计算机控制系统中的控制策略.ppt

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1、2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,1,第五章 计算机控制系统中的控制策略,5.1数字滤波和数据处理5.2数字PID控制,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,2,第一节 Unit 1,数字滤波和数据处理Data Filtering and Data Processing,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,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,3,5-1 数字滤波和数据处理,进行数字滤波和处理的必要性提高抗干扰能力检测系统异常状态，发出报警信号防止测量系统故障引起错误的控制行为校正信号，提高测量精度,2023/1

2、0/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,4,5-1-1 采样数据的合理性判别及报警(1),越限的限幅与报警采样值超过规定的界限（上、下限，可能是系统发生异常或出现大的干扰）可采用如下方法进行处理：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,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,5,5-1-1 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客观规律和操作经验过程机理能量平衡物料平衡热量平衡变化规律根据运算模块进行检查被

3、零除负数开方数据溢出常见的处理方法一般通道：连续出现规定次数后报警，停止在线程序重要通道：设计专门的故障诊断系统甚至容错系统,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,6,5-1-2 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,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,7,算术平均值滤波（周期性干扰信号）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

4、法（1）,递推算式,平均算式,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,8,5-1-2 数字滤波平均值滤波法（2）,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,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，但应满足,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,9,5-1-2 数字滤波中值滤波法,中值滤波（脉冲性干扰）在某采样瞬间对被测参数连续采样3次或以上,选择大小居中的数据作为有效信号。可结合使用平均值滤波和中值滤波法，对周期性干扰噪声和偶然

5、出现的脉冲干扰信号都有良好的滤波效果。,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,10,5-1-2 数字滤波惯性滤波法(一阶滞后滤波),惯性滤波法（高频干扰信号）用软件实现RC低通滤波器功能,动态方程为 离散化后动态方程(T为采样周期),（其中 Tf=RC，称为滤波时间常数）,0a1,称为滤波系数,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,11,5-1-2 数字滤波程序判断滤波,程序判断滤波（限速滤波）：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y0,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,12,5-1-2 数字

6、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。,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,13,5-1-3 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：如孔板差压与流量、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,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,14,第二节 Unit 2,数字PID控制算法Data PID Control Arithmetic,校正的基本概念标准数字PID控制算法

7、数字PID控制算法的改进数字PID控制器的参数整定,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,15,5-2-1校正的基本概念（1）,校正的概念通过引入的校正装置的零、极点，来改变整个系统的零、极点分布，从而使系统满足希望的性能要求。校正方式：校正方式的选用主要取决于系统本身的结构特点、采用的元器件、信号的性质、经济条件及设计者的经验。校正装置不是唯一的。,串联校正装置Gc(s),2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,16,5-2-1校正的基本概念（2）,校正方式复合校正：可以全面改善系统性能，结构较为复杂。定量顺馈补偿的复合校正按扰动量前馈补偿,给定元件,串

8、联校正装置Gc1(s),原有部分G0(s),反馈装置,输出信号,顺馈校正装置Gc2(s),Gf(s),前馈校正装置Gc2(s),扰动,+,输入信号r(k),c(t),2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,17,5-2-1校正的基本概念（3）,PID调节器PID即比例+积分+微分调节器，它们的不同组合构成了不同类型的调节器。,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,18,5-2-1校正的基本概念（4）,标准的模拟PID式中：Kc、Ti、Td 分别为模拟调节器的比例增益、积分时间和微分时间。,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,19,5-

9、2-1 标准数字PID控制算法（1）,采样周期与控制周期的概念模拟PID调节规律的离散化在控制器的采样时刻 t=kT时因此，PID的数字算式如下式,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,20,5-2-1 标准数字PID控制算法（2）,数字PID又可写成上面两个算式又称为PID位置算式其中 称为积分系数,称为微分系数PID位置算式的问题由积分项 的存在所产生,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,21,5-2-1 标准数字PID控制算法（3）,PID增量算式 由，可得PID增量算式的另一种形式,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,22

10、,5-2-1 标准数字PID控制算法（4）,增量PID算法的优点是编程简单,数据可以递推使用,占用内存少,运算快。增量PID算法得到 k 采样时刻计算机的实际输出控制量为,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,23,5-2-2 数字PID控制算法的改进（1）,1.实际微分PID控制算法微分的作用理想微分的PID算法模拟调节器实现的微分作用理想微分作用的实际缺陷实际微分作用,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,24,5-2-2 数字PID控制算法的改进（2）,理想微分PID与实际微分PID在单位阶跃输入时,它们输出的控制作用,2023/10/22,第五章

11、 计算机控制系统中的控制策略,25,5-2-2 数字PID控制算法的改进（3）,理想微分PID与实际微分PID其区别在于实际微分多了个一阶惯性环节，即如图所示图中因为u(t)为理想PID的输出，Gf(s)是一阶惯性环节,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,26,理想微分PID与实际微分PID故：经计算，可得实际微分位置型控制算式，,5-2-2 数字PID控制算法的改进（4）,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,27,理想微分PID与实际微分PID实际微分增量型控制算式实际微分的其它形式Gf(s)为一阶超前/一阶滞后环节将理想微分作用改为微分/一阶惯性

12、环节,5-2-2 数字PID控制算法的改进（5）,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,28,5-2-2 数字PID控制算法的改进（6）,2.微分先行PID控制算法（“测量值微分”）出发点：避免因给定值变化给控制系统带来超调量过大、调节阀动作剧烈的冲击。特点：只对测量值(被控量)进行微分,而不对偏差微分,也即对给定值无微分作用。,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,29,5-2-2 数字PID控制算法的改进（7）,微分先行PID控制算式,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,30,5-2-2 数字PID控制算法的改进（8）,3.积分

13、分离PID算法提出的背景基本思想 当 e(k)A 时,用P或PD 控制；e(k)A 时,用PI或PID控制。A值需要适当选取积分分离PID控制算式,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,31,5-2-2 数字PID控制算法的改进（9）,积分分离PID算法示意图,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,32,5-2-2 数字PID控制算法的改进（10）,4.遇限切除积分PID算法执行机构机械性能与物理性能的约束 积分饱和该算法是抑制积分饱和的方法之一基本思想：一旦计算出的控制量u(k)进入饱和区,一方面对控制量输出值限幅；另一方面增加判别程序,算法中只执行削

14、弱积分饱和项的积分运算,而停止增大积分饱和项的运算。,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,33,5-2-2 数字PID控制算法的改进（11）,遇限切除积分PID控制算式,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,34,5-2-2 数字PID控制算法的改进（12）,5 带死区PID控制算法,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,35,5-2-2 数字PID控制算法的改进（13）,5.提高积分项积分的精度积分项的作用：比较重要提高其积分项的运算精度的办法原来的方法：改进的方法：,0,j-1,j,0,j-1,j,2023/10/22,第五章

15、计算机控制系统中的控制策略,36,5-2-3 数字PID控制的参数整定（1）,参数整定的基本概念通过调整控制台参数（Kc、Ti、Td,），使控制器的特性与被控过程的特性相匹配,以满足某种反映控制系统质量的性能指标。数字PID的参数整定除了Kc、Ti、Td 外，还需要确定系统的采样周期（控制周期）T参数整定方式人工整定方式。自整定、自适应整定方式：智能PID控制、模糊PID控制、神经网络PID控制、预测PID控制、遗传算法PID控制、鲁棒PID控制、非线性PID控制等,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,37,5-2-3 数字PID控制的参数整定（2）,采样周期的确定（一般

16、规律）,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,38,5-2-3 数字PID控制的参数整定（3）,PID调节器参数的人工整定方法：在实际工程应用中，许多控制对象的数学模型都难以得到，因此难以用解析法来设计控制器的参数，大多数PID调节器是在现场进行调节的，为此提出了许多不同类型的调节律。利用这些调节律，可以对PID进行精确而细致的现场调节。齐格勒和尼柯尔斯(Ziegler和Nichols)提出了调整PID控制器的法则。包括两种方法，分别适用于不同的系统类型。,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,39,5-2-3 数字PID控制的参数整定（4）,齐格勒-尼

17、柯尔斯调节律的第一种方法：控制对象不包括积分器和主导共轭复数极点。这时控制对象的单位阶跃响应为一条S形曲线。（如不是S形曲线则不能应用此方法）,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,40,5-2-3 数字PID控制的参数整定（5）,齐格勒-尼柯尔斯调节律的第二种方法：只采用比例控制时，使Kc从0增加，直至系统的输出首次出现持续振荡。此时Kc的值称为临界值Kcr，相应的振荡周期为Tcr。（如不论怎样选择的值，系统的输出都不会呈现持续振荡，则不能应用这种方法）,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,41,PD调节器,5-2-3 数字PID控制的参数整定（6）,PID调节器的实现：,PI调节器,PID调节器,2023/10/22,第五章 计算机控制系统中的控制策略,42,5-2-3 数字PID控制的整定参数(7),自动整定(auto-tuning)的概念较为成熟的自动整定方法基于继电反馈控制(relay feedback control)基于模式识别(pattern recognition)基于专家系统(expert system)原理控制器参数的优化计算整定,