计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统第五章第五章 计算机控制系统中的控制策略计算机控制系统中的控制策略数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理数字数字PID控制控制9/18/20241计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统第一节 Unit 1 数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理Data Filtering and Data ProcessingData Filtering and Data Processing采样数据的合理性判别及报警采样数据的合理性判别及报警采样数据的合理性判别及报警采样数据的合理性判别及报警数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波数字处理数字处理数字处理数字处理软测量简介软测量简介软测量简介软测量简介9/18/20242计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-1 数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理 uu进行数字滤波和处理的必要性进行数字滤波和处理的必要性提高抗干扰能力提高抗干扰能力检测系统异常状态，发出报警信号检测系统异常状态，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，提高测量精度校正信号，提高测量精度9/18/20243计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-1-1 采样数据的合理性判别及报警采样数据的合理性判别及报警(1)uu越限的限幅与报警越限的限幅与报警采采样样值值超超过过规规定定的的界界限限（上上、下下限限，可可能能是是系统发生异常或出现大的干扰）系统发生异常或出现大的干扰） 可采用如下方法进行处理：可采用如下方法进行处理：设某通道当前采样值为设某通道当前采样值为y(k)yL y(k)yH 时时; y(k)为当前采样有效值为当前采样有效值 y y( (k k)y yHH , , 取取取取 y y( (k k)= )= y yHH (上限值上限值)，报警，报警y(k)y0, 则 y(k)=y(k-1)9/18/202411计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-1-2 数字滤波数字滤波uu各种滤波方法的特点与应用各种滤波方法的特点与应用平均值滤波平均值滤波适用于周期性干扰；适用于周期性干扰；加权加权平均递推滤波平均递推滤波适用于纯滞后较大的过适用于纯滞后较大的过程；程； 中值滤波和程序判断滤波中值滤波和程序判断滤波适用于偶然适用于偶然出现的脉冲干扰；出现的脉冲干扰； 惯性滤波惯性滤波适用于高频干扰。适用于高频干扰。9/18/202412计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-1-3 数据处理数据处理uu目的目的经过处理后，可直接引用采样数据。经过处理后，可直接引用采样数据。uu常见的数据处理内容常见的数据处理内容线线性性化化处处理理：如如孔孔板板差差压压与与流流量量、热热电电偶的热电势与温度偶的热电势与温度校正运算：如温度补偿校正运算：如温度补偿测量值与工程量的转换测量值与工程量的转换9/18/202413计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统第二节 Unit 2 数字数字PID控制算法控制算法Data PID Control Arithmetic校正的基本概念校正的基本概念校正的基本概念校正的基本概念标准数字标准数字标准数字标准数字PIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法数字数字数字数字PIDPID控制算法的改进控制算法的改进控制算法的改进控制算法的改进数字数字数字数字PIDPID控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定9/18/202414计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统反馈校正：从系统的某一环节中引出反馈信号，通过校正装置构成局部反馈回路。信号是从高功率点流向低功率点，所以一般采用无源网络。+-给定元件主反馈装置输出信号输入信号r(k)c(t)5-2-1校正的基本概念（校正的基本概念（1）u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。u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。+-给定元件原有部分G0(s)反馈装置输出信号输入信号r(k)c(t)串联校正：校正装置Gc(s)串联在前向通道中。简单、易实现，一般放在能量较低的部位，多采用有源校正网络。串联校正装置Gc(s)原有部分G0(s)原有部分1G1(s)原有部分2G2(s)原有部分3G3(s)反馈校正装置Gc(s)+-9/18/202415计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-1校正的基本概念（校正的基本概念（2）u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)9/18/202416计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-1校正的基本概念（校正的基本概念（3）uPID调节器调节器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。+-给定元件比例环节Kc原有部分G0(s)输出信号+积分环节Kc/(Tis)微分环节KcTds输入信号r(k)c(t)-9090009/18/202417计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-1校正的基本概念（校正的基本概念（4）u标准的模拟标准的模拟PID式中：式中：Kc、Ti、Td 分别为模拟调节器的比分别为模拟调节器的比例增益、积分时间和微分时间。例增益、积分时间和微分时间。9/18/202418计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-1 标准数字标准数字PID控制算法（控制算法（1）u采样周期采样周期与与控制周期控制周期的概念的概念u模拟模拟PID调节规律的离散化调节规律的离散化在控制器的采样时刻在控制器的采样时刻 t=kT时时因此，因此，PIDPID的数字算式的数字算式的数字算式的数字算式如下式如下式9/18/202419计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-1 标准数字标准数字PID控制算法（控制算法（2）uu数字数字PID又可写成又可写成上面两个算式又称为上面两个算式又称为上面两个算式又称为上面两个算式又称为PIDPID位置算式位置算式位置算式位置算式其中其中其中其中 称为积分系数称为积分系数称为积分系数称为积分系数, , , , 称为微分系数称为微分系数称为微分系数称为微分系数 PID位置算式的问题位置算式的问题由积分项由积分项 的存在所产生的存在所产生9/18/202420计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-1 标准数字标准数字PID控制算法（控制算法（3）uuPID增量算式增量算式 由由 ，可得可得PIDPID增量算式的另一种形式增量算式的另一种形式增量算式的另一种形式增量算式的另一种形式9/18/202421计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-1 标准数字标准数字PID控制算法（控制算法（4） 增增量量PID算算法法的的优优点点是是编编程程简简单单, 数数据据可可以递推使用以递推使用, 占用内存少占用内存少, 运算快。运算快。 增增量量PID算算法法得得到到 k 采采样样时时刻刻计计算算机机的的实际输出控制量实际输出控制量为为9/18/202422计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-2 数字数字PID控制算法的改进（控制算法的改进（1） 1. 实际微分实际微分PID控制算法控制算法微分的作用微分的作用理想微分的理想微分的PID算法算法模拟调节器实现的微分作用模拟调节器实现的微分作用理想微分作用的实际缺陷理想微分作用的实际缺陷 实际微分作用实际微分作用9/18/202423计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-2 数字数字PID控制算法的改进（控制算法的改进（2）uu理想微分理想微分PID与与实际微分实际微分PID在单位阶跃输入时在单位阶跃输入时, 它们输出的控制作用它们输出的控制作用 (A) 理想微分理想微分理想微分理想微分PIDPID积积分分项项 比比 例例 项项 u 0 1 2 3 4 5 6 7 8 kT 微微 分分 项项 比比 例例 项项 u 0 1 2 3 4 5 6 7 8 kT项项 (B) 实际微分实际微分实际微分实际微分PIDPID微微积积分分分分项项9/18/202424计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-2 数字数字PID控制算法的改进（控制算法的改进（3）uu理想微分理想微分PID与与实际微分实际微分PID其其区区别别在在于于实实际际微微分分多多了了个个一一阶阶惯惯性性环环节节，即如图所示即如图所示图中图中因因为为u(t)为为理理想想PID的的输输出出，Gf(s)是是一一阶阶惯性环节惯性环节理想理想PIDU(s)E(s)Gf(s)U(s) 实际微分实际微分PID控制算法示意框图控制算法示意框图9/18/202425计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统uu理想微分理想微分PID与与实际微分实际微分PID 故：故： 经计算，可得实际微分位置型控制算式经计算，可得实际微分位置型控制算式经计算，可得实际微分位置型控制算式经计算，可得实际微分位置型控制算式 ，5-2-2 数字数字PID控制算法的改进（控制算法的改进（4）9/18/202426计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统uu理想微分理想微分PID与与实际微分实际微分PID实际微分增量型控制算式实际微分增量型控制算式uu实际微分的其它形式实际微分的其它形式Gf(s)为为一阶超前一阶超前/ /一阶滞后一阶滞后环节环节将将理想微分理想微分理想微分理想微分作用改为作用改为微分微分/ /一阶惯性一阶惯性环节环节5-2-2 数字数字PID控制算法的改进（控制算法的改进（5）9/18/202427计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-2 数字数字PID控制算法的改进（控制算法的改进（6）2. 微微分分先先行行PID控控制制算算法法（“测测量量值值微微分分”）出出发发点点：避避免免因因给给给给定定定定值值值值变变变变化化化化给给控控制制系系统统带来超调量过大、调节阀动作剧烈的冲击。带来超调量过大、调节阀动作剧烈的冲击。 特特点点：只只对对测测测测量量量量值值值值(被被控控量量)进进行行微微分分, 而而不对偏差微分不对偏差微分, 也即对给定值无微分作用。也即对给定值无微分作用。+-给定元件比例环节Kp原有部分G0(s)输出信号+积分环节Kp /(Tis)输入信号r(t)c(t)微分环节Tds+9/18/202428计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-2 数字数字PID控制算法的改进（控制算法的改进（7）微分先行微分先行PID控制算式控制算式9/18/202429计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-2 数字数字PID控制算法的改进（控制算法的改进（8） 3. 积分分离积分分离PID算法算法 提出的背景提出的背景提出的背景提出的背景 基本思想基本思想基本思想基本思想 当当 e(k)A 时时, 用用P或或PD 控制；控制； e(k)A 时时, 用用PI或或PID控制。控制。A值需要适当选取值需要适当选取积分分离积分分离PID控制算式控制算式9/18/202430计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-2 数字数字PID控制算法的改进（控制算法的改进（9） 积分分离积分分离PID算法示意图算法示意图 y曲线曲线2：标准：标准PID曲线曲线3：A过小过小曲线曲线1 0 t R APDPIDPD9/18/202431计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-2 数字数字PID控制算法的改进（控制算法的改进（10） 4. 遇限切除积分遇限切除积分PID算法算法执行机构机械性能与物理性能的约束执行机构机械性能与物理性能的约束 积分饱和积分饱和该算法是抑制积分饱和的方法之一该算法是抑制积分饱和的方法之一 基基本本思思想想：一一旦旦计计算算出出的的控控制制量量u(k)进进入入饱饱和和区区, 一一方方面面对对控控制制量量输输出出值值限限幅幅；另另一一方方面面增增加加判判别别程程序序, 算算法法中中只只执执行行削削弱弱积积分分饱饱和和项项的的积积分分运运算算, 而而停停止止增增大大积积分分饱饱和和项项的运算的运算。9/18/202432计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-2 数字数字PID控制算法的改进（控制算法的改进（11）遇限切除积分遇限切除积分PID控制算式控制算式9/18/202433计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-2 数字数字PID控制算法的改进（控制算法的改进（12）5 带死区带死区PID控制算法控制算法+-给定元件原有部分G0(s)输入信号r(k)输出信号c(t)PIDA/DD/Ae(k)u(k)e0-e09/18/202434计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-2 数字数字PID控制算法的改进（控制算法的改进（13） 5.提高积分项积分的精度提高积分项积分的精度积分项的作用：比较重要积分项的作用：比较重要提高其积分项的运算精度的办法提高其积分项的运算精度的办法原来的方法：原来的方法：改进的方法：改进的方法：0j-1j0j-1j9/18/202435计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-3 数字数字PID控制的参数整定（控制的参数整定（1）uu参数整定参数整定参数整定参数整定的基本概念的基本概念的基本概念的基本概念通过调整控制台参数（通过调整控制台参数（Kc、Ti、Td,），）， 使控制器的特性与使控制器的特性与被控过程的特性相匹配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以满足某种反映控制系统质量的性能指标。能指标。uu数字数字数字数字PIDPID的参数整定的参数整定的参数整定的参数整定除了除了Kc、Ti、Td 外，还需要确定系统的采样周期（控制周外，还需要确定系统的采样周期（控制周期）期）T参数整定方式参数整定方式人工整定方式。人工整定方式。自整定、自适应整定方式：智能自整定、自适应整定方式：智能PID控制、模糊控制、模糊PID控制、控制、神经网络神经网络PID控制、预测控制、预测PID控制、遗传算法控制、遗传算法PID控制、控制、鲁棒鲁棒PID控制、非线性控制、非线性PID控制等控制等9/18/202436计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-3 数字数字PID控制的参数整定（控制的参数整定（2）uu采样周期采样周期的确定的确定（一般规律）（一般规律）（一般规律）（一般规律）9/18/202437计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-3 数字数字PID控制的参数整定（控制的参数整定（3）uuPID调节器参数的人工整定方法：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在实际工程应用中，许多控制对象的数学模型都难以得在实际工程应用中，许多控制对象的数学模型都难以得在实际工程应用中，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，大多数到，因此难以用解析法来设计控制器的参数，大多数到，因此难以用解析法来设计控制器的参数，大多数到，因此难以用解析法来设计控制器的参数，大多数PIDPID调节器是在现场进行调节的，为此提出了许多不同调节器是在现场进行调节的，为此提出了许多不同调节器是在现场进行调节的，为此提出了许多不同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，可以对类型的调节律。利用这些调节律，可以对类型的调节律。利用这些调节律，可以对类型的调节律。利用这些调节律，可以对PIDPID进行精确进行精确进行精确进行精确而细致的现场调节。而细致的现场调节。而细致的现场调节。而细致的现场调节。 齐格勒和尼柯尔斯齐格勒和尼柯尔斯齐格勒和尼柯尔斯齐格勒和尼柯尔斯( (Ziegler和和Nichols)提出了调整提出了调整提出了调整提出了调整PIDPID控制器的法则。包括两种方法，分别适用于不同的系统控制器的法则。包括两种方法，分别适用于不同的系统控制器的法则。包括两种方法，分别适用于不同的系统控制器的法则。包括两种方法，分别适用于不同的系统类型。类型。类型。类型。9/18/202438计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-3 数字数字PID控制的参数整定（控制的参数整定（4） 齐格勒齐格勒齐格勒齐格勒- -尼柯尔斯调节律的第一种方法：尼柯尔斯调节律的第一种方法：尼柯尔斯调节律的第一种方法：尼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。控制对象不包括积分器和主导共轭复数极点。控制对象不包括积分器和主导共轭复数极点。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这时控制对象的单位阶跃响应为一条这时控制对象的单位阶跃响应为一条这时控制对象的单位阶跃响应为一条S S形曲线。（如不是形曲线。（如不是形曲线。（如不是形曲线。（如不是S S形曲线则形曲线则形曲线则形曲线则不能应用此方法）不能应用此方法）不能应用此方法）不能应用此方法） 控制器类型KcTiTdP0PI0PID0c(t)tKLT转折点切线控制对象S形单位阶跃响应9/18/202439计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-3 数字数字PID控制的参数整定（控制的参数整定（5） 齐格勒齐格勒齐格勒齐格勒- -尼柯尔斯调节律的第二种方法：尼柯尔斯调节律的第二种方法：尼柯尔斯调节律的第二种方法：尼柯尔斯调节律的第二种方法： 只采用比例控制时，使只采用比例控制时，使只采用比例控制时，使只采用比例控制时，使KKc c从从从从0 0增加，直至系统的输出首次出现持续振增加，直至系统的输出首次出现持续振增加，直至系统的输出首次出现持续振增加，直至系统的输出首次出现持续振荡。此时荡。此时荡。此时荡。此时KKc c的值称为临界值的值称为临界值的值称为临界值的值称为临界值KKcrcr，相应的振荡周期为，相应的振荡周期为，相应的振荡周期为，相应的振荡周期为T Tcrcr。（如不论怎。（如不论怎。（如不论怎。（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）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）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）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）控制器类型KcTiTdP0PI0PID0c(t)tTcr+-控制对象r(t)c(t)Kc9/18/202440计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统PD调节器 5-2-3 数字数字PID控制的参数整定（控制的参数整定（6）PID调节器的实现：PI调节器PID调节器9/18/202441计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统5-2-3 数字数字PID控制的整定参数控制的整定参数 (7)uu自动整定自动整定(auto-tuning)的概念的概念uu较为成熟的自动整定方法较为成熟的自动整定方法 基于继电反馈控制基于继电反馈控制基于继电反馈控制基于继电反馈控制(relay feedback control) (relay feedback control) 基于模式识别基于模式识别基于模式识别基于模式识别(pattern recognition)(pattern recognition) 基于专家系统基于专家系统基于专家系统基于专家系统(expert system)(expert system)原理原理原理原理 控制器参数的优化计算整定控制器参数的优化计算整定控制器参数的优化计算整定控制器参数的优化计算整定 SAPID继电器继电器对对 象象T R Y基于继电反馈控制的自动整定原理框图基于继电反馈控制的自动整定原理框图9/18/202442