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l本章的教学目的与要求掌握各种数字滤波的原理、特点及使用场合，数控技术、数字PID及常规控制系统，了解先进控制系统。l授课主要内容l数字滤波和数据处理l数控技术l数字PIDl常规控制系统l先进控制系统l主要外语词汇DigitalFilter:数字滤波，NumericalControl（NC）：数字控制，ComputerizedNumericalControl(CNC):计算机数字控制l重点、难点及对学生的要求说明：带“***”表示要掌握的重点内容，带“**”表示要求理解的内容，带“*

2、”表示要求了解的内容，带“☆”表示难点内容，无任何符号的表示要求自学的内容l常用的数字滤波的原理、特点及使用场合***l常用的数据处理方法***l数字PID及改进算法***☆l常规控制方法***l先进控制方法*l辅助教学情况多媒体教学课件（POWERPOINT）l复习思考题l常用的数字滤波的原理、特点及使用场合l常用的数据处理方法l数字PID及改进算法l常规控制方法l先进控制方法l参考资料刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义13计算机控制技术13计算机控制技术计算机系统的抗干扰不可能完全依靠硬件解决，一般需要

3、进行数字滤波。另外在计算机控制系统中，根据实际需要经常会用到数据处理技术对数据进行预处理。数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。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。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。4.1数字滤波和数据处理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。通过

4、数字滤波得到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。一数字滤波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。采用数字滤波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；优点二是数字滤波稳定性好，一种滤波程序可以反复调用，使用方便灵活。1.平均值滤波法 （1）算术平均值滤波对于一点数据连续采样多次，计算其算术平均值，以其平均值作为该点采样结果。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

5、次测量值进行算术平均，作为时刻kT的有效输出采样值，即（4.1）m值决定了信号平滑度和灵敏度。为提高运算速度，可以利用上次运算结果，通过递推平均滤波算式（4.2）得到当前采样时刻的递推平均值。算术平均值滤波和加权平均值滤波主要用于对压力、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。（2）加权平均值滤波由（4-1）式可以看出，算术平均值滤波法对每次采样值给出相同的加权系数，即1/m，实际上有些场合需要增加新采样值在平均值中的比重，这时可采用加权平均值滤

6、波法，其算式为（4.3）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。2.中值滤波法所谓中值滤波是对某一参数连续采样n次，然后把n次的采样值从小到大或从大到小排队，再取中间值作为本次采样值。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。若变量变化比较慢，则采用中值滤波效果比较好，但对快速变化的参数不宜采用。如果将平均值滤波和中值滤波结合起来使用，滤波效果会更好。3.惯性滤波法前面几种方法基本上属于静态滤波，主要适用于变化过程比

7、较快的参数，如压力、流量等。对于慢速随机变量，则采用短时间内连续采样取平均值的方法，其滤波效果不够理想。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13计算机控制技术（4.4）式（4-4）离散化可得低通滤波算法为（4.5）该种滤波方法模拟了具有较大惯性得低通滤波功能，主要适用于高频和低频的干扰信号。4.程序判断滤波程序判断滤波的方法，是根据生产经验，确定两次采样输入信号可能出现的最大偏差Δy。若超

8、过此偏差值，则表明该输入信号是干扰信号，应该去掉；如小于此偏差值，则可以将信号作为本次采样值。程序判断滤波一般分两种：（1）限幅滤波（2）限速滤波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，所以我们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