第4章 数据处理与控制策略

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1、计算机控制技术第4章数据处理与控制策略计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指标的条件下，设计出控制器的控制规律和相应的数字控制算法。对数字控制器的设计一般有连续化设计和离散化设计两类。计算机控制系统在工业现场使用时，通过模拟量输入通道采集到生产过程的各种参数可能混杂了干扰噪声，可能会造成硬件系统的损坏，或者使计算机系统不能正常运行，导致控制失灵。计算机系统的抗干扰不可能完全依靠硬件解决，一般需要进行数字滤波。另外还须根据实际需要用到数据处理技术对数据进行预处理。数控技术和运动控制装备是制造工业现代化的重要基础。

2、这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。目前世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其相关产业。计算机控制系统中的控制策略是指基于控制理论，在被控对象数学模型或操作人员的先验知识基础上设计并用计算机软件实现的数字控制器或某种控制算法。早期的工业过程控制系统受经典控制理论和常规仪表的限制，难以处理工业过程中存在的时变、非线性、强耦合和不确定性等复杂情况，一般采用常规PID控制器进行控制，其控制目标是保证生产的基本平稳和安全运行。随着工业现代化的发展提出的高效益

3、、高柔性控制的综合要求，常规控制已不能满足新的控制要求，各种新型的过程控制策略（AdvancedProcessControl，简称APC）应运而生，在工业过程控制中得到许多成功的应用。4.1数字控制器的设计技术大多数计算机控制系统是由处理数字信号的过程控制计算机和连续的被控过程组成的数字信号与连续信号并存的“混合系统”，由此便产生了下面两种对过程计算机控制系统的数字控制器的分析和设计方法。4.1.1数字控制器的连续化设计技术数字控制器的连续化设计是忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器，在S域中按连续系统进行设计，

4、然后通过某种近似，将连续控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。在图4.1所示的计算机控制系统中，G(S)是被控对象的传递函数，H(S)是零阶保持器，D(S)是数字控制器。现在的设计问题是：根据已知的系统性能指标和G(s)来设计出数字控制器D(z)。数字控制器的连续化设计步骤为：1.设计假想的连续控制器39计算机控制技术采用连续系统的设计方法（如频率特性法、根轨迹法等）设计出假想的连续控制器D(s)，如图4.2所示。u(t)y(t)e(k)+r(t)-G(s)e(t)D(z)H(s)Tu(k)T图4.1计算机控

5、制系统结构图D(s)G(s)y(t)e(t)r(t)+-u(t)图4.2假想的连续控制系统结构图2.选择采样周期T根据采样定理，采样周期T≤π/ωmax。由于被控对象的物理过程及参数的变化比较复杂，致使模拟信号的最高角频率ωmax是很难确定的。采样定理仅从理论上给出了采样周期的上限，实际采样周期的选择要受到多方面因素的制约。1、采样周期的选择原则（1）从系统控制品质的要求来看，希望采样周期取得小些，这样接近于连续控制，不仅控制效果好，而且可采用模拟PID控制参数的整定方法。（2）执行机构的特性来看，由于执行机构的响

6、应速度较低，采样周期过短，执行机构来不及响应，所以采样周期不能过短。（3）控制系统抗干扰和快速相应的要求出发，采样周期应尽量短。（4）从计算工作量来看，则希望采样周期长些。（5）从计算机的成本考虑，采样周期应尽量长。（6）采样周期的选取，还应考虑控制对象的时间常数Tp和纯滞后时间τ，当τ<0.5Tp时，可选T=0.1~0.2Tp；当τ>0.5Tp时，可选T=τ；选择采样周期应考虑的因素（1）采样周期应远小于对象扰动信号的周期；（2）采样周期应比对象的时间常数小的多，否则采样信号无法反映瞬变过程。（3）应考虑执行器的

7、速度。（4）应考虑所要求的控制品质的高低。（5）性能价格比。（6）计算机所承担的工作量。由上述分析可知，采样周期的选择，应全面考虑。3.将D(s)离散化为D(z)将连续系统离散化的方法有很多，如双线性变换法、后向差分法、前向差分法、冲击响39计算机控制技术应布变法、零极点匹配法、零阶保持法等。在这里，我们主要介绍常用的双线性变换法、后向差分法和前向差分法。（1）双线性变换法由Z变换的定义可知，z=esT,利用级数展开可得（4.1.1）式（4.1.1）称为双线性变换或塔斯廷（Tustin）近似。为了由D(s)求解D(

8、z)，由式（4.1.1）得（4.1.2）且有（4.1.3）式（4.1.3）就是利用双线性变换法由D(s)求取D(z)的计算公式。（2）前向差分法利用级数展开可将写成以下形式（4.1.4）式（4.1.4）称为前向差分法或欧拉法的计算公式。为了由D(S)求取D(z)，由上式可得（4.1.5）且(4.1.6）式（4.1.6）便是前向差分法由D(s)求取D(z)的计