1、第3章 過程通道和人機接口計算機控制技術PAGE 14PAGE 13第4章 數據處處理與控控制策略略本章的教教學目的的與要求求掌握各種種數字濾濾波的原原理、特特點及使使用場合合，數控控技術、數字PPID及及常規控控制系統統，了解解先進控控制系統統。授課主要要內容數字濾波波和數據據處理數控技術術數字PIID常規控制制系統先進控制制系統主要外語語詞匯Digiitall Fiilteer:數數字濾波波，Nuumerricaal CConttroll（NCC）：數數字控制制，Compputeerizzed Nummeriicall Coontrrol(CNCC):計計算機數數字控制制重點、難難點及對對

2、學生的的要求說明：帶帶“*”表示要要掌握的的重點內內容，帶帶“*”表示要要求理解解的內容容，帶“*”表示要要求了解解的內容容，帶“”表表示難點點內容，無任何何符號的的表示要要求自學學的內容容常用的數數字濾波波的原理理、特點點及使用用場合*常用的數數據處理理方法*數字PIID及改改進算法法*常規控制制方法*先進控制制方法*輔助教學學情況多媒體教教學課件件（POOWERRPOIINT）復習思考考題常用的數數字濾波波的原理理、特點點及使用用場合常用的數數據處理理方法數字PIID及改改進算法法常規控制制方法先進控制制方法參考資料料劉川來，胡乃平平，計算算機控制制技術，青島科科技大學學講義PAGE 14

3、第4章 數據處理與控制料略計算機系系統的抗抗干擾不不可能完完全依靠靠硬件解解決，一一般需要要進行數數字濾波波。另外外在計算算機控制制系統中中，根據據實際需需要經常常會用到到數據處處理技術術對數據據進行預預處理。數控技術術和數控控裝備是是制造工工業現代代化的重重要基礎礎。這個個基礎是是否牢固固直接影影響到一一個國家家的經濟濟發展和和綜合國國力，關關系到一一個國家家的戰略略地位。計算機控控制系統統中的控控制策略略是指基基于控制制理論，在被控控對象數數學模型型或操作作人員的的先驗知知識基礎礎上設計計并用計計算機軟軟件實現現的數字字控制器器或某種種控制算算法。4.1 數字濾濾波和數數據處理理數字濾波波

4、是指在在計算機機中利用用某種計計算方法法對原始始輸入數數據進行行數學處處理，去去掉原始始數據中中摻雜的的噪聲數數據，提提高信號號的真實實性，獲獲得最具具有代表表性的數數據集合合。通過數字字濾波得得到比較較真實的的被測參參數，有有時不能能直接使使用，還還需要做做某些處處理。一 數字字濾波我們這里里所說的的數字濾濾波技術術是指在在軟件中中對采集集到的數數據進行行消除干干擾的處處理。采用數字字濾波優優點一是是不需要要增加硬硬件設備備，只需需在計算算機得到到采樣數數據之后后，執行行一段根根據預定定濾波算算法編制制的程序序即可達達到濾波波的目的的；優點點二是數數字濾波波穩定性性好，一一種濾波波程序可可以

5、反復復調用，使用方方便靈活活。1. 平平均值濾濾波法（1）算算術平均均值濾波波對于一點點數據連連續采樣樣多次，計算其其算術平平均值，以其平平均值作作為該點點采樣結結果。這這種方法法可以減減少系統統的隨機機干擾對對采集結結果的影影響。實實質是對對采樣數數據y(i)的的m次測測量值進進行算術術平均，作為時時刻kTT的有效效輸出采采樣值，即 （4.11）m值決定定了信號號平滑度度和靈敏敏度。為提高運運算速度度，可以以利用上上次運算算結果，通過遞遞推平均均濾波算算式 （4.22）得到當前前采樣時時刻的遞遞推平均均值。算術平均均值濾波波和加權權平均值值濾波主主要用于于對壓力力、流量量等周期期性的采采樣值

6、進進行平滑滑加工，但對偶偶然出現現的脈沖沖性干擾擾的平滑滑作用尚尚不理想想，因而而不適用用于脈沖沖性干擾擾比較嚴嚴重的場場合。（2）加加權平均均值濾波波由（4-1）式式可以看看出，算算術平均均值濾波波法對每每次采樣樣值給出出相同的的加權系系數，即即1/mm，實際際上有些些場合需需要增加加新采樣樣值在平平均值中中的比重重，這時時可采用用加權平平均值濾濾波法，其算式式為 （4.33）這種濾波波方法可可以根據據需要突突出信號號的某一一部分，抑制信信號的另另一部分分。適用用于純滯滯后較大大、采樣樣周期短短的過程程。2. 中中值濾波波法所謂中值值濾波是是對某一一參數連連續采樣樣n次，然后把把n次的的采樣

7、值值從小到到大或從從大到小小排隊，再取中中間值作作為本次次采樣值值。中值濾波波對于去去掉由于于偶然因因素引起起的波動動或采樣樣器不穩穩定造成成的誤差差所引起起的脈動動干擾比比較有效效。若變變量變化化比較慢慢，則采采用中值值濾波效效果比較較好，但但對快速速變化的的參數不不宜采用用。如果將平平均值濾濾波和中中值濾波波結合起起來使用用，濾波波效果會會更好。3. 慣慣性濾波波法前面幾種種方法基基本上屬屬于靜態態濾波，主要適適用于變變化過程程比較快快的參數數，如壓壓力、流流量等。對于慢慢速隨機機變量，則采用用短時間間內連續續采樣取取平均值值的方法法，其濾濾波效果果不夠理理想。為提高濾濾波效果果，可以以仿

8、照模模擬系統統RC低低通濾波波器的方方法，將將普通硬硬件RCC低通濾濾波器的的微分方方程用差差分方程程來表示示，用軟軟件算法法來模擬擬硬件濾濾波器的的功能。典型RCC低通濾濾波器的的動態方方程為 （4.44）式（4-4）離離散化可可得低通通濾波算算法為 （4.5）該種濾波波方法模模擬了具具有較大大慣性得得低通濾濾波功能能，主要要適用于于高頻和和低頻的的干擾信信號。4. 程程序判斷斷濾波程序判斷斷濾波的的方法，是根據據生產經經驗，確確定兩次次采樣輸輸入信號號可能出出現的最最大偏差差y。若若超過此此偏差值值，則表表明該輸輸入信號號是干擾擾信號，應該去去掉；如如小于此此偏差值值，則可可以將信信號作為

9、為本次采采樣值。程序判斷斷濾波一一般分兩兩種：（1）限限幅濾波波（2）限限速濾波波數據采集集所采用用的檢測測技術不不同，檢檢測對象象不同，數據的的采集頻頻率、信信噪比不不同，各各種數字字化濾波波算法各各有優缺缺點，所所以我們們在實際際應用中中要根據據情況將將其有機機的結合合起來，為數據據處理選選擇一種種最優的的濾波算算法，保保證數據據準確、快速的的反應被被檢測對對象的實實際，為為生產管管理提供供有效的的數據。二 數據據處理1. 線線性化處處理計算機從從模擬量量輸入通通道得到到的檢測測信號與與該信號號所代表表的物理理量之間間不一定定成線性性關系。而在計計算機內內部參與與運算與與控制的的二進制制數

10、希望望與被測測參數之之間成線線性關系系，其目目的既便便于運算算又便于于數字顯顯示，因因此還須須對數據據做線性性化處理理。在常規自自動化儀儀表中，常引入入“線性化化器”來補償償其他環環節的非非線性，如二極極管陣列列、運算算放大器器等，都都屬于硬硬件補償償，這些些補償方方法一般般精度不不太高。在計算算機數據據處理系系統中，用計算算機進行行非線性性補償，方法靈靈活，精精度高。常用的的補償方方法有計計算法、插值法法、折線線法。（1）計計算法當參數間間的非線線性關系系可以用用數學方方程來表表示時，計算機機可按公公式進行行計算，完成非非線性補補償。在在過程控控制中最最常見的的兩個非非線性關關系是差差壓與流

11、流量、溫溫度與熱熱電勢。用孔板測測量氣體體或液體體流量，差壓變變送器輸輸出的孔孔板差壓壓信號P，同同實際流流量F之之間呈平平方根關關系，即即 （4.88）式中k是是流量系系數。用用數值分分析方法法計算平平方根，可采用用牛頓迭迭代法，設（xx0），則 （4.99）熱點偶的的熱電勢勢同所測測溫度之之間也是是非線性性關系。例如，鎳鉻-鎳鋁熱熱點偶在在400010000范圍內內，可按按下式求求溫度 （4.10）式中E為為熱電勢勢mVV，TT為溫度度。（4.110）式式可以寫寫成 （4.11）可用上式式將非線線性化的的關系分分成多個個線性化化的式子子來實現現。（2）插插值法計算機非非線性處處理應用用最多

12、的的方法就就是插值值法。其其實質是是找出一一種簡單單的、便便于計算算處理的的近似表表達式代代替非線線性參數數。用這這種方法法得到的的公式叫叫做插值值公式。常用的的插值公公式有多多項式插插值公式式、拉格格朗日插插值公式式、線性性插值公公式等（3）折折線法上述兩種種方法都都可能會會帶來大大量運算算，對于于小型工工控機來來說，占占用內存存比較大大，為簡簡單起見見，可以以分段進進行線性性化，即即用多段段折線代代替曲線線。線性化過過程是：首先判判斷測量量數據處處于哪一一折線段段內，然然后按相相應段的的線性化化公式計計算出線線性值。折線段段的分法法并不是是惟一的的，可以以視具體體情況和和要求來來定。當當然

13、，折折線段數數越多，線性化化精度越越高，軟軟件的開開銷也就就相應增增加。校正運算算有時來自自被控對對象的某某些檢測測信號與與真實值值有偏差差，這時時需要對對這些檢檢測信號號進行補補償，力力求補償償后的檢檢測值能能反映真真實情況況。標度變換換在計算機機控制系系統中，生產中中的各個個參數都都有不同同的數值值和量綱綱，這些些參數都都經過變變送器轉轉換成AA/D轉轉換器能能接收的的055V電壓壓信號，又由AA/D轉轉換成000FFFH（8位）的數字字量，它它們不在在是帶量量綱的參參數值，而是僅僅代表參參數值的的相對大大小。為方便操操作人員員操作以以及滿足足一些運運算、顯顯示和打打印的要要求，必必須把這

14、這些數字字量轉換換成帶有有量綱的的數值，這就是是所謂的的標度變變換。 （1）線線性參數數標度變變換所謂線性性參數，指一次次儀表測測量值與與A/DD轉換結結果具有有線性關關系，或或者說一一次儀表表是線性性刻度的的。其標標度變換換公式為為： （44.155）式中，AA0為一次次測量儀儀表的下下限，AAm為一次次測量儀儀表的上上限，AAx為實際際測量值值（工程程量），N0為儀表表下限對對應的數數字量，Nm為儀表表上限對對應的數數字量，Nx為測量量值所對對應的數數字量。其中A00，Am，N0，Nm對于某某一個固固定的被被測參數數來說是是常數，不同的的參數有有不同的的值。為為使程序序簡單，一般把把被測參

15、參數的起起點A0（輸入入信號為為0）所所對應的的A/DD輸出值值為0，即N00，這樣式式（4.15）可化為為： （4.116）有時，工工程量的的實際值值還需經經過一次次變換，如電壓壓測量值值是電壓壓互感器器的二次次測的電電壓，則則其一次次測的電電壓還有有一個互互感器的的變比問問題，這這時上式式應再乘乘上一個個比例系系數： （4.117） （2）非非線性參參數標度度變換在過程控控制中，最常見見的非線線性關系系是差壓壓變送器器信號P與流流量F的的關系（見式（4.88），據據此，可可得測量量流量時時的標度度變換式式為： 即 （4-118）式中G00為流量量儀表下下限值，Gm為流量量儀表上上限值，Gx

16、為被測測量的流流量值，N0為差壓壓變送器器下限所所對應的的數字量量，Nm為差壓壓變送器器上限所所對應的的數字量量，Nx為差壓壓變送器器所測得得的差壓壓值（數數字量）。4. 越越限報警警處理在計算機機控制系系統中，為了安安全生產產，對于于一些重重要的參參數或系系統部位位，都設設有上、下限檢檢查及報報警系統統，以便便提醒操操作人員員注意或或采取相相應的措措施。其其方法就就是把計計算機采采集的數數據經計計算機進進行數據據處理、數字濾濾波、標標度變換換之后，與該參參數上、下限給給定值進進行比較較。如果果高于(或低于于)上限限(或下下限)，則進行行報警，否則就就作為采采樣的正正常值，以便進進行顯示示和控

17、制制。報警系統統一般為為聲光報報警信號號，燈光光多采用用發光二二極管(LEDD)或白白熾燈光光等，聲聲響則多多為電鈴鈴、電笛笛等。有有些地方方也采用用閃光報報警的方方法，即即使報警警的燈光光或聲音音按一定定的頻率率閃爍(或發聲聲)。報警程序序的設計計方法主主要有兩兩種。一一種是全全軟件報報警程序序。另一一種是直直接報警警程序。5. 死死區處理理從工業現現場采集集到的信信號往往往會在一一定的范范圍內不不斷的波波動，或或者說有有頻率較較高、能能量不大大的干擾擾疊加在在信號上上，這種種情況往往往出現現在應用用工控板板卡的場場合，此此時采集集到的數數據有效效值的最最后一位位不停的的波動，難以穩穩定。這

18、這種情況況可以采采取死區區處理，把不停停波動的的值進行行死區處處理，只只有當變變化超出出某值時時才認為為該值發發生了變變化。比比如編程程時可以以先對數數據除以以10，然后取取整，去去掉波動動項。4.2 數控技技術基礎礎數控技術術和數控控設備是是制造工工業現代代化的重重要基礎礎。這個個基礎是是否牢固固直接影影響到一一個國家家的經濟濟發展和和綜合國國力，關關系到一一個國家家的戰略略地位。因此，世界上上各工業業發達國國家均采采取重大大措施來來發展自自己的數數控技術術及其產產業。一 概述述數字控制制是近代代發展起起來的一一種自動動控制技技術，國國家標準準（GBB 8112987）定義為為“用數字字化信

19、號號對機床床運動及及其加工工過程進進行控制制的一種種方法”。采用用數控技技術的控控制系統統稱為數數控系統統，采用用了數控控系統的的設備稱稱之為數數控設備備，以計計算機為為核心的的數控系系統稱為為計算機機數控系系統（CCompputeerizzed Nummeriicall Coontrrol，CNCC）。數控機床床是一種種典型的的數控設設備，由由于數控控技術是是與機床床控制密密切結合合發展起起來的，因此以以往講數數控即指指機床數數控。世界上第第一臺數數控機床床是19952年年美國麻麻省理工工學院（MITT）伺服服機構實實驗室開開發出來來，當時時的主要要動機是是為了滿滿足高精精度和高高效率加加工

20、復雜雜零件的的需要。數控設備備中的構構成如圖圖4.11所示。圖中CCNC是是數控設設備的核核心，它它的功能能是接受受輸入的的控制信信息，完完成數控控計算、邏輯判判斷、輸輸入輸出出控制等等功能。被控對對象可以以是機床床、雕刻刻機、焊焊接機、機械手手、繪圖圖儀、套套色印刷刷機械、包裝機機械等。CNCC通過輸輸入通道道獲得被被控對象象的各種種反饋信信息。飼服系統機電接口輸入通道被控對象CNC圖4.11 數控控設備的的組成二 數控控原理 首先分分析圖44.2所所示的平平面曲形形圖形，如何用用計算機機在繪圖圖儀或數數控加工工機床上上重現，以此來來簡要說說明數字字控制的的基本原原理。1. 將將圖4.2所示

21、示的曲線線分割成成若干段段，可以以是直線線段，也也可以是是曲線段段，圖中中分割成成了三段段，即、和，然后后把a、b、cc、d四四點坐標標記下來來并送給給計算機機。圖形形分割的的原則應應保證線線段所連連的曲線線(或折折線)與與原圖形形的誤差差在允許許范圍之之內。由由圖可見見，顯然然采用、和比、和要精確確得多。Y(xe，ye)(x0，y0)YcdabXX圖4.22曲線分分段 圖4.3用折折線逼近近直線段段2. 當當給定aa、b、c、dd各點坐坐標x和和y值之之后，如如何確定定各坐標標值之間間的中間間值？求求得這些些中間值值的數值值計算方方法稱為為插值或或插補。插補計計算的宗宗旨是通通過給定定的基點

22、點坐標，以一定定的速度度連續定定出一系系列中間間點，而而這些中中間點的的坐標值值是以一一定的精精度逼近近給定的的線段。從理論論上講，插補的的形式可可用任意意函數形形式，但但為了簡簡化插補補運算過過程和加加快插補補速度，常用的的是直線線插補和和二次曲曲線插補補兩種形形式。所所謂直線線插補是是指在給給定的兩兩個基點點之間用用一條近近似直線線來逼近近，也就就是由此此定出中中間點連連接起來來的折線線近似于于一條直直線，而而并不是是真正的的直線。所謂二二次曲線線插補是是指在給給定的兩兩個基點點之間用用一條近近似曲線線來逼近近，也就就是實際際的中間間點連線線是一條條近似于于曲線的的折線弧弧。常用用的二次次

23、曲線有有圓弧、拋物線線和雙曲曲線等。對圖44.2所所示的曲曲線來說說，顯然然ab和和bc段段用直接接插補，cd段段用圓弧弧插補是是合理的的。 3. 把插補補運算過過程中定定出的各各中間點點，以脈脈沖信號號形式去去控制xx、y方方向上的的步進電電機，帶帶動繪圖圖筆、刀刀具等，從而繪繪出圖形形或加工工出所要要求的輪輪廓來。這里的的每一個個脈沖信信號代表表步進電電機走一一步，即即繪圖筆筆或刀具具在x或或y方向向移動一一個位置置。我們們把對應應于每個個脈沖移移動的相相對位置置稱為脈脈沖當量量，又稱稱為步長長，常用用如x和y來表表示，并并且總是是取x=y。 插補運算算就是如如何分配配x和yy方向上上的脈

24、沖沖數，使使實際的的中間點點軌跡盡盡可能地地逼近理理想軌跡跡。實際際的中間間點連接接線是一一條由x和y的增增量值組組成的折折線，只只是由于于實際的的x和y的值值很小，眼睛分分辨不出出來，看看起來似似乎和直直線一樣樣而已。顯然，x和y的增增量值越越小，就就越逼近近理想的的直線段段，圖中中均以“”代代表x和y的長長度。 三 數控控系統分分類1. 按按控制方方式分類類（1）點點位控制制數控系系統（2）直直線控制制數控系系統（3）輪輪廓控制制數控系系統 上述三三種控制制方式中中以點位位控制最最簡單，因為它它的運動動軌跡沒沒有特殊殊要求，運動時時又不加加工，所所以它的的控制電電路只要要具有記記憶（記記下

25、刀具具應走的的移動量量和已走走過的移移動量）和比較較（將所所記憶的的兩個移移動量進進行比較較，當兩兩個數值值的差為為零時，刀具立立即停止止）的功功能即可可，根本本不需要要插補運運算。和和點位控控制相比比，直線線控制要要進行直直線加工工，控制制電路要要復雜一一些。輪輪廓控制制要控制制刀具準準確的完完成復雜雜的曲線線運動，所以控控制電路路復雜，且需要要進行一一系列的的插補計計算和判判斷。2. 按按系統結結構分類類（1）開開環數控控系統指令步進電機驅動電路工作臺步進電機圖4.44 開環環數控系系統結構構圖（2）全全閉環數數控系統統速度反饋位置比較電路工作臺速度控制電路指令步進電機位置反饋圖4.55

26、全閉閉環數控控系統結結構圖（3）半半閉環數數控系統統步進電機位置反饋指令位置比較電路速度反饋工作臺速度控制電路圖4.66 半閉閉環數控控系統結結構圖4.3 數字PPID控控制算法法一 標準準數字PPID控控制算法法在模擬控控制系統統中，按按給定值值與測量量值的偏偏差e進進行控制制的PIID控制制器是一一種線性性調節器器，其PPID表表達式如如下 （4.221）式中的、分別為為模擬調調節器的的比例增增益、積積分時間間和微分分時間，為偏差差時的調調節器輸輸出，常常稱之為為穩態工工作點。要實現式式（4.21）所示的的PIDD控制規規律，就就要將其其離散化化。設控控制周期期為則在在控制器器的采樣樣時刻

27、時時，通過過下述差差分方程程 ， 可得到式式（4.21）的數字字算式為為 （4.22AA）或寫成 （4.222B）式（4.22AA）和（4.22BB）給出出的是執執行機構構在采樣樣時刻的的位置或或控制閥閥門的開開度，所所以被稱稱為位置置型PIID算法法。在工業過過程控制制中常采采用另一一種被稱稱為增量量型PIID控制制算法的的算式。采用這這種控制制算法得得到的計計算機輸輸出是執執行機構構的增量量值，其其表達式式為 （4.23）或寫為 （4.224）可見，除除當前偏偏差值ee(k)外，采用增增量式PPID算算法只需需保留前前兩個采采樣周期期的偏差差，即ee(k-1)，在程程序中簡簡單地采采用平移

28、移法即可可保存，免去了了保存所所有偏差差的麻煩煩。增量量PIDD算法的的優點是是編程簡簡單，數數據可以以遞推使使用，占占用內存存少，運運算快。更進一一步，為為了編程程方便起起見，式式（4.24）還可寫寫成 （4.225）由增量PPID算算法得到到采樣時時刻計算算機的實實際輸出出控制量量為 （44.266）二 數字字PIDD控制算算法的改改進1. 實實際微分分PIDD控制算算法PID控控制中，微分的的作用是是擴大穩穩定域，改善動動態性能能，近似似地補償償被控對對象的一一個極點點。從前面的的推導可可知，標標準的模模擬PIID算式式（4-21）與數字字PIDD算式（4-222）式（44-255）中的

29、的微分作作用是理理想的，故它們們被稱為為是理想想微分的的PIDD算法。而模擬擬調節器器由于反反饋電路路硬件的的限制，實際上上實現的的是帶一一階滯后后環節的的微分作作用。計計算機控控制雖可可方便地地實現理理想微分分的差分分形式，但實際際表明，理想微微分的PPID控控制效果果并不理理想。在計算機機控制系系統中，常常是是采用類類似模擬擬調節器器的微分分作用，稱為實實際微分分作用。圖4.7是標標準PIID控制制算法與與實際微微分PIID控制制算法在在單位階階躍輸入入時，輸輸出的控控制作用用。u0 1 2 3 4 5 6 7 8KT項積分微分 項比 例 項項分 項分積u0 1 2 3 4 5 6 7 8

30、KT微比 例 項(a) 理想微微分PIID (b) 實際際微分PPID圖4.77 數字字PIDD控制算算法的單單位階躍躍響應示示意圖從圖中可可以看出出，理想想微分作作用只能能維持一一個采樣樣周期，且作用用很強，當偏差差較大時時，受工工業執行行機構限限制，這這種算法法不能充充分發揮揮微分作作用。而而實際微微分作用用能緩慢慢地保持持多個采采樣周期期，使工工業執行行機構能能較好地地跟蹤微微分作用用輸出。另一方方面，由由于實際際微分PPID控控制算法法中的一一階慣性性環節，使得它它具有一一定的數數字濾波波能力，因此，抗干擾擾能力也也較強。理想PIID與實實際微分分PIDD算式的的區別主主要在于于后者比

31、比前者多多了個一一階慣性性環節，如圖44.8所所示。理想PID 圖4.88 實際際微分PPID控控制算法法示意框框圖圖中 （4.27） 所以 （4.28）將式（44.288）離散散化，可可得實際際微分位位置型控控制算式式 （4.229）式中 其增量型型控制算算式為 （44-300）式中 Y(s)U(s)R(s)圖4.9 實際微分PID控制算法示意框圖2微分分先行PPID控控制算法法當控制系系統的給給定值發發生階躍躍變化時時，微分分動作將將使控制制量大幅幅度變化化，這樣樣不利于于生產的的穩定操操作。為為了避免免因給定定值變化化給控制制系統帶帶來超調調量過大大、調節節閥動作作劇烈的的沖擊，可采用用

32、如圖44.9所所示的方方案。這種方案案的特點點是只對對測量值值（被控控量）進進行微分分，而不不對偏差差微分，也即對對給定值值無微分分作用。這種方方案稱之之為“微分先先行”或“測量值值微分”。考慮慮正反作作用的不不同，偏偏差的計計算方法法也不同同，即 （正作用用） （反作作用） （4.31）標準PIID增量量算式（4-224）中中的微分分項為,改進后的的微分作作用算式式則為 （正正作用） （反作作用） （4.332）3積分分分離PPID算算法積分分離離PIDD算法的的基本思思想是：在偏差差較大時時，暫時時取消積積分作用用；當偏偏差小于于某一設設定值AA時，才才將積分分作用投投入，即即 當|A時時

33、，用PP或PDD控制； 當|A時，用PII或PIID控制制。上式中的的A值需需要適當當選取，A過大大，起不不到積分分分離的的作用；若A過過小，系系統將存存在余差差。4遇限限切除積積分PIID算法法在實際工工業過程程控制中中，控制制變量因因受到執執行機構構機械性性能與物物理性能能的約束束，其輸輸出和輸輸出的速速率總是是限制在在一個有有限的范范圍內，例如 （絕絕對值）| （速率率） 5. 提提高積分分項積分分的精度度在PIDD控制算算法中，積分項項的作用用是消除除余差。為提高高其積分分項的運運算精度度，可將將前面數數字PIID算式式中積分分的差分分方程取取為，即即用梯形形替代原原來的矩矩形計算算。

34、 三 數字字PIDD參數整整定數字PIID控制制參數的的整定過過程是，首先按按模擬PPID控控制參數數的整定定方法來來選擇，然后在在適當調調整，并并考慮采采樣周期期對整定定參數的的影響。1穩定定邊界法法（臨界界比例度度法）選用純比比例控制制，給定定值r作階躍躍擾動，從較大大的比例例帶開始始，逐漸漸減小，直到被被控變量量出現臨臨界振蕩蕩為止，記下臨臨界周期期Tu和和臨界比比例帶u。然然后，按按經驗公公式計算算Kc、Ti和Td。2動態態特性法法（響應應曲線法法）在系統處處于開環環情況下下，首先先做被控控對象的的階躍曲曲線，如如圖4.10所所示，從從該曲線線上求得得對象的的純滯后后時間、時間間常數T

35、T和放大大系數KK。然后后在按經經驗公式式計算KKc、TTi和Td。圖4.10 被控對象階躍響應曲線 3基于于偏差積積分指標標最小的的整定參參數法由于計算算機的運運算速度度快，這這就為使使用偏差差積分指指標整定定PIDD控制參參數提供供了可能能，常用用以下三三種指標標：(4.333)(4.334)(4.335)4試湊湊法在實際工工程中，常常采采用試湊湊法進行行參數整整定。增大比例例系數KKc一般般將加快快系統的的響應，使系統統的穩定定性變差差。減小積分分時間TTi，將將使系統統的穩定定性變差差，使余余差（靜靜差）消消除加快快。增大微分分時間TTd，將將使系統統的響應應加快，但對擾擾動有敏敏感的

36、響響應，可可使系統統穩定性性變差。在試湊時時，可參參考上述述參數對對控制過過程的影影響趨勢勢，對參參數實行行先比例例，后積積分，最最后微分分的整定定步驟。（1）首首先只整整定比例例部分。（2）如如果純比比例控制制，有較較大的余余差，則則需要加加入積分分作用。（3）若若使用比比例積分分控制，反復調調整仍達達不到滿滿意的效效果，則則可加入入微分環環節。4.4 常規規控制方方案一 串級級控制系系統當被控系系統中同同時有幾幾個干擾擾因素影影響同一一個被控控量時，如果仍仍采用單單回路控控制系統統，只控控制其中中一個變變量，將將難以滿滿足系統統的控制制性能。串級控控制系統統是在原原來單回回路控制制的基礎礎

37、上，增增加一個個或多個個控制內內回路，用以控控制可能能引起被被控量變變化的其其它因素素，從而而抑制被被控對象象的時滯滯特性，提高系系統動態態響應的的快速性性。一個個通用的的計算機機串級控控制系統統框圖如如圖4.11所所示。從圖中可可以看出出，通用用的串級級系統在在結構上上形成了了兩個閉閉環。其其中外面面的閉環環稱為主主環或主主回路，用于最最終保證證被調量量滿足工工藝要求求；里面面的閉環環稱為副副環或副副回路，用于克克服被控控對象所所受到的的主要干干擾。在串級控控制系統統中，主主.副調調節器的的選型很很重要。對于主主調節器器，因為為要減少少穩態誤誤差，提提高控制制精度，同時使使系統反反應靈敏敏，

38、最終終保證被被控量滿滿足工藝藝要求，所以一一般宜采采用PIID控制制；對于于副調節節器，在在控制系系統中通通常是承承擔著“粗調”的控制制任務，故一般般采用PP或PII即可。在控制如如圖4.11所所示的雙雙回路串串級控制制系統在在每個采采樣周期期的計算算順序為為（設主主調節器器采用PPID，副調節節器采用用PI）：計算算主回路路的偏差差e1(k)e1(kk)=rr1(k)-y11(k) (4.336)計算主回回路PIID控制制器的輸輸出u11(k) u1(k)=u11(k-1)+u1(k) (44.377) uu1(k)=Kee1ee1(k)-e11(k-1)+kii1e1(k)+kdd1ee1

39、(k)-2ee1(k-1)+e1(k-2) (4.38) 計算副回回路的偏偏差e22(k)e2(kk)=uu1(k)-y22(k) (4.39)計算副回回路PIID控制制器的輸輸出u22(k) u22(k)= uu2(k-1)+ u2(k) (44.400)u2(kk)=kke2ee2(k)-e22(k-1)+kii2e2(k) (4.441)主參數y1副參數-u1y2一次擾動二次擾動u2D/A執行機構副對象副變送器A/D主變送器e2主參數給定值re1副調節器主調節器A/D主對象圖4.111 通用的的計算機機串級控控制系統統示意框框圖 串級級控制系系統的控控制方式式有兩種種：一種種是異步步采樣

40、控控制。另另一種是是同步采采樣控制制。 二 前前饋控制制系統 前饋饋控制是是按某個個干擾量量進行控控制器的的設計，一旦測測量到有有干擾，即對它它直接產產生校正正作用，使得它它在影響響到被控控對象之之前已被被抵消。前饋控控制是一一種開環環控制系系統，在在控制算算法與參參數選擇擇適當的的情況下下，可以以取得很很好的控控制效果果。在實際生生產過程程控制中中，由于于前饋控控制是開開環控制制，且只只能針對對某一特特定的干干擾實施施控制作作用，因因此很少少單獨被被采用。通常是是采用前前饋反反饋控制制相結合合的方案案，其典典型結構構如圖44.122所示。yufucubr-PIDD/AG(s)Gd(s)Gf(

41、s)A/D擾動d圖4.112 典典型的前前饋-反反饋計算算機控制制系統示示意框圖圖圖中的GGf(ss)是前前饋控制制器的傳傳遞函數數，Gdd(s)為對象象干擾通通道的傳傳遞函數數，G(s)是是對象控控制通道道的傳遞遞函數，PIDD為反饋饋控制系系統的控控制器。按照前前饋控制制的原理理，要使使前饋作作用完全全補償干干擾的影影響，則則應使干干擾引起起的被控控量變化化為零。由此可可推出，前饋控控制器的的傳遞函函數應為為 （44.422）計算機前前饋-反反饋控制制算法的的流程如如下：(1)計計算反饋饋控制的的偏差ee(k) ee(k)=r(k)-y(kk) （4.43）(2)計計算反饋饋控制器器（PI

42、ID）的的輸出uub(kk) ubb(k)= uub(kk-1)+ubb(k) （4.444）(3)計計算前饋饋控制器器Gf(s)的的輸出uuf(kk)uf(kk)= uf(k-11)+uff(k) （4.45）(4)計計算前饋饋-反饋饋控制的的輸出uuc(kk) uc(k)= ubb(k)+ uuf(kk) （4.446）三 純滯滯后補償償控制系系統在工業過過程控制制中，由由于物料料或能量量的傳輸輸延遲，許多被被控對象象具有純純滯后。由于純純滯后的的存在，被控量量不能及及時反映映系統所所受到的的干擾影影響，即即使測量量信號已已到達調調節器，執行機機構接受受調節信信號后迅迅速作用用于對象象，也

43、需需要經過過純滯后后時間以以后才能能影響到到被控量量，使之之發生變變化。在在這樣一一個調節節過程中中，必然然會產生生較明顯顯的超調調或振蕩蕩以及較較長的調調節時間間。早在200世紀550年代代末，史史密斯(Smiith)就提出出了一種種純滯后后控制器器，常被被稱為史史密斯預預估器或或史密斯斯補償器器。其基基本思想想是按照照過程的的動態特特性建立立一個模模型加入入到反饋饋控制系系中，使使被延遲遲了的被被控量超超前反映映到調節節器，讓讓調節器器提前動動作，從從而可明明顯地減減少超調調量和加加快調節節過程。圖4.13是是史密斯斯預估控控制系統統的示意意框圖。Gs(s)-m-dueGc(s)Gp(s)

44、e-sGp(s)e-sryyq圖4.113 史密斯斯預估控控制系統統示意框框圖史密斯預預估器是是實現這這種控制制方案的的關鍵。設采樣樣周期為為T，則則由于純純滯后的的存在，信號要要延遲NN(N=/T)個周期期。為此此，要在在內存中中專門設設定N個個單元存存放信號號m(kk)的歷歷史數據據。實施施時，在在每個采采樣周期期，把新新得到的的m(kk)存入入0號單單元，同同時把00號單元元原來存存放的數數據移到到1號單單元，11號單元元原來存存放的數數據移到到2號單單元，依依次類推推，N號號單元里里的內容容即為mm(k)滯后NN個采樣樣周期后后的信號號qqq=m(k-NN)。(1)計計算反饋饋回路的的

45、偏差ee(k)e(k)=r(k)-(k)= rr(k)-y (k)-(kk) （44.499）(2)計計算控制制器的輸輸出u(k)u(k)= uu(k-1)+u(kk) （4.550）(3)史史密斯預預估器的的輸出=m(kk)- m(kk-N) （4.551）其中m(k)根根據被控控對象的的數學模模型Gpp(s)的差分分形式和和控制器器的輸出出u(kk)計算算得到。4.5先先進控制制方案一 預測測控制1. 預預測控制制的概況況預測控制制從19978年年Ricchallet等等人提出出模型預預測啟發發式控制制算法（MPHHC）以以來，已已經取得得了很大大的發展展，先后后提出了了模型算算法控制制（

46、MAAC）、動態矩矩陣控制制（DMMC）、廣義預預測控制制（GPPC）、廣義預預測極點點配置控控制（GGPP）等多種種。預測控制制不是某某一種統統一理論論的產物物，而是是在工業業生產過過程中逐逐漸發展展起來的的，是工工程界和和控制理理論界協協作的產產物。預測控制制的理論論研究工工作已取取得很大大的進展展。但現現有的理理論研究究仍遠落落后于工工業應用用實踐。目前理理論分析析研究大大多集中中在單變變量、線線性化模模型等基基本算法法上，而而成功的的工業應應用實踐踐大多是是復雜的的多變量量系統，表明預預測控制制的理論論研究落落后于工工業生產產實際。目前預測測控制研研究的熱熱點問題題主要有有： = 1

47、* GB3 進一步步開展對對預測控控制的理理論研究究，探討討算法中中主要設設計參數數對穩定定性、魯魯棒性及及其他控控制性能能的影響響，給出出參數選選擇的定定量結果果； = 2 * GB3 研究存存在建模模誤差及及干擾時時預測控控制的魯魯棒性，并給出出定量分分析結果果； = 3 * GB3 建立高高精度的的信息預預測模型型； = 4 * GB3 研究新新的滾動動優化策策略； = 5 * GB3 建立有有效的反反饋校正正方法； = 6 * GB3 研究非非線性系系統的預預測控制制； = 7 * GB3 加強應應用研究究。2. 預預測控制制的基本本原理總的說來來，預測測控制屬屬于一種種基于模模型的多

48、多變量控控制算法法，也稱稱之為模模型預測測控制。預測控控制算法法的種類類雖然多多，但都都具有相相同的三三個要素素預測測模型、滾動優優化和反反饋校正正，這三三個要素素也是預預測控制制區別于于其他控控制方法法的基本本特征，同時也也是預測測控制在在實際工工程應用用中取得得成功的的關鍵。 = 1 * GB3 預測測模型 = 2 * GB3 滾動動優化 = 3 * GB3 反饋饋校正由概念和和基本特特征，可可以得出出預測控控制的以以下基本本特點： = 1 * roman i) 模模型預測測控制算算法綜合合利用過過去、現現代和將將來（模模型預測測）的信信息，而而傳統算算法，如如PIDD等，卻卻只利用用過去

49、和和現在的的信息； = 1 * roman i = 1 * roman i) 對模型型要求低低，現代代控制理理論之所所以在過過程工業業中難以以大規模模應用，重要的的原因之之一是對對模型精精度要求求太高，而預測測控制就就成功的的克服了了這一點點； = 1 * roman i = 1 * roman i = 1 * roman i) 模型型預測控控制算法法用滾動動優化取取代全局局一次優優化，每每個控制制周期不不斷進行行優化計計算，不不僅在時時間上滿滿足了實實時性的的要求，而且突突破了傳傳統全局局一次優優化的局局限，把把穩態優優化與動動態優化化相結合合； = 4 * roman iv) 用多變變量的

50、控控制思想想取代傳傳統控制制手段的的單變量量控制。因此在在應用于于多變量量問題時時，預測測控制也也常常稱稱為多變變量預測測控制； = 5 * roman v) 能能有效處處理約束束問題。在實際際生產中中，往往往希望將將生產過過程的設設定狀態態推向設設備及工工藝條件件的邊界界上（安安全邊界界、設備備能力邊邊界、工工藝條件件邊界等等）運行行，這種種狀態常常會產生生使操縱縱變量飽飽和，使使被控變變量超出出約束的的問題。所以能能夠處理理約束問問題就成成為使控控制系統統能夠長長期、穩穩定、可可靠運行行的關鍵鍵技術。各種預測測控制算算法具有有相同的的計算步步驟：在在當前時時刻，基基于過程程的動態態模型預預

51、測未來來一定時時域內每每個采樣樣周期（或按一一定間隔隔）的過過程輸出出，這些些輸出為為當前時時刻和未未來一定定時域內內控制量量的函數數。按照照基于反反饋校正正的某個個優化目目標函數數計算當當前及未未來一定定時域的的控制量量大小。為了防防止控制制量劇烈烈變化及及超調，一般在在優化目目標函數數中都考考慮使未未來輸出出以一參參考軌跡跡最優的的跟蹤期期望設定定值。計計算當前前控制量量后實施施控制。至下一一時刻，根據測測量數據據重新按按上述步步驟計算算控制量量。3. 常常見預測測控制方方案 = 1 * GB3 模型型算法控控制模型算法法控制是是60年年代末在在法國工工業企業業中的鍋鍋爐和分分餾塔的的控制

52、中中首先得得到應用用。_+_參考軌跡優化計算對象模型預測輸出模型算法法控制內內部模型型采用基基于脈沖沖響應模模型，用用過去和和未來的的輸入輸輸出信息息，根據據內模預預測系統統未來的的輸出狀狀態，用用模型輸輸出誤差差反饋校校正后，與參考考輸入軌軌跡進行行比較，應用二二次型性性能指標標進行滾滾動優化化，計算算當前時時刻應加加于系統統的控制制動作，完成整整個控制制循環（圖4.14）。圖4. 14 MMAC系系統原理理簡圖 = 2 * GB3 廣義義預測控控制算法法隨著以脈脈沖響應應和階躍躍響應的的非參數數模型為為基礎的的預測控控制算法法的發展展和應用用,19984年年Claarkee提出了了基于參參

53、數模型型的廣義義預測控控制（GGPC）。由于于它是在在廣義最最小方差差控制的的基礎上上,在優優化中引引入多步步預測的的思想，抗負載載擾動、隨機噪噪聲、時時延變化化等能力力顯著提提高，具具有較強強的魯棒棒性，可可用于有有純時延延、開環環不穩定定的非最最小相位位系統,又由于于采用傳傳統的數數學模型型,參數數數目較較少,對對于過程程參數慢慢時變的的系統,易于在在線估計計參數,實現自自適應控控制。二 專家家系統1. 專專家系統統概述人工智能能科學家家一直在在致力于于研制某某種意義義上講能能夠思維維的計算算機軟件件，用以以“智能化化”的處理理、解決決實際問問題。660年代代，科學學家們企企圖通過過找到解

54、解決多種種不同類類型問題題的通用用方法來來模擬思思維的復復雜過程程，并將將這些方方法用于于通過目目的的程程序中。19655年，SStannforrd大學學開始建建立用于于分析化化合物內內部結構構的DEENTRRAL系系統，首首先使用用了“專家系系統”的概念念。70年代代末，該該校又研研制成功功了著名名的醫療療診斷系系統MYYCIMM和用于于礦藏勘勘探的PPROSSPECCTORR系統，推動了了專家系系統的開開發研究究和應用用。80年代代，專家家系統的的開發研研究進入入了高潮潮，應用用范圍涉涉及到工工業、農農業、國國防、教教育及教教學、物物理等許許多領域域并逐步步進行控控制界。在控制制系統輔輔助

55、設計計，故障障診斷和和系統控控制等方方面得到到了推廣廣應用。專家系系統的研研究發展展，促進進了人工工智能科科學的進進步，也也使專家家系統本本身成為為人工智智能科學學的一個個重要分分支領域域。專家系統統的應用用范圍很很廣，就就其功能能而言，可以分分為以下下幾個方方面（見見表4.3）。表4.33專家系系統應用用分類功能分類類 應用診斷：根根據給定定情況，確定問問題所在在 疾病病診斷，設備或或系統故故障診斷斷等預報：根根據已知知條件，推斷、預報系系統 氣象預預報，運運輸量、糧食產產量測算算，軍可能的行行為 事預報報等設計規劃劃：設計計滿足約約束條件件的求解解方 電路、建筑、機械系系統設計計、科研研、

56、財 案 務預預算、作作戰方案案擬定等等教學：診診斷、調調整、指指導學生生的行為為 診斷斷學習中中的問題題，提出出改革方方案解釋：對對觀測信信息進行行解釋，推出結結論 信號解解釋、圖圖像分析析、語言言理解控制：監監控系統統整體行行為 電電站監控控、航空空交通管管理、工工業生產產控制、疫情情控制專家系統統是具有有大量專專門知識識和經驗驗的，用用以解決決專門領領域特定定問題的的計算機機程序系系統。專家系統統與人類類專家相相比，又又有不同同之處。專家具具有理解解能力，具有創創造性和和適應性性，可以以靈活地地分解、運用常常用的規規則，重重新組織織問題，以便使使問題易易于解決決；專家家具有廣廣泛的、有價值值的知識識背景，往往通通過直覺覺和經驗驗解決