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第五章 计算机控制系统中的控制策略(1)Control Strategy of Computer System,黄松清安徽工业大学 电气信息学院 自动化系2013年2月,本章主要内容,数字滤波和数据处理数字PID控制算法基于数字PID控制的多回路控制系统模型预测控制模糊控制控制策略的工程实现,第一节 Unit 1,数字滤波和数据处理Data Filtering and Data Processing,本节主要内容,采样数据的合理性判别及报警数字滤波数字处理软测量简介,6-1 数字滤波和数据处理,进行数字滤波和处理的必要性实际中的计算机控制系统是采样系统，采样中的原始信号除了开关量、频率量、脉冲量外，大量的是模拟信号主要内容合理性的判别与滤波进行线性化处理软测量的基本思想,5-1-1 采样数据的合理性判别及报警(1),越限的限幅与报警 设某通道当前采样值为y(k)yL y(k)yH 时;y(k)为当前采样有效值 y(k)yH,取 y(k)=yH(上限值)，报警 y(k)yL,取 y(k)=yL(下限值)，报警,5-1-1 采样数据的合理性判别及报警(2),对采样数据进行分析判断分析判断的根据过程机理等客观规律和操作经验根据运算模块进行检查常见的处理方法一般通道：有限次数后报警，停止在线程序重要通道：设计冗余或故障诊断系统甚至容错系统,5-1-2 数字滤波（又称软件滤波）,数字滤波的必要性及优点与RC滤波器结合使用，可抑制大多数引入过程的干扰不需要增加硬设备稳定性好,且一种滤波程序可以反复调用使用灵活、方便,便于修改,算术平均值滤波其中算术平均的次数m值决定了信号的平滑度和灵敏度。适用于对流量、压力及沸腾状液面一类信号作平滑处理。,5-1-2 数字滤波平均值滤波法（1）,5-1-2 数字滤波平均值滤波法（2）,实现方法可以在一个采样瞬间对一个测点多次采样后,计算出其平均值也可以对多个采样周期的平均采样值作递推滤波使用递推运算时,为加快运算速度,可以利用上一次计算出的值,通过下面的递推平均滤波算式计算出当前采样时刻的有效采样信号。,5-1-2 数字滤波平均值滤波法（3）,加权递推平均滤波(滑动平均值滤波)基本思想：算术平均值滤波对每个采样值给出相同的权重系数,即1/m。若要增加新采样值在有效信号中的比重,提高系统对当前所受干扰的灵敏度,实际应用时,可采用加权递推平均滤波,其算式为常数 ai 的选取是多种多样的，满足,5-1-2 数字滤波中值滤波法（1）,中值滤波的基本原理在某采样瞬间对被测参数连续采样3次或3的倍数,选择大小居中的数据（或数组再作平均后）作为有效信号。适用范围能有效地去除由于偶然因素引起的波动或因采样器的不稳定造成的误码等脉冲性干扰。平均值滤波对具有周期性干扰噪声的信号比较有效，中值滤波法对偶然出现的脉冲干扰信号有良好的滤波效果，可结合使用。,5-1-2 数字滤波惯性滤波法(一阶滞后滤波),惯性滤波法基本概念用软件实现RC低通滤波器功能,动态方程为 其中 Tf=RC，称为滤 波时间常数离散化后动态方程，T为采样周期,得,0a1,称为滤波系数。,5-1-2 数字滤波程序判断滤波,基本概念 克服偶然的、大幅度的跳码干扰比较两个相邻采样瞬间采样值的大小关键正确选择y0。故该法又叫限速(变化率)滤波法,|y(k)-y(k-1)|,y0,则 y(k)=y(k),y0,则 y(k)=y(k-1),5-1-2 数字滤波,各种滤波方法的特点与应用平均值滤波适用于周期性干扰；加权平均递推滤波适用于纯滞后较大的过程；中值滤波和程序判断滤波适用于偶然出现的脉冲干扰；惯性滤波适用于高频干扰。,5-1-3 数据处理,目的经过处理后，可直接引用采样数据。常见的数据处理内容线性化处理：(1)孔板差压与流量(2)热电偶的热电势与温度校正运算：如温度补偿测量值与工程量的转换：(1)线性值公式；(2)开方值转换公式；(3)热电偶与热电阻公式,5-1-4 软测量简介（1）,问题的提出背景实际生产过程中，一些重要质量指标变量如精馏塔的产品组分浓度、生物发酵罐中菌体浓度、炼铁炉中的温度等都难以直接测量，以前的解决方法：（1）采用间接的质量指标：如温度控制（2）采用在线分析仪表采用软测量方法及其应用技术,5-1-4 软测量简介（2）,何谓软测量选择与被估计变量相关的一组可测变量，构造出某种以可测变量为输入、被估计变量为输出的数学模型，用计算机软件实现的对重要过程变量的在线实时估计。该变量可能将直接用于控制或优化。这类数学模型及相应的计算机软件被称为软测量器或“软仪表”。,5-1-4 软测量简介（3）,软测量技术包括三个部分：软测量建模方法模型实时演算的工程化实施技术模型自校正（模型维护）技术软测量的一般公式软测量是实用性的应用技术，它以软测量模型在线运算并给出准确的估计值为目标,5-1-4 软测量简介（4）,软测量工程化设计步骤初选辅助变量现场数据采集与处理辅助变量的精选软测量模型的结构选择模型参数估计软测量模型实施在线数据预处理,软测量模型精度保证机制：在线自校正和不定期的模型更新,第二节 Unit 2,基于数字PID的多回路控制系统Multi-loop Control System Based on Digital PID,串级控制系统前馈控制系统纯滞后补偿控制系统,本节主要内容,5-3-1 串级控制系统（1）,串级（Cascade）控制系统基本概念串级控制技术是改善调节品质的有效方法之一，它是在单回路PID控制的基础上发展起来的一种控制技术，并且得到了广泛应用；在串级控制中，有主回路、副回路之分。一般主回路只有一个，而副回路可以是一个或多个。主回路的输出作为副回路的设定值修正的依据，副回路的输出作为真正的控制量作用于被控对象；主调节回路要保证控制精度，一般采用PID控制器；副调节回路克服主要干扰，系统中起“粗调”作用，副调节器一般采用P或PI控制器；,串级控制系统基本概念(续),串级控制系统基本概念(续),如果煤气管道中的压力是恒定的，为了保持炉温恒定，只需测量出料实际温度，并使其与温度设定值比较，利用二者的偏差控制煤气管道上的阀门。当煤气总管压力恒定时，阀位与煤气流量保持一定的比例关系，一定的阀位，对应一定的流量，也就是对应一定的炉子温度，在进出料数量保持稳定时，不需要串级控制；但实际的煤气总管同时向许多炉子供应煤气，煤气压力不可能恒定，此时煤气管道阀门位置并不能保证一定的流量；在单回路调节时，煤气压力的变化引起流量的变化，且随之引起炉温的变化，只有在炉温发生偏离后才会引起调整，因此，时间滞后很大。由于时间滞后，上述系统仅靠一个主控回路不能获得满意的控制效果，而通过主、副回路的配合将会获得较好的控制质量为了及时检测系统中可能引起被控量变化的某些因素并加以控制，在该炉温控制系统的主回路中，增加煤气流量控制副回路，构成串级控制结构，,5-3-1 串级控制系统（2）,双回路串级控制系统,5-3-1 串级控制系统 例,双回路串级控制系统的传递函数PID控制系统的仿真图,5-3-1 串级控制系统（2）,PVprocess variable,5-3-1 串级控制系统（3）,串级控制系统在每个采样周期的计算顺序采样并获得当前输出采样值；计算主回路的偏差e1(k)；计算主回路PID控制器的输出u1(k)；计算副回路的偏差e2(k)；计算副回路PID控制器的输出u2(k)；输出到被控对象。,5-3-1 串级控制系统（4）,串级控制系统的控制方式异步采样控制即主回路的采样控制周期T1是副回路采样控制周期T2的整数倍。同步采样控制即主、副回路的采样控制周期相同，但因副对象响应速度较快，故应以副回路为准。,5-3-1 串级控制系统（5）,串级控制系统的应用目的用于抑制系统的主要干扰用于克服对象的纯滞后 用于减少对象的非线性影响,5-3-2 前馈控制系统（1）,前馈控制系统的基本思想：不变性原理(invariance theory)自动控制理论中研究扼制和消除扰动对控制系统影响的理论。实际的控制系统都会受到外部扰动的影响。如果这种扰动能够被测量出来，就有可能利用它来产生控制作用，以消除其对输出的影响。这种设计原理就是不变性原理。当系统的被控制变量完全不受扰动作用的影响时，即称系统对扰动实现了完全不变性。当只是被控制变量的稳态不受扰动影响时（动态可能仍受影响），则称实现了稳态不变性。不变性原理确立了系统实现不变性所应满足的条件，为设计和构成高精度、高性能的自动控制系统提供了理论上的依据。,不变性原理(续),不变性原理由苏联学者.谢巴诺夫在1939年首先提出。4050年代苏联学者.卢津、.彼德罗夫等对此进行了系统的研究，使之发展成为一整套完整的理论。在西方，C.D.约翰逊继苏联学者之后也独立地提出，在作用有外扰动的控制系统中，应当把控制分成两部分，一部分用来抵消扰动的作用，另一部分用来实现跟踪控制（使系统的状态按给定的规律变化），并建立了这种抵消扰动的理论。,串级控制的主要特点是一个开环系统应用前提是扰动可测只能针对某一特定的干扰实施控制较少单独使用，一般结合反馈控制，构成前馈-反馈（Feedforword-Feedback)控制,5-3-2 前馈控制系统（2）,典型的前馈-反馈控制系统,5-3-2 前馈控制系统（3）,前馈-反馈控制算法的流程计算反馈控制的偏差e(k)；计算反馈控制器(PID)的输出ub(k)；计算前馈控制器Gf(s)的输出uf(k)；计算前馈反馈调节器的输出uc(k)。前馈-反馈控制系统往往可以取得较好的控制效果，实际中也常采用前馈-串级控制。,5-3-2 纯滞后补偿控制系统（1）,史密斯(Smith)纯滞后补偿器基本思想建立过程的动态特性的模型；将模型加入到反馈控制系统中，有延迟的一部分用于抵消被延迟了的被控量；无延迟部分反映到调节器，让调节器提前动作，从而可明显地减少超调量和加快调节过程。预估是纯滞后控制中的基本方法,5-3-2 纯滞后补偿控制系统（2）,史密斯(Smith)纯滞后补偿器基本思想,5-3-2 纯滞后补偿控制系统（1）,5-3-2 纯滞后补偿控制系统（3）,史密斯(Smith)纯滞后补偿器图中虚框即为史密斯预估器，其等效传递函数Gs(s)为 Gs(s)=Gp(s)(1)闭环传递函数为,5-3-2 纯滞后补偿控制系统（4）,史密斯(Smith)纯滞后补偿控制系统实施纯滞后的表示设采样周期为T，则由于纯滞后的存在，信号要延迟 N 个周期内存中设 N 个单元存放信号m(k)的历史数据第N 号单元里的内容即为m(k)滞后N 个采样周期后的信号q(q=m(k-N)。,5-3-2 纯滞后补偿控制系统（5）,史密斯(Smith)纯滞后补偿控制系统实施史密斯预估控制系统的计算顺序计算反馈回路的偏差e(k)控制器的输出u(k)史密斯预估器的输出,5-3-2 纯滞后补偿控制系统（6）,史密斯(Smith)纯滞后补偿控制系统实施前面式中的m(k)根据被控对象的数学模型Gp(s)的差分形式和控制器的输出u(k)计算得到。有的教材（王慧）中给出了对象为一阶加纯滞后的史密斯(Smith)预估器控制算式。,5-3-2 纯滞后补偿控制系统（7）,史密斯(Smith)预估器的不足对系统受到的负荷干扰无补偿作用；控制效果严重依赖于对象的动态模型精度，特别是纯滞后时间。改进算法加入自适应功能等多回路控制也可与PID改进算法结合应用,结束,The End,