第四章数据处理与控制策略精选PPT.ppt
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1、第四章数据处理与控制第四章数据处理与控制策略策略第1页,此课件共48页哦4.14.1数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理从传感器或者变送器传输过来的信号中,通常会掺杂一些噪声和干扰。模拟系统中,一般采从传感器或者变送器传输过来的信号中,通常会掺杂一些噪声和干扰。模拟系统中,一般采取在信号入口端加装取在信号入口端加装RC低通滤波器的方法,来抑制某些干扰信号。其特点是对高频干扰信号低通滤波器的方法,来抑制某些干扰信号。其特点是对高频干扰信号有较好的抑制,但对低频干扰信号滤波效果很差。有较好的抑制,但对低频干扰信号滤波效果很差。所谓数字滤波器,就是通过一定的计算所谓数字滤波器,就是通过一定的计算和判
2、断程序减少干扰信号在有用信号中的比重,故数字滤波器就是一种程序滤波。和判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重,故数字滤波器就是一种程序滤波。数字滤波器可以对极低频的干扰信号进行滤波,以弥补数字滤波器可以对极低频的干扰信号进行滤波,以弥补RC滤波器的不足,并且可以根据信号的不滤波器的不足,并且可以根据信号的不同,采用不同的滤波方法或滤波参数,极具灵活、方便、功能强的特点。同,采用不同的滤波方法或滤波参数,极具灵活、方便、功能强的特点。4.1.14.1.1数字滤波数字滤波介绍几种常用的数字滤波方法:算术平均值滤波就是对某一被测参数连续采样多次,计算其算术平均值作介绍几种常用的数字滤波方法:算术平均
3、值滤波就是对某一被测参数连续采样多次,计算其算术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。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。第2页,此课件共48页哦4.14.1数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理4.加权平均值滤波加权平均值滤波算术平均值滤波,对于算术平均值滤波,对于N次内所有采样值来说,所占比例是相同的,即取每次采样值的次内所有采样值来说,所占比例是相同的,即取每次采样值的1/N。但有。但有时为了提高滤波效果,将给采样值取不同的权重,然后相加,此方法称为加权平均法。一个时为了提高滤波效果,将给采样值取不同的权重,然后相加,此方法称为
4、加权平均法。一个n项加项加权平均式为:权平均式为:式中,式中,C0、C1、C2。Cn-1为各次采样值的系数,它体现了各次采样值在平均值所占为各次采样值的系数,它体现了各次采样值在平均值所占的比例,的比例,应满足下列关系:应满足下列关系:这些系数可以根据具体情况决定。一般采样次数愈靠后,取的比例愈大,这样可增加新韵采样值在这些系数可以根据具体情况决定。一般采样次数愈靠后,取的比例愈大,这样可增加新韵采样值在平均值里的比例。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。平均值里的比例。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。第3页,此课件共48页哦4.14
5、.1数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理2.中值滤波中值滤波所谓中值滤波是指对某一参数连续进行采样所谓中值滤波是指对某一参数连续进行采样n次次(一般而取奇数一般而取奇数),然后将,然后将n次采样值从小次采样值从小到大排列,或从大到小排队,再取中间值作为本次采样值。到大排列,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尔因素引起的波动,或采样器不稳定而引起的脉动干扰比较有效,若变化量缓慢,中值滤波对于去掉由于偶尔因素引起的波动,或采样器不稳定而引起的脉动干扰比较有效,若变化量缓慢,采用中值滤波比较有效,但是对快速变化过程的参数,如流量则不宜采用。采用中值滤波比较有效,但是对快
6、速变化过程的参数,如流量则不宜采用。3.惯性滤波法惯性滤波法为提高滤波效果,可以仿照模拟系统为提高滤波效果,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。方程来表示,用软件算法来模拟硬件滤波器的功能。典型典型RC低通滤波器的动态方程为:低通滤波器的动态方程为:式中,式中,Tf=RC,称为滤波器时间常数,称为滤波器时间常数,x是测量值,是测量值,y是经滤波后的测量值。离散化可得低通滤波算法为:是经滤波后的测量值。离散化可得低通滤波算法为:y(k)=ay(k一一1)十
7、(十(1-a)x(k)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。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。第4页,此课件共48页哦4.14.1数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理1.程序判断滤波法程序判断滤波法从传感器或者变送器采样来的信号当混杂了严重干扰信号时,可采用程序判断滤波。程序从传感器或者变送器采样来的信号当混杂了严重干扰信号时,可采用程序判断滤波。程序判断的方法,是根据经验,确定出两次采样输入的信号可能出现的最大偏差判断的方法,是根据经验,确定出两次采样输入的信号可能出现的最大偏差y,若超过,若超过此偏差值,则
8、表明该输入信号中串入干扰信号,应当舍弃;若小于此偏差值,可将信号做此偏差值,则表明该输入信号中串入干扰信号,应当舍弃;若小于此偏差值,可将信号做为本次采样值。为本次采样值。程序判断滤波根据滤波方法的不同,可分为两种,一是限幅滤波,二是限速滤波。程序判断滤波根据滤波方法的不同,可分为两种,一是限幅滤波,二是限速滤波。(1)限幅滤波)限幅滤波限幅滤波的做法是把两次相邻的采样值相减,求出其增量限幅滤波的做法是把两次相邻的采样值相减,求出其增量(以绝对值表示以绝对值表示),然后与两次采样允许的最大差,然后与两次采样允许的最大差值值(由控制对象的实际情况决定由控制对象的实际情况决定)y进行比较,若小于或
9、等于进行比较,若小于或等于y,则取本次采样值,则取本次采样值;若大于若大于y则仍取上次则仍取上次采样值,即采样值,即:第5页,此课件共48页哦4.14.1数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理(2)限速滤波)限速滤波限幅滤波是取两次采样值来决定采样结杲,而限速滤波则最多可用三次采样值来决定采样结果。限幅滤波是取两次采样值来决定采样结杲,而限速滤波则最多可用三次采样值来决定采样结果。其判别采样原理如下其判别采样原理如下:4.2.2数据处理数据处理在数据采集和处理系统中,计算机通过数字滤波方法可以获得有关现场的比较真实的被测参数,但在数据采集和处理系统中,计算机通过数字滤波方法可以获得有关现场的比较
10、真实的被测参数,但此信号有时不能直接使用,需要进一步数学处理或给用户特别提示。此信号有时不能直接使用,需要进一步数学处理或给用户特别提示。1线性化处理线性化处理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。但我们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。但我们希望计算机内部参与运算与控制的二进制数与被测参数之间成线性关系,这样既便于运算又便于数希望计算机内部参与运算与控制的二进制数与被测参数之间成线性关系,这样既便于运算又便于数字显示,因此就须对数据做线性化处理。字显示,因此就须对数据做线性化处理。第6页,此课件共48页哦
11、4.14.1数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理常用的数据处理方法有计算法、插值法、折线法:常用的数据处理方法有计算法、插值法、折线法:(1)计算法)计算法第7页,此课件共48页哦4.14.1数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理(2)插值法)插值法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。常用的插值公式有多项式插值公式、拉格朗日插值公式、非线性参数。用这种方法得到的公式叫做插值公式。常用的插值公式有多项式
12、插值公式、拉格朗日插值公式、线性插值公式等线性插值公式等,这里只介绍第一种。这里只介绍第一种。第8页,此课件共48页哦4.14.1数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理(3)(3)折线法折线法上述两种方法都可能会带来大量运算,对于小型工控机来说,占用内存比较大,为简单起上述两种方法都可能会带来大量运算,对于小型工控机来说,占用内存比较大,为简单起见,可以分段进行线性化,即用多段折线代替曲线。见,可以分段进行线性化,即用多段折线代替曲线。线性化过程是:首先判断测量数据处于哪一折线段内,然后按相应段的线性化公式计算出线性化过程是:首先判断测量数据处于哪一折线段内,然后按相应段的线性化公式计算出线性值
13、。折线段的分法并不是唯一的,可以视具体情况和要求来定。当然,折线段数越多,线性值。折线段的分法并不是唯一的,可以视具体情况和要求来定。当然,折线段数越多,线性化精度越高,软件的开销也就相应增加。线性化精度越高,软件的开销也就相应增加。此外,还可将非线性关系转化为表格形式存在计算机内,在线的工作量仅仅是根据采样值此外,还可将非线性关系转化为表格形式存在计算机内,在线的工作量仅仅是根据采样值查表获得相应结果。查表获得相应结果。第9页,此课件共48页哦4.14.1数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理3标度变换标度变换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,如压力的单位为在计算机控制
14、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,流量的单位为m3/h,温度的单位为,温度的单位为等等。这些参数都经过变送器转换成等等。这些参数都经过变送器转换成A/D转换器能接收的转换器能接收的0-5 V电压信号,电压信号,又由又由A/D转换成转换成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
15、所谓的标度变换。量转换成带有量纲的数值,这就是所谓的标度变换。(1)线性参数标度变换线性参数标度变换所谓线性参数,指一次仪表测量值与所谓线性参数,指一次仪表测量值与A/D转换结果具有线性关系,或者说一次仪表是线性刻度的。转换结果具有线性关系,或者说一次仪表是线性刻度的。其标度变换公式为:其标度变换公式为:式中,式中,A A0 0为一次测量仪表的下限,为一次测量仪表的下限,A Am m为一次测量仪表的上限,为一次测量仪表的上限,A Ax x为实际测量值(工程量),为实际测量值(工程量),N N0 0为为仪表下限对应的数字量,仪表下限对应的数字量,N Nm m为仪表上限对应的数字量,为仪表上限对应
16、的数字量,N Nx x为测量值所对应的数字量。为测量值所对应的数字量。其中,其中,A A0 0,A Am m,N N0 0,N Nm m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。为使程序简单,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。为使程序简单,一般把被测参数的起点一般把被测参数的起点A A0 0(输入信号为(输入信号为0 0)所对应的)所对应的A/DA/D输出值为输出值为0 0,即,即N N0 0=0=0,这样式可化为,这样式可化为:第10页,此课件共48页哦4.14.1数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理有时,工程量的实际值还需经过一次变有时,工程量的实际
17、值还需经过一次变换,如电压测量值是电压互感器的二次换,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,这时上式应再乘个互感器的变比问题,这时上式应再乘上一个比例系数:上一个比例系数:讲解书讲解书P109范例范例(2)非线性参数标度变换非线性参数标度变换 在过程控制中,最常见的非线性关系是差压变送器在过程控制中,最常见的非线性关系是差压变送器信号信号P与流量与流量F的关系。的关系。测量流量时的标度变换式为:测量流量时的标度变换式为:式中,式中,G0为流量仪表下限值,为流量仪表下限值,Gm为流量仪表上限值,为流量仪表上限值,Gx
18、为被测量的流量值,为被测量的流量值,N0为差压变送器下限所对应的为差压变送器下限所对应的数字量,数字量,Nm为差压变送器上限所对应的数字量,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)。为差压变送器所测得的差压值(数字量)。4越限报警处理越限报警处理 5.死区处理死区处理第11页,此课件共48页哦4.2 数字数字PID控制算法控制算法(1 1)计算机控制系统的任务是对生产过程的参数、运行量等进行控制,使得生产过程或被控)计算机控制系统的任务是对生产过程的参数、运行量等进行控制,使得生产过程或被控对象处于较佳的运行状态,即达到较佳的静态性能和动态性能。对象处于较佳的运
19、行状态,即达到较佳的静态性能和动态性能。(2 2)在计算机控制系统中所采用的控制规律有许多,其中,)在计算机控制系统中所采用的控制规律有许多,其中,PIDPID是控制系统中应用最为是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。本节主要介绍数字广泛的一种控制规律。本节主要介绍数字PIDPID控制算法的实现、改进和控制算法的实现、改进和PIDPID参数的整定方参数的整定方法。法。6.1 PID 6.1 PID 控制的概述控制的概述如图所示为模拟控制系统的原理框图。被测量如图所示为模拟控制系统的原理框图。被测量y y与给定值与给定值r r比较形比较形成偏差成偏差e e,控制器以,控制器以e e为输人,按一
20、定的控制规律形成控制量仂,为输人,按一定的控制规律形成控制量仂,通过执行机构完成对被控对象的控制,最终使得被控量通过执行机构完成对被控对象的控制,最终使得被控量y y运行在运行在给定值给定值r r。第12页,此课件共48页哦说明:说明:(1 1)PIDPID调节是调节是ProportionalProportional(比例)、(比例)、integralintegral(积分)、(积分)、DifferentialDifferential(微分)三者的缩写(微分)三者的缩写,是连续系统中技术最成熟、应用最为广泛的一种控制规律。其控制规律可表示为:是连续系统中技术最成熟、应用最为广泛的一种控制规律。
21、其控制规律可表示为:u u(t t):控制器的输出信号、及控制量。):控制器的输出信号、及控制量。e e(t t):控制器的输入偏差,它等于测量值与给定值之差。):控制器的输入偏差,它等于测量值与给定值之差。Kp-Kp-比例系数,也称比例增益。比例系数,也称比例增益。Ti-Ti-积分时间常数。积分时间常数。TD-TD-微分时间常数。微分时间常数。(2 2)PIDPID控制中实质上包含了三种控制,即比例控制中实质上包含了三种控制,即比例P P控制、积分控制、积分I I控制和微分控制和微分D D控制。控制。P P控制能迅速地反应偏差,其控制作用的大小与偏差成比例,但比例控制不能完全消除偏差。控制能
22、迅速地反应偏差,其控制作用的大小与偏差成比例,但比例控制不能完全消除偏差。一般说来,比例系数太大会影响控制系统的稳定性。一般说来,比例系数太大会影响控制系统的稳定性。4.2 数字数字PID控制算法控制算法第13页,此课件共48页哦I控制的作用是与偏差的积分成比例,只要偏差存在,积分控制就会起作用,因此,积分控制的作用是与偏差的积分成比例,只要偏差存在,积分控制就会起作用,因此,积分控制有利于偏差的消除。但积分控制作用太强,超调量增大,使反馈信号反向增大导致相控制有利于偏差的消除。但积分控制作用太强,超调量增大,使反馈信号反向增大导致相反调节甚至产生振荡,系统稳定性减弱。反调节甚至产生振荡,系统
23、稳定性减弱。D控制能够迅速地反映偏差的变化率,因而能使控制器具有控制能够迅速地反映偏差的变化率,因而能使控制器具有“超前超前”控制的功能。根据自动控制理论控制的功能。根据自动控制理论可知,适当地应用微分控制可以减少控制系统输出的超调量,并且,有利于系统稳定性的提高。可知,适当地应用微分控制可以减少控制系统输出的超调量,并且,有利于系统稳定性的提高。由于计算机控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。因此,在计算机控制系由于计算机控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。因此,在计算机控制系统中,我们需用数字形式的差分方程来近似代替连续系统的微分方程。统中,我
24、们需用数字形式的差分方程来近似代替连续系统的微分方程。计算机控制系统中,必须把上式离散化,得到数字计算机控制系统中,必须把上式离散化,得到数字PID调节器控制算式,才能编写调节器控制算式,才能编写PID控制程序。控制程序。4.2 数字数字PID控制算法控制算法第14页,此课件共48页哦比例训节器虽然有结构简单、调节及时、调节速度快等优点,但是当仅有比例控制时,系统比例训节器虽然有结构简单、调节及时、调节速度快等优点,但是当仅有比例控制时,系统的输出存在着稳态误差,比例调节器的阶跃响应特性曲线如图的输出存在着稳态误差,比例调节器的阶跃响应特性曲线如图4.5所示所示4.2 数字数字PID控制算法控
25、制算法第15页,此课件共48页哦4.2 数字数字PID控制算法控制算法第16页,此课件共48页哦比例积分训节器的输出特性曲线如图比例积分训节器的输出特性曲线如图4.7所示所示4.2 数字数字PID控制算法控制算法第17页,此课件共48页哦3 3比例微分调节器比例微分调节器PIPI调节器虽然可以消除系统的稳态误差,响应速度也比较快,但是当被控对象的惯性比较大时,其调节品调节器虽然可以消除系统的稳态误差,响应速度也比较快,但是当被控对象的惯性比较大时,其调节品质仍然不能满足要求。这时有必要在偏差出现或变化的瞬间,不仅对偏差做出即时反应,而且还要对偏差质仍然不能满足要求。这时有必要在偏差出现或变化的
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