第4章 计算机控制技术 知识的应用 《计算机控制与仿真技术 知识》课件.ppt

* 本章主要教学内容 本章主要介绍控制系统数学模型的相关知识，通过本章的学习，读者应掌握以下内容： 报警程序的设计 常用数字滤波技术 数字PID控制算法分析 数字PID调节器参数整定 直接数字控制系统 第4章 计算机控制技术的应用 4.1 常用控制程序的设计 第4章 算机控制技术的应用 4.2 PID控制及其应用 4.3 直接数字控制系统 4.1 常用控制程序的设计 计算机控制系统的硬件是完成控制任务的设备基础，而计算机的操作系统和各种应用程序——软件是履行控制任务的关键。毫无疑问，作为应用软件的一部分，即由用户开发的控制程序的设计，以及硬件的设置是计算机控制系统中的两项主要内容和工作。本节介绍一些最基本、最常用的程序。 4.1.1 常用报警程序 在计算机控制系统中，为了安全生产，一些重要的参数或系统部位都要设有紧急状态报警系统，需以特殊的方式提醒工作人员注意或采取相应的措施。报警程序的设计是比较简单的，主要采用比较的方法。其基本原理就是把采集的数据经计算机进行数据处理、数字滤波及标度变换之后，与该参数上、下限设定值进行比较，如高于上限（或低于下限）则报警；否则，作为采样的正常值进行显示和控制。 简单的报警程序设计包括软件报警程序设计和硬件程序设计。 如图4-1所示锅炉水位调节系统。图中锅炉正常工作的主要指标是汽包水位：液面太高会影响汽包的蒸汽产量；水位过低则有爆炸的危险。 为及时监视锅炉情况，系统设有三个参数报警系统，即水位上限、下限，炉膛温度上限、下限，蒸汽压力下限报警，如图4-2所示。当系统各个参数全部正常时，绿灯亮；若有不正常参数，则发出声光报警信号。 4.1.2 数字滤波程序 所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重，也即是一种程序滤波或软件滤波。 数字滤波克服了模拟滤波器的不足，具有以下优点： 数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高、稳定性好，且无阻抗匹配问题。 数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。 数字滤波可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。 1. 程序判断滤波 当采样信号由于随机干扰、误检或变速器不稳定引起严重失真时，可采用程序判断滤波。其方法是根据经验，确定出相邻两次采样值之间可能出现的最大的偏差。采样后，将本次采样值与上一次采样值比较，若差值超过偏差，则表明本次输入信号中串入了干扰信号；若小于偏差，则可将此信号作为本次采样值。 程序判断滤波分为限幅滤波和限速滤波。 2. 算术平均滤波 算术平均滤波法是把N个采样值相加，取其算术平均值作为本次有效采样值。 算术平均滤波为： 3. 中值滤波 中值滤波是对一被测参数连续采样n次（n为奇数，且一般取5~9），从中选取一个大小居中的数值作为滤波输出。 中值滤波程序的设计思想是：将采样值从小到大进行排序，然后取中间值。具体做法是：将相邻采样值两两比较，较大的数要放在较小的数的后面。 中值滤波能有效地去除偶然因素引起的波动，采样开关或A/D转换器等工作不稳定造成的脉冲干扰，对变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果，但不适合快速变化的过程参数。 4. 一阶滞后滤波 一阶滞后滤波主要用于变化比较慢的信号的滤波。一阶滞后滤波有相位滞后，滞后角大小与的选择有关。 5. 加权平均滤波 在算术平均滤波中，N次采样值在结果中占的比例是相等的，即每次采样值具有相同的加权因子1/N。但有时为了提高滤波效果，往往对不同时刻的采样值赋以不同的加权因子，这种方法称为加权平均法。 加权平均滤波适用于系统纯滞后时间较大而采样周期较短的过程。 6. 防脉冲干扰平均滤波 在工业控制等应用场合，经常会遇到尖脉冲干扰的现象。干扰通常只影响个别采样值，此值与其他采样值相差比较大。如果采用一般的平均值法，则干扰会平均分配到计算结果中去，故如果先对N个数据进行比较，去掉其中最大的和最小的值，计算余下的N－2个值的平均值，即可滤去脉冲干扰又可滤去最小值的随机干扰。 防脉冲干扰平均滤波综合了算术平均滤波和中值滤波的优点，对于快、慢速度系统均适合。 4.2 PID控制及其应用 4.2.1 数字PID控制算法 PID是Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）三者的缩写。在过程控制中，按误差信号的比例、积分和微分进行控