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时间:2019-10-24
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1、第5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F,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。数控技术和运动控制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—•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。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,一般采川常规PID控制器进行控制
2、,其控制目标是保证生产的基本平稳和安全运行。随着工业现代化发展屮提出的高效益、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。数字控制器的设计技术大多数计算机控制系统是rh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“混合系统二市此产牛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。数字控制器的连续化设计技术计算机控制系统中,G⑸是被控对象的传递函数,H⑸是零阶保持器,D(z)是数字控制器。现在的设计问题是:数字控制器
3、的连续化设计步骤为:设计假想的连续控制器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),市于被控对彖的物理过程及参数的变化比较复杂,致使模拟信号的故高角频率①“畑很难确定。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耍受到多方血因素的制约。(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;(5)从计算机的成木考虑,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吋间常数Tp和纯滞后时间r,当r<0.5Tp时,可选7'=0.1~0.2T“;式(5.4)称为前
4、向差分法或欧拉法的计算公式。设计由计算机实现的控制算法设数字控制器D⑵的一般形式为!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沖以实现,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,D⑵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
5、统进行控制系统设计还是按离散系统进行控制系统设计,都可采川基于经典控制理论的常规控制策略或某于现代控制理论的先进控制策略,采川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耍求有关,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rh于转换技术的兴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
6、数据进行報理、统计,数字滤波技术是最基木的处理方法,它可以剔除数据中的噪声,捉高数据的代农性。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,有时不能直接使川,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小对釆集到的数据进行消除干扰的处理。一般来说,除了在硕件中对信号采
7、取抗干扰措施Z外,还要在软件小进行数字滤波的处理,以进一步消除附加在数据屮的各式各样的干扰,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Z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H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彩响。实质是对采样数据)£)的m次测量值进行算术平均,作为时刻kT的有效
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