《计算机控制技术》第二版04第四章计算机控制系统的控制算法.ppt

第4章 计算机控制系统的控制算法 本章主要内容 4.1 数字滤波和数据处理 4.1.1数字滤波（又称软件滤波） 数字滤波的必要性及优点 1.程序判断法（限幅滤波） 算法 2.中位值滤波法 接上页 接上页 3.算术平均滤波法 接上页 接上页 4.递推平均滤波法 接上页 5.加权递推平均滤波法 算法 接上页 6.一阶惯性滤波法 接上页 接上页 六种数字滤波方法实际应用： 4.1.2数据处理 1.线性化处理 (1)孔板差压与流量 (2)热电偶的热电势与温度 2.标度变换 为什么要进行标度变换 (1)线性参数的标度变换 接上页 接上页 例4.1 (2)非线性参数的标度变换 接上页 接上页 4.2 数字PID控制 本节主要内容 4.2.1 基本PID控制 标准数字PID控制算法（1） 标准数字PID控制算法（2） 标准数字PID控制算法（3） 标准数字PID控制算法（4） 标准数字PID控制算法（5） 数字PID的增量式的优点如下: 数字PID控制算法程序流程图 4.2.2 数字PID控制的改进 1. 积分饱和抑制 （1）积分分离PID控制算法 积分分离PID算法可表示为： （2）抗积分饱和算法 基本思想： 接上页 接上页 2.不完全微分PID控制算法(实际微分作用) 接上页 接上页 在单位阶跃输入时, 两种微分输出的控制作用 接上页 接上页 3.微分先行PID控制算法 图4.5微分先行PID控制方框图 标准PID算式中的微分作用 4. 带死区的PID控制 接上页 4.2.3 数字PID控制器的工程实现 PID控制程序可以作为一台计算机所控制的所有回路的公共子程序。不同的是各个控制回路提供的原始数据不一样，输入输出通道也不一样。 PID控制程序应具有通用性和工程实用价值。在设计PID控制程序时，必须考虑各种工程实际情况，并含有多种功能，以便用户选择。 数字PID控制器的工程实现 1. 给定值处理 接上页 接上页 2. 被控量处理 被控量处理示意图 接上页 3 .偏差处理 图4.11 偏差处理 计算偏差 偏差报警 非线性特性补偿 输入补偿 偏差处理数据区存放的数据 4 .PID计算 在控制策略的数据区存放的数据 5. 控制量处理 控制量实际输出前的处理： 输出补偿、变化率限制、输出保持、安全输出 控制量处理数据区存放量 6. 自动手动切换 设置自动/手动切换部分的目的： 自动/手动切换处理示意框图 自动/手动切换部分的功能 无平衡无扰动切换 无平衡无扰动切换应采取以下措施: 手动到自动 自动到手动 4.2.4S7-300 /400PID功能块FB41简介 PID功能模块FB41原理框图 1.设定值与过程变量的处理 (1)设定值的输入 (2)过程变量的输入 (3)外部设备过程变量转换为浮点数 (4)外部设备过程变量的标准化 2．PID控制算法 （1）误差的计算与处理 (2)控制器的结构 接上页 （3）积分器的初始值 3．控制器输出值的处理 （1）手动模式 接上页 （2）输出限幅 （3）输出量的格式化处理 （4）输出量转换为外围设备(I／O)格式 表4.2 FB41的输入参数 接上页 表4.3 FB41的输出参数 4.2.4 PID参数整定 数字PID的参数整定 1. PID调节器参数对控制性能的影响 (1)比例控制Kp对系统性能的影响。 (2)积分控制Ti对控制性能的影响 (3)微分控制Td对控制性能的影响 各种控制规律对控制性能的影响 2．控制规律的选择 接上页 接上页 接上页 接上页 表4.4常见对象选择采样周期的经验数据 4．扩充临界比例度法选择PID参数 参数的整定方法、整定步骤如下： (3) 选择控制度 (4) 选择控制度以后，按表4.3选择采样周期T，KP，Ti和Td。 (5) 按照求得的整定参数，进行系统投运，观察效果，适当调整参数，直到获得比较满意的控制效果 。 5．PID 归一参数的整定法 接上页 4.3 施密斯(Smith)预估控制？ 当对象的纯滞后时间τ与对象的时间常数Tc之比，即τ/Tc≥0.5时，常规PID很难适应，会使过程严重超调，稳定性变差。 4.3.1施密斯预估控制原理 史密斯(Smith)纯滞后补偿器基本思想: 施密斯预估控制原理： 纯滞后补偿器传递函数 接上页 4.3.2具有纯滞后补偿的数字控制器 1．施密斯预估器 工业对象可近似用一阶惯性环节和纯滞后环节的串联来表示： 2．纯滞后补偿控制算法步骤 (1)计算反馈回路的偏差e1(k) (2)计算纯滞后补偿器的输出yτ(k) (3)计算偏差e2(k) (4)计算控制器的输出u(k) 史密斯(Smith)预估器的不足 带Simith补偿的精馏塔控制 4