動副參數(shù)主參數(shù)y1y2執(zhí)行機構D/AA/DA/D5-5-1串級控制系統(tǒng)

6/22/202397串級控制系統(tǒng)在每個采樣周期的計算順序采樣并獲得當前輸出采樣值；計算主回路的偏差e1(k)；計算主回路PID控制器的輸出u1(k)；計算副回路的偏差e2(k)；計算副回路PID控制器的輸出u2(k)；輸出到被控對象。5-5-1串級控制系統(tǒng)

6/22/202398串級控制系統(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，但因副對象響應速度較快，故應以副回路為準。5-5-1串級控制系統(tǒng)

6/22/202399串級控制系統(tǒng)的應用目的用于抑制系統(tǒng)的主要干擾用于克服對象的純滯后用于減少對象的非線性影響5-5-1串級控制系統(tǒng)

6/22/20231005-5-1串級控制系統(tǒng)

例：反響釜的單回路控制、串級控制6/22/20231015-5-1串級控制系統(tǒng)

例：加熱爐的串級控制6/22/2023102前饋控制系統(tǒng)的根本思想：不變性原理主要特點是一個開環(huán)系統(tǒng)應用前提是擾動可測只能針對某一特定的干擾實施控制較少單獨使用，一般結合反響控制，構成前饋-反響〔Feedforword-Feedback)控制5-5-2前饋控制系統(tǒng)

6/22/2023103典型的前饋-反響控制系統(tǒng)Gf(s)Gd(s)D/AG

(s)PIDA/Dreucy擾動dufub5-5-2前饋控制系統(tǒng)

6/22/2023104前饋-反響控制算法的流程計算反響控制的偏差e(k)；計算反響控制器(PID)的輸出ub(k)；計算前饋控制器Gf(s)的輸出uf(k)；計算前饋－反響調節(jié)器的輸出uc(k)。前饋-反響控制系統(tǒng)往往可以取得較好的控制效果，實際中也常采用前饋-串級控制。5-5-2前饋控制系統(tǒng)

6/22/20231055-5-2前饋控制系統(tǒng)

凝液蒸汽QC例：換熱器前饋控制系統(tǒng)6/22/20231065-5-2前饋控制系統(tǒng)

例：精餾塔前饋-反響控制系統(tǒng)6/22/20231075-5-3純滯后補償控制系統(tǒng)史密斯(Smith)純滯后補償器根本思想建立過程的動態(tài)特性的模型；將模型參加到反響控制系統(tǒng)中，有延遲的一局部用于抵消被延遲了τ的被控量；無延遲局部反映到調節(jié)器，讓調節(jié)器提前動作，從而可明顯地減少超調量和加快調節(jié)過程。預估是純滯后控制中的根本方法6/22/2023108史密斯(Smith)純滯后補償器Gc(s)

Gp(s)Gp(s)rduyy'Gs(s)史密斯預估控制系統(tǒng)示意框圖mqe5-5-3純滯后補償控制系統(tǒng)6/22/2023109史密斯(Smith)純滯后補償器圖中虛框即為史密斯預估器，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純滯后補償控制系統(tǒng)6/22/2023110史密斯(Smith)純滯后補償控制系統(tǒng)實施純滯后的表示設采樣周期為T，那么由于純滯后τ的存在，信號要延遲N個周期內存中設N個單元存放信號m(k)的歷史數(shù)據(jù)第N號單元里的內容即為m(k)滯后N個采樣周期后的信號q(q=m(k-N))。5-5-3純滯后補償控制系統(tǒng)6/22/2023111史密斯(Smith)純滯后補償控制系統(tǒng)實施史密斯預估控制系統(tǒng)的計算順序計算反響回路的偏差e(k)：控制器的輸出u(k)：史密斯預估器的輸出：5-5-3純滯后補償控制系統(tǒng)6/22/2023112史密斯(Smith)純滯后補償控制系統(tǒng)實施前面式中的m(k)根據(jù)被控對象的數(shù)學模型Gp(s)的差分形式和控制器的輸出u(k)計算得到。教材中給出了對象為一階加純滯后的史密斯(Smith)預估器控制算式。5-5-3純滯后補償控制系統(tǒng)6/22/202