数据处理与控制策略长春理工大学精品课Word文件下载.docx
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设计由计算机实现的控制算法
设数字控制器D（z）的一般形式为
数字控制器的离散化设计技术
数字控制器的连续化设计，是立足于连续控制系统控制器的设计，然后在计算机上进行数字模拟来实现的，这种方法在被控对象的特性不太清楚的情况下，人们可以充分利用技术成熟的连续化设计技术（如PID控制器设计技术），并把它移植到计算机上予以实现，以达到满意的控制效果。
但是连续化设计技术要求相当短的采样周期，因此只能实现较简单的控制算法。
计算机控制系统框图中，Gc（s）是被控对象的连续传递函数，D（z）是数字控制器的脉冲传递函数，H（s）是零阶保持器的传递函数，T是采样周期。
需要指出的是，不管是按连续系统进行控制系统设计还是按离散系统进行控制系统设计,都可采用基于经典控制理论的常规控制策略或基于现代控制理论的先进控制策略，采用哪种控制策略往往与被控对象的过程特点、得到的数学模型以及对系统的控制精度要求有关，与采用哪种方法无直接关系。
另外计算机控制系统信号的输入是每隔一个采样周期断续地进行的，如将事物的温度、压力、流量等属性通过一定的转换技术将其转换为电信号，然后再将电信号转换为数字化的数据，在多次转换中由于转换技术的客观原因或主观原因造成采样数据中掺杂了少量的噪声数据，影响了最终数据的准确性。
为了防止噪声对数据结果的影响，除了采用更加科学的采样技术外，我们还要采用一些必要的技术手段对原始数据进行整理、统计，数字滤波技术是最基本的处理方法，它可以剔除数据中的噪声，提高数据的代表性。
数字滤波是指在计算机中利用某种计算方法对原始输入数据进行数学处理，去掉原始数据中掺杂的噪声数据，提高信号的真实性，获得最具有代表性的数据集合。
随着数字化技术的发展，数字滤波技术已成为数字化仪表和计算机在数据采集中的关键性技术。
通过数字滤波得到的比较真实的被测参数，有时不能直接使用，还需要做某些处理。
例如合理性判别、孔板流量计差压信号进行开平方运算、流量信号的温度和压力补偿、热电偶信号的线性化处理等。
我们这里所说的数字滤波技术是指在软件中对采集到的数据进行消除干扰的处理。
一般来说，除了在硬件中对信号采取抗干扰措施之外，还要在软件中进行数字滤波的处理，以进一步消除附加在数据中的各式各样的干扰，使采集到的数据能够真实的反映现场的工艺实际情况。
采用数字滤波的优点一是不需要增加硬件设备，只需在计算机得到采样数据之后，执行一段根据预定滤波算法编制的程序即可达到滤波的目的；
这里介绍几种常用的数字滤波方法：
这种方法可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。
实质是对采样数据y（i）的m次测量值进行算术平均，作为时刻kT的有效输出采样值
，即
为方便求平均值，m值一般取2、4、8、16之类的2的整数幂，以使用移位来代替除法。
这种方法可以有效的消除周期性的干扰。
得到当前采样时刻的递推平均值。
这种滤波方法可以根据需要突出信号的某一部分，抑制信号的另一部分。
适用于纯滞后较大、采样周期短的过程。
平均值滤波方法主要用于对压力、流量等周期性的采样值进行平滑加工，但对偶然出现的脉冲性干扰的平滑作用尚不理想，因而不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。
中值滤波对于去掉由于偶然因素引起的波动或采样器不稳定造成的误差所引起的脉动干扰比较有效。
为提高滤波效果，可以仿照模拟系统RC低通滤波器的方法，将普通硬件RC低通滤波器的微分方程用差分方程来表示，用软件算法来模拟硬件滤波器的功能。
典型RC低通滤波器的动态方程为
其中Tf=RC，称为滤波器时间常数，x是测量值，y是经滤波后的测量值，显然，可以改变滤波器的滤波效果。
该种滤波方法模拟了具有较大惯性的低通滤波功能，主要适用于高频和低频的干扰信号。
经验说明，许多物理量的变化都需要一定的时间，相邻两次采样值之间的变化有一定的限度。
程序判断滤波的方法是：
限速滤波是一种折衷的方法，既照顾了采样的实时性，又顾及了采样值变化的连续性。
数据采集所采用的检测技术不同，检测对象不同，数据的采集频率、信噪比不同，各种数字化滤波算法各有优缺点，在实际应用中要根据情况将其有机的结合起来，为数据处理选择一种最优的滤波算法，保证数据准确、快速的反映被检测对象的实际，为生产管理提供有效的数据。
在实际使用时，可能不仅仅使用一种方法，而是综合运用上述的方法，比如在中值滤波法中，加入平均值滤波，借以提高滤波的性能。
总而言之，要根据现场的情况，灵活选用。
计算机从模拟量输入通道得到的检测信号与该信号所代表的物理量之间不一定成线性关系。
例如，差压变送器输出的孔板差压信号同实际的流量之间成平方根关系；
常用的补偿方法有计算法、插值法、折线法。
可用上式将非线性化的关系分成多个线性化的式子来实现。
计算机非线性处理应用最多的方法就是插值法。
其实质是找出一种简单的、便于计算处理的近似表达式代替非线性参数。
用这种方法得到的公式叫做插值公式。
作为所求的近似表达式，使其满足条件：
折线段的分法并不是惟一的，可以视具体情况和要求来定。
例如，用孔板测量气体的体积流量，当被测气体的温度和压力与设计的基准温度和基准压力不同时，必须对式（5.25）计算出的流量F进行温度、压力补偿。
一种简单的补偿公式为
式中T0为设计孔板的基准绝对温度，P0为设计孔板的基准绝对压力，T1为被测气体的实际绝对温度，P1为被测气体的实际绝对压力。
在计算机控制系统中，生产中的各个参数都有不同的数值和量纲，如压力的单位为Pa，流量的单位为m3/h，温度的单位为℃等等，这些参数都经过变送器转换成A/D转换器能接收的0~5V电压信号，又由A/D转换成00~FFH（8位）的数字量，它们不再是带量纲的参数值，而是仅代表参数值的相对大小。
为方便操作人员操作以及满足一些运算、显示和打印的要求，必须把这些数字量转换成带有量纲的数值，这就是所谓的标度变换。
标度变换有不同的类型，它取决于被测参数传感器的类型，设计时应根据实际情况选择适当的标度变换方法。
式中，A0为一次测量仪表的下限，Am为一次测量仪表的上限，Ax为实际测量值（工程量），N0为仪表下限对应的数字量，Nm为仪表上限对应的数字量，Nx为测量值所对应的数字量。
其中A0，Am，N0，Nm对于某一个固定的被测参数来说是常数，不同的参数有不同的值。
有时，工程量的实际值还需经过一次变换，如电压测量值是电压互感器的二次测量的电压，与一次测量的电压还有一个互感器的变比问题，这时上式应再乘上一个比例系数：
例如，某热处理炉温度测量仪表的量程为200～1000
，在某一时刻计算机采样并经数字滤波后的数字量为0CDH，设仪表量程为线性的，可以按照上述方法求出此时的温度值。
在过程控制中，最常见的非线性关系是差压变送器信号△P与流量F的关系（见式（5.25），据此，可得测量流量时的标度变换式为：
式中G0为流量仪表下限值，Gm为流量仪表上限值，Gx为被测量的流量值，N0为差压变送器下限所对应的数字量，Nm为差压变送器上限所对应的数字量，Nx为差压变送器所测得的差压值（数字量）。
例如，锅炉水位自动调节系统中，水位的高低是非常重要的参数，水位太高将影响蒸汽的产量，水位太低则有爆炸的危险，所以要作越限报警处理。
有些地方也采用闪光报警的方法，即使报警的灯光或声音按一定的频率闪烁（或发声）。
报警程序的设计方法主要有两种。
这种报警方法的前提条件是被测参数与给定值的比较是在传感器中进行的。
从工业现场采集到的信号往往会在一定的范围内不断的波动，或者说有频率较高、能量不大的干扰叠加在信号上，这种情况往往出现在应用工控板卡的场合，此时采集到的数据有效值的最后一位不停的波动，难以稳定。
上面介绍的只是一些有关计算机控制系统中数据处理的最常用的知识，在实际应用中，还必须根据具体情况作具体的分析和应用。
数控技术和数控设备是制造工业现代化的重要基础。
在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。
采用数控技术的控制系统称为数控系统，采用了数控系统的设备称之为数控设备，以计算机为核心的数控系统称为计算机数控系统（ComputerizedNumericalControl，CNC）。
数控机床是一种典型的数控设备，由于数控技术是与机床控制密切结合发展起来的，因此以往讲数控即指机床数控。
数控设备中的构成。
图中计算机数控系统CNC是数控设备的核心，它的功能是接受输入的控制信息，完成数控计算、逻辑判断、输入输出控制等功能。
CNC通过输入通道获得被控对象的各种反馈信息，如工作机构的当前位置、某一部件是否到位、润滑系统的压力是否符合要求等。
图形分割的原则应保证线段所连的曲线（或折线）与原图形的误差在允许范围之内。
插补计算的宗旨是通过给定的基点坐标，以一定的速度连续定出一系列中间点，而这些中间点的坐标值是以一定的精度逼近给定的线段。
所谓二次曲线插补是指在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近，也就是实际的中间点连线是一条近似于曲线的折线弧。
常用的二次曲线有圆弧、抛物线和双曲线等。
3.实际的中间点连接线是一条由△x和△y的增量值组成的折线，只是由于实际的△x和△y的值很小，眼睛分辨不出来，看起来似乎和直线一样而已。
显然，△x和△y的增量值越小，就越逼近理想的直线段，图中均以“→”代表△x和△y的长度。
（2）直线控制数控系统
（3）轮廓控制数控系统
现代数控机床绝大多数都具有两坐标或两坐标以上的联动功能，即可以加工曲线或曲面的零件。
上述三种控制方式中以点位控制最简单，因为它的运动轨迹没有特殊要求，运动时又不加工，所以它的控制电路只要具有记忆（记下刀具应走的移动量和已走过的移动量）和比较（将所记忆的两个移动量进行比较，当两个数值的差为零时，刀具立即停止）的功能即可，不需要插补运算。
轮廓控制要控制刀具准确的完成复杂的曲线运动，所以控制电路复杂，且需要进行一系列的插补计算和判断。
因此全闭环系统的设计和调整都有较大的困难，处理的不好常常会造成系统不稳定。
运动控制起源于早期的伺服控制（Servomechanism）。
简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。
早期的运动控制技术主要是伴随着数控（CNC）技术、机器人技术（Robotics）和工厂自动化技术的发展而发展的。
早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用控制器，往往无需另外的处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。
这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，控制器的开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统。
通用运动控制器的发展成为市场的必然需求。
一个典型的运动控制系统主要由运动部件、传动机构、执行机构、驱动器和运动控制器构成，整个系统的运动指令由运动控制器给出，因此运动控制器是整个运动控制系统的灵魂。
用户必须使用通用运动控制器提供的标准功能进行二次开发，根据自己的应用系统的工艺条件，应用运动控制器的相关功能，开发出集成了自己的工艺特点和行业经验的应用系统。
同时，用户还需要了解构成运动控制系统的其他部件，必须保证机械系统的完备，才能集成出高质量的运动控制系统。
（1）基于计算机标准总线的运动控制器，它是把具有开放体系结构，独立于计算机的运动控制器与计算机相结合构成。
如美国Deltatau公司的PMAC多轴运动控制器和固高科技（深圳）有限公司的GT系列运动控制器产品等。
目前这种运动控制器是市场上的主流产品。
就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、CDROM和相应的驱动程序一样。
用户可以在WINDOWS平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控制内核，开发所需的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统，从而提供给用户更多的选择和灵活性。
基于Soft型开放式运动控制器开发的典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC、德国PA（PowerAutomation）公司的PA8000NT、美国SoftSERVO公司的基于网络的运动控制器和固高科技（深圳）有限公司的GO系列运动控制器产品等。
（3）嵌入式结构的运动控制器，这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它能够独立运行。
运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。
例如美国ADEPT公司的SmartController、固高科技公司的GU嵌入式运动控制平台系列产品等。
基于PC总线的开放式运动控制器是目前自动化领域应用最广、功能最强的运动控制器，并且在全球范围内得到了广泛的应用。
基于PC总线的运动控制器是整个控制系统的核心，它接受来自上位PC机的应用程序命令，按照设定的运动模式，完成相应的实时运动规划（点位运动、多轴插补协调运动或多轴同步协调运动），向驱动器发出相应的运动指令。
随着工业现场网络总线技术的发展，基于网络的运动控制器获得了极大的发展，并已经开始应用于多轴同步控制中。
越来越多的传统的以机械轴同步的系统开始采用网络运动控制器控制的电机轴控制，这样可以减少系统维护和增加系统柔性。
根据运动控制的特点和应用可将运动控制器分为以下三种：
相应的典型应用范围包括：
运动控制技术已经成为现代化的"
制器之技"
，运动控制器不但在传统的机械数控行业有着广泛的应用，而且在新兴的电子制造和信息产品的制造业中起着不可替代的作用。
通用运动控制技术已逐步发展成为一种高度集成化的技术，不但包含通用的多轴速度、位置控制技术，而且与应用系统的工艺条件和技术要求紧密相关。
事实上，应用系统的技术要求，特别是一个行业的工艺技术要求也促进了运动控制器的功能发展。
通用运动控制器的许多功能都是同工艺技术要求密切相关的，通用运动控制器的应用不但简化了机械结构，甚至会简化生产工艺。
当然，许多计算机控制系统中的PID控制算法并非只是简单地重现模拟PID控制器的功能，而是已经在算法中结合了计算机控制的特点，根据各种具体情况，增加了许多功能模块，使传统的PID控制更加灵活多样，以更好满足生产过程的需要。
在模拟控制系统中，按给定值与测量值的偏差e进行控制的PID控制器是一种线性调节器，其PID表达式如下
式中的
、
分别为模拟调节器的比例增益、积分时间和微分时间，
为偏差
时的调节器输出，常称之为稳态工作点。
因此，要实现式（5.38）所示的PID控制规律，就要将其离散化。
设控制周期为
，则在控制器的采样时刻
时，通过下述差分方程
可得到式（5.38）的数字算式为
是采样时刻
时的计算输出，
称为积分系数；
式（5.39A）和（5.39B）给出的是执行机构在采样时刻
的位置或控制阀门的开度，所以被称为位置型PID算法。
采用这种控制算法得到的计算机输出是执行机构的增量值，其表达式为
由增量PID算法得到
采样时刻计算机的实际输出控制量为
数字PID控制算法的改进
在计算机控制系统中，PID控制规律是由软件来实现的，因此它的灵活性很大。
一些原来在模拟PID控制器中无法实现的问题，在计算机控制系统中都可以得到解决，于是产生了一系列的改进算法，以满足不同被控对象的要求。
下面介绍几种常用的数字PID改进算法。
PID控制中，微分的作用是扩大稳定域，改善动态性能，近似地补偿被控对象的一个极点，因此一般不轻易去掉微分作用。
从前面的推导可知，标准的模拟PID算式（5.38）与数字PID算式（5.39）～式（5.42）中的微分作用是理想的，故它们被称为是理想微分的PID算法。
而模拟调节器由于反馈电路硬件的限制，实际上实现的是带一阶滞后环节的微分作用。
计算机控制虽可方便地实现理想微分的差分形式，但实际表明，理想微分的PID控制效果并不理想。
因此，在计算机控制系统中，常常是采用类似模拟调节器的微分作用，称为实际微分作用。
标准PID控制算法与实际微分PID控制算法在单位阶跃输入时，输出的控制作用。
另一方面，由于实际微分PID控制算法中的一阶惯性环节，使得它具有一定的数字滤波能力，因此，抗干扰能力也较强。
式中
，
考虑正反作用的不同，偏差的计算方法也不同，
标准PID增量算式（4-41）中的微分项为
改进后的微分作用算式则为
但要注意，对串级控制的副回路而言，由于给定值是由主回路提供的，仅对测量值进行微分的这种方法不适用，仍应按原微分算式对偏差进行微分。
采用标准的PID算法时，当扰动较大或给定值大幅度变化时，由于产生较大的偏差，加上系统本身的惯性及滞后，在积分作用下，系统往往产生较大的超调和长时间的振荡。
为克服这种对系统的不良影响，积分分离PID算法的基本思想是：
上式中的A值需要适当选取，A过大，起不到积分分离的作用；
为保证引入积分作用后的系统稳定性不变，在投入积分作用的同时，比例增益
应相应减少，也即在编制PID控制软件时，比例增益
应根据积分作用是否起作用而变化，显然这是轻而易举可以实现的。
但由于长期存在偏差或偏差较大时，计算出的控制量有可能溢出或小于零，即计算机运算出的控制量u（k）超过D/A所能表示的数值范围。
控制量超过极限的区域称为饱和区。
积分饱和的出现将使超调量增加，控制品质变坏。
遇限切除积分的PID算法是抑制积分饱和的方法之一。
提高积分项积分的精度
在PID控制算法中，积分项的作用是消除余差。
为提高其积分项的运算精度，可将前面数字PID算式中积分的差分方程取为
，即用梯形替代原来的矩形计算。
随着计算机技术的发展,一般可以选择较短的采样周期T，它相对于被控对象的时间常数Tp来说也就更短了。
所以数字PID控制参数的整定过程是，首先按模拟PID控制参数的整定方法来选择，然后再适当调整，并考虑采样周期对整定参数的影响。
基于偏差积分指标最小的整定参数法
IAE指标的超调量适中，上升时间稍快；
ITAE指标的超调量小，调整时间也短。
增大比例系数Kc一般将加快系统的响应，使系统的稳定性变差。
增大微分时间Td将使系统的响应加快，但对扰动有敏感的响应，可使系统稳定性变差。
在试凑时，可参考上述参数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比例，后积分，最后微分的整定步骤。
若系统的静差较小，满足要求可采用纯比例控制。
前面讨论了单回路的数字PID控制系统，在一般情况下，单回路的PID系统已经能够满足工业过程对控制的要求，因此它是一种应用最基本和最广泛的控制系统。
但在实际生产过程中，还有相当一部分的被控对象由于本身的动态特性或工艺操作条件等原因，对控制系统提出一些特殊要求，这时需要在单回路PID控制的基础上，组成多回路的控制系统。
下面介绍最常用的串级控制系统、前馈控制系统和纯滞后补偿等多回路控制系统。
串级控制系统是在原来单回路控制的基础上，增加一个或多个控制内回路，用以控制可能引起被控量变化的其它因素，从而抑制被控对象的时滞特性，提高系统动态响应的快速性。
可以看出，通用的串级系统在结构上形成了两个闭环。
里面的闭环称为副环或副回路，用于克服被控对象所受到的主要干扰。
而副参数的选择应使副回路的时间常数较小，调节通道短，反应灵敏。
在串级控制系统中，主、副调节器的选型很重要。
在计算机控制系统中，不管串级控制多少级，计算的顺序总是从最外面的回路向内回路进行。
在控制的双回路串级控制系统在每个采样周期的计算顺序为（设主调节器采用PID，副调节器采用PI）：
（1）计算主回路的偏差e1（k）
（2）计算主回路PID控制器的输出u1（k）
（3）计算副回路的偏差e2（k）
（4）计算副回路PID控制器的输出u2（k）
串级控制系统的控制方式有两种：
一种是异步采样控制，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。
这是考虑到一般串级系统中主对象的响应速度慢，副对象的响应速度快的缘故。
①用于抑制系统的主要干扰通常副回路抑制干扰的能力比单回路控制高出十几倍乃至上百倍，将主要扰动置于副回路中，主参数可获得更强的抑制干扰的能力。
②用于克服对象的纯滞后当对象的纯滞后比较大时，若采用单回路控制则过渡时间较长，超调量较大，主参数的控制质量较差。
采用串级控制后，由于副调节器的作用，可以
减少等效时间常数，提高工作频率，有效克服纯滞后的影响，改善系统的控制性能。
③用于减少对象的非线性影响对于具有非线性的对象，设计时将非线性尽可能地包含在副回路中，由于副回路是随动系统，能够适应操作条件和负荷的变化，自动改变副调节器的给定值，因此具有一定的自适应能力。
反馈控制的前提是被控量在某种干扰的作用下先偏离给定值，产生偏差之后，通过对偏差进行控制，以抑制干扰的影响。
前馈控制是一种开环控制系统，在控制算法与参数选择适当的情况下，可以取得很好的控制效果。
图中的Gf（s）是前馈控制器的传递函数，Gd（s）为对象干扰通道的传递函数，G（s）是对象控制通道的传递函数，PID为反馈控制系统的控制器。
按照前馈控制的原理，要使前馈作用完全补偿干扰的影响，则应使干扰引起的被控量变化为零。
由此可推出，前馈控制器的传递函数应为
计算机前馈-反馈控制算法的流程如下：
（1）计算反馈控制的偏差e（k）
（5.60）
（2）计算反馈控制器（PID）的输出ub（k）
（5.61）
（4）计算前馈-反馈控制的输出uc（k）
（5.63）
在前馈-反馈控制回路中，前馈控制是快速的，有一定智能的和敏感的，但它的控制是针对具体的干扰所设计的，对整个系统而言是不准确的；
反馈控制是慢速的然而却是准确的，而且在负荷条件不明及干扰无法测量
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