常规控制技术
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计算机控制系统习题参考答案
4) 集散控制系统：分散控制，集中操作，分级管理，综合协调，实现高级复杂的控制。 系统成本较高，且各厂商的 DCS 有各自的标准，不能互联。
2
计算机控制系统习题参考答案
5) 现场总线控制系统：分散控制，环境适应性强，维护简易，成本低，可靠性高，并且 在同一国际标准下可实现真正的开放式互联系统结构。
1) 增量型算法无需累加，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小；而位置型
算法要用到过去误差的所有累加值，容易产生大的累加误差。
2) 增量型算法得出的是控制量的增量，误动作影响小；而位置型是控制量的全量输出，
误动作影响大。
3) 增量型算法可实现手动到自动的无冲击切换。
4-4 什么叫积分饱和作用？它是怎样引起的，如何消除？ 如果执行机构已到达极限位置，仍不能消除静差时，由于积分作用，尽管 PID 差分 方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作，这就叫积分饱和。 在控制过程的起动、结束、大幅度增减设定值或出现较大扰动时，短时间内系统的 输出会出现很大的偏差，这些偏差经过积分项累加，有可能使控制量超出执行机构的极 限位置，因而不能按照控制量的要求动作，产生饱和效应，使系统输出出现较大的超调 和长时间的波动。 消除方法：可采用积分分离式 PID 控制算法，其基本思想是大偏差时，去掉积分作 用，以免积分作用使系统稳定性变差；小偏差时，投入积分作用，以便消除静差，提高 控制精度。亦可采用变速积分 PID 控制算法，其基本思想是设法改变积分项的累加速度，
1)
f(t)=a mt
* -k mT -1 2mT -2 Z [ f(t) ] =Z f (t) = ∑ f(kT)z =1+a z +a z +... k=0 ∞
常规控制图技术及应用研究
《 装备制造技术） ２ ｏ １ ３ 年第 １ Ｏ 期
常规 控 制 图技 术 及应 用研 究
韩亚利
（ 长沙航空职业技术学院 ， 湖南 长沙 ４ １ ０ １ ２ ４ ）
摘 要： 常规控制 图是监控 、 分析生产过程处于稳 态的有效手段和工具 ， 也是一种 有效的质量管理工具。 归纳总结 了常规
一
般来 说 ， Ｓ Ｐ Ｃ控 制点 的选 取 对象是 ［ ４ １ ：
（ １ ）图纸 给 出的关 键 、 重要 特 性 ； 对产 品 的性 能 、
果使用计算机软件 ，控 制图上会 自动显示过程 的状 精度 、 寿命 、 可靠性 、 安全性等有直接影 响的零 部件 态 。如果 是 手工绘 制 ， 需 要我 们 自己完 成 对过 程状 态 的关键 特 性 和重要 特性 ； 的判断 ， 确定过程是否出现了异常。
法 。统计 过程 控制 的核 心是 通 过控 制 图监控 、 分 析 生 产过 程 的稳 定状况 Ⅲ 。本文 主要 针对 统计 过 程控 制技
因的重要参考资料 ，对 于以后在产品设计和制定产 品规 格方 面都 是 十分 有用 的 。
术中应用最多的常规控制图进行研究 ， 归纳总结生产
企业 多年 来使 用常 规控 制 图的 一些 实践 经验 ， 着 重 阐
述 常规控 制 图 的设 计要 点和 一些 主要 技术 问题 。
２ 常规控制 图的主要技术 问题
应用控制图时， 需要考虑以下一些技术问题 ：
１ 控制 图的设计程序【 ２ ］
２ ． １ 控 制 图用 于何 处
原则上讲 ， 对于任何过程 ， 凡需要进行控制的场 （ １ ） 确定少数重要的关键过程测量值 ， 选择所适 合都可 以应用控制图。但首先应 区分所确定的控制 用 的控 制 图 。 对象是定量还是定性的描述 ，这样才能够应用合适 （ ２ ） 采集 数 据 ， 制作 简 单实 用 的数 据 采集 表 。 即 的控 制 图 。其 次 ， 所 控 制 的过 程 必 须具 有 可 重复 性 ， 使控制 图是借助计算机软件制作完成 的，也必须进 即具有统计规律 。对于只能进行一次或少数几次的 行 这个 步 骤 ，如何 采集 数 据 至关 重 要 。一般 的做 法 过 程 ， 显然 难 于应 用控 制 图进行 控制 ［ ３ １ 。
常规 控 制 图技 术 及应 用研 究
韩亚利
（ 长沙航空职业技术学院 ， 湖南 长沙 ４ １ ０ １ ２ ４ ）
摘 要： 常规控制 图是监控 、 分析生产过程处于稳 态的有效手段和工具 ， 也是一种 有效的质量管理工具。 归纳总结 了常规
一
般来 说 ， Ｓ Ｐ Ｃ控 制点 的选 取 对象是 ［ ４ １ ：
（ １ ）图纸 给 出的关 键 、 重要 特 性 ； 对产 品 的性 能 、
果使用计算机软件 ，控 制图上会 自动显示过程 的状 精度 、 寿命 、 可靠性 、 安全性等有直接影 响的零 部件 态 。如果 是 手工绘 制 ， 需 要我 们 自己完 成 对过 程状 态 的关键 特 性 和重要 特性 ； 的判断 ， 确定过程是否出现了异常。
法 。统计 过程 控制 的核 心是 通 过控 制 图监控 、 分 析 生 产过 程 的稳 定状况 Ⅲ 。本文 主要 针对 统计 过 程控 制技
因的重要参考资料 ，对 于以后在产品设计和制定产 品规 格方 面都 是 十分 有用 的 。
术中应用最多的常规控制图进行研究 ， 归纳总结生产
企业 多年 来使 用常 规控 制 图的 一些 实践 经验 ， 着 重 阐
述 常规控 制 图 的设 计要 点和 一些 主要 技术 问题 。
２ 常规控制 图的主要技术 问题
应用控制图时， 需要考虑以下一些技术问题 ：
１ 控制 图的设计程序【 ２ ］
２ ． １ 控 制 图用 于何 处
原则上讲 ， 对于任何过程 ， 凡需要进行控制的场 （ １ ） 确定少数重要的关键过程测量值 ， 选择所适 合都可 以应用控制图。但首先应 区分所确定的控制 用 的控 制 图 。 对象是定量还是定性的描述 ，这样才能够应用合适 （ ２ ） 采集 数 据 ， 制作 简 单实 用 的数 据 采集 表 。 即 的控 制 图 。其 次 ， 所 控 制 的过 程 必 须具 有 可 重复 性 ， 使控制 图是借助计算机软件制作完成 的，也必须进 即具有统计规律 。对于只能进行一次或少数几次的 行 这个 步 骤 ，如何 采集 数 据 至关 重 要 。一般 的做 法 过 程 ， 显然 难 于应 用控 制 图进行 控制 ［ ３ １ 。
常规及复杂控制技术
•
u(k)- u(k-1)可得：
为编程方便，可以整理得到： 其中
•
增量型控制算法提供执行机构的增量△ u(k)，比 如步进电机的步数。
•增量型算法与位置型算法比较：
（1）增量型算法不需做累加，计算误差后产生的 计算精度问题，对控制• 量的计算影响较小。位置 型算法用到过去的误差的累加，容易产生较大的 累加误差。
方法3: 后向差分法
推导1：级数展开z=esT, T很小。
得到
•
推导2：用一阶向后差分近似代替微分。 用向后差分近似代替 对两边作Z变换有：
－映射关系：
•
根据向后差分法置换公式
有
把S=σ+jω 代入， 取模的平方有：
则： σ=0（s平面虚轴）， σ<0（s左半平面），
σ>0（s右半平面）• ，
(2)通过近似方法，把连续控制器离散化为数 字控制器，用计算机实现。
实质：在采用周期足够短的情况下，把数字控 制器（A/D－采样、计算机、D/A－零阶保持）看 作一个整体，其输入和输出为模拟量，将其等效 为连续传递函数。
•
4.1.1 数字控制器的连续化设计步骤 （5步） －设计假想的连续控制器D(s) －选择采样周期 T• －将D(s)离散化为D(z) －设计由计算机实现的控制算法 － 校验
u(k)>FFH时，取u(k)=FFH。
（3）梯形积分 －改进原因：减小残差，提高积分项的运算精
度。 • －改进方法：矩形积分改为梯形积分。
（4）消除积分不灵敏区 －改进原因：由于计算机字长的限制，当运算
结果小于字长所能表示的数的精度，计算机就作 为“零”处理，此时积分作用消失，这就称为积 分不灵敏区。
则上图的闭环脉冲传递函数为：
u(k)- u(k-1)可得：
为编程方便，可以整理得到： 其中
•
增量型控制算法提供执行机构的增量△ u(k)，比 如步进电机的步数。
•增量型算法与位置型算法比较：
（1）增量型算法不需做累加，计算误差后产生的 计算精度问题，对控制• 量的计算影响较小。位置 型算法用到过去的误差的累加，容易产生较大的 累加误差。
方法3: 后向差分法
推导1：级数展开z=esT, T很小。
得到
•
推导2：用一阶向后差分近似代替微分。 用向后差分近似代替 对两边作Z变换有：
－映射关系：
•
根据向后差分法置换公式
有
把S=σ+jω 代入， 取模的平方有：
则： σ=0（s平面虚轴）， σ<0（s左半平面），
σ>0（s右半平面）• ，
(2)通过近似方法，把连续控制器离散化为数 字控制器，用计算机实现。
实质：在采用周期足够短的情况下，把数字控 制器（A/D－采样、计算机、D/A－零阶保持）看 作一个整体，其输入和输出为模拟量，将其等效 为连续传递函数。
•
4.1.1 数字控制器的连续化设计步骤 （5步） －设计假想的连续控制器D(s) －选择采样周期 T• －将D(s)离散化为D(z) －设计由计算机实现的控制算法 － 校验
u(k)>FFH时，取u(k)=FFH。
（3）梯形积分 －改进原因：减小残差，提高积分项的运算精
度。 • －改进方法：矩形积分改为梯形积分。
（4）消除积分不灵敏区 －改进原因：由于计算机字长的限制，当运算
结果小于字长所能表示的数的精度，计算机就作 为“零”处理，此时积分作用消失，这就称为积 分不灵敏区。
则上图的闭环脉冲传递函数为：
常规控制方案
常规控制方案概述在计算机科学和自动化领域，控制方案是指为了实现预期目标，对被控制对象进行监测并采取相应措施的一系列方法和策略的总称。
常规控制方案是指那些常见且被广泛应用的控制方案。
本文将介绍几种常规控制方案的基本原理和应用。
1. 比例控制（Proportional control）比例控制是最简单和最基本的控制方案之一，在许多工业和自动化应用中都得到广泛应用。
比例控制的基本原理是根据被控制对象的当前状态和目标状态的误差，通过调整控制输入量的大小来实现控制。
使用比例控制器时，控制输入量与误差成正比。
简单来说，如果误差增大，则控制输入量也增大；如果误差减小，则控制输入量也减小。
具体地，比例控制器的输出可以表示为:Output = Kp * Error其中，Kp 是比例增益，决定了控制输入量对误差的敏感程度。
根据具体的应用需求，可以通过合理地选择比例增益来达到理想的控制效果。
2. 积分控制（Integral control）积分控制是一种用于减小稳态误差的控制方案。
在比例控制下，由于存在系统误差，被控制对象可能无法完全达到目标状态。
而积分控制可以通过对误差的累计求和，以调整控制输入量的方式来消除这种稳态误差。
积分控制器的输出可以表示为：Output = Ki * ∫Error dt其中，Ki 是积分增益，表示积分对误差的敏感程度。
通过适当调整积分增益，可以实现较好的稳态误差补偿效果。
3. 微分控制（Derivative control）微分控制是一种通过对误差变化率进行监测，以及基于变化率调整控制输入量的控制方案。
微分控制器可以通过预测被控制对象未来的状态变化趋势，以及对其进行补偿，以提供更好的控制性能。
微分控制器的输出可以表示为：Output = Kd * d(Error)/dt其中，Kd 是微分增益，表示微分对误差变化率的敏感程度。
通过合理选择微分增益，可以避免被控制对象过度响应或不稳定的情况。
4. PID控制（Proportional-Integral-Derivative control）PID控制是综合了比例控制、积分控制和微分控制的一种常见控制方案。
常规与复杂控制技术
前馈调节器参数的整定
静态前馈系数的整定
（1）开环整定法
（2）闭环整定法
（3）前馈-反馈整定法
动态前馈调节器参数的整定 （1）令T1=T2=0，用静态前馈系数整定法确定Kf 。 （2）设置T1为某值，逐渐改变T2值，使过渡过程特
性调到最好。
（3）固定已调整的T2值，逐渐改变T1值，使过渡过 程性能也调到最好。 （4）多次反复调整T1、T2，直到控制性能达到要求。
模糊控制器的设计
最简单的实现方法是将一系列模糊控制规则
离线转化为一个查询表（又称为控制表）。
这种模糊控制其结构简单，使用方便。
决定模糊控制器的结构
单变量二维模糊控制器是最常见的结构形式。
定义输入输出模糊集
对误差E、误差变化EC及控制量u的模糊集及
其论域定义如下： •模糊集为：
NB, NM , NS , Z , PS, PM , PB
串级控制系统的设计原则
系统中主要的扰动应该包含在副控回路之中； 副控回路应该尽量包含积分环节； 必须用一个可测量或通过观测分析可推断的中 间变量作为副控被调参数；
主控、副控回路的采样周期T ′≠ T ″，应该选择T
′≥3T ″或3T ′≤T ″，即T ′与T ″之间相差三倍以上，
以避免相互干扰和共振。
也通过F12(s)消除U2(s)对Y1(s)的影响。
经过解耦以后的组分系统，成了两个独立（或 称自治）的组分系统。此时，两个组分系统完 全消除了相互的耦合和影响，等效成为两个完 全独立的自治系统。
多变量解耦控制系统 系统的开环传递矩阵为：
G o (s) G(s)F(s)D(s)
系统的闭环传递矩阵为：
前馈控制
静态前馈控制
控制的方法与技术
控制的方法与技术控制是指对某个系统或过程的行为进行限制、调节和调控的一种手段和方法。
在工程、科学和生活中，控制是非常重要的，它可以保证系统稳定性、优化性能和实现预期目标。
本文将介绍控制的一些常用方法和技术。
1. 反馈控制反馈控制是常用的控制方法之一。
它通过将系统的输出与期望的目标进行比较，并根据比较结果对系统进行调整。
反馈控制能够实时监测系统的状态，并及时纠正偏差，使系统保持在期望的状态。
具体的反馈控制可以通过开环控制、闭环控制和间接控制等方式实现。
1.1 开环控制开环控制是最基本的控制方法之一。
它是一种单向传递的信号控制方式，将输入信号直接作用于系统，不对系统的输出进行监测和调整。
开环控制在一些简单的系统中可以取得不错的效果。
然而，由于没有监测和调整的机制，开环控制容易受到外界干扰和内部变化的影响，导致系统偏离期望的状态。
1.2 闭环控制闭环控制是一种基于反馈的控制方式。
它将系统的输出作为反馈信号与期望的目标进行比较，并根据比较结果调整系统的输入信号，以使系统保持在期望的状态。
闭环控制能够有效地抵消外界干扰和内部变化对系统的影响，提高系统的稳定性和鲁棒性。
尽管闭环控制较开环控制更为复杂，但在实际应用中更加常见。
1.3 间接控制间接控制是一种特殊的闭环控制方式。
它通过间接测量系统的状态来判断系统是否达到期望的状态，并根据判断结果进行调整。
间接控制常用于对无法直接测量的状态进行控制的情况。
例如，通过测量物体的加速度来控制物体的位置。
间接控制的核心是选择合适的测量信号和建立准确的数学模型。
2. 前馈控制前馈控制是一种不依赖于反馈的控制方法。
它根据系统的已知输入和输出之间的关系，提前预测系统的行为，并根据预测结果进行控制。
前馈控制能够在系统出现偏差之前做出调整，以保证系统的稳定性和响应速度。
然而，前馈控制常常需要准确的系统模型和输入信号，对不确定性较大的系统可能效果不佳。
3. 自适应控制自适应控制是一种能够自动调整控制策略的控制方法。
常规控制策略优秀课件
在生产过程控制中，将偏差的比例
（ Proportional ） 、 积 分 （ Integral ） 和 微 分
（Derivative）通过线性组合构成控制量，对被控对象进
采用前向差分近似可得 u (k ) e(k 1) e(k ) T
上式两边求Z变换后可推导出数字控制器为
D(z)
U (z) E(z)
z 1 T
D(s)
s z 1 T
一阶向前差分法
(2)主要特性
z 1Ts
① s平面与z平面映射关系
平移放大关系
映射一一对应，无混叠
②若D(s)稳定，则D(z)不 一定稳定：z域单位圆对应s 域一个圆，不是全部左半平 面
并有：
D(e jT ) s 0 2
作用：将全频带特性压缩到0 s/2范 围内，增加截止频率，消除混叠
(3) 应用
• 使用方便，有较高的精度和前述一些好的特性，工程上应 用较为普遍，前提：选好合适的离散化采样周期T。 • 主要用于低通环节的离散化，不宜用于高通环节的离散化。
5.2 数字PID 控制
(3) 应用
由于这种变换的映射关系有畸 变，变换精度较低。所以，工程应 用受到限制，用得较少。T0时 失真小，可使用。另外，在一些复 杂系统仿真时使用。
图5-1 一阶向后差分法的映射关系
5.1.2 一阶前向差分变换
前向差分法实质是将连续域中的微分用一阶向前差 分替换：
假设控制器为
D(s) U (s) s E(s)
5.1.1 一阶后向差分变换
一阶后向差分变换是用一阶后向差分近似替代微分
作用。利用泰勒级数展开可将 Z=esT 写成以下形式
z esT
1 e sT
1 1 sT
任务2-5 常规平面控制测量技术设计
并做出必要说明。 7）附录 其内容包括：需进一步说明的技术要求及有关的设计附图、附表。
5.编写专业技术设计书 常规平面控制测量技术设计书的内容通常包括概述、测区自然地理概况与 已有资料情况、引用文件、成果（或产品）主要技术指标和规格、技术设计方 案等部分。
1）概述
主要说明常规平面控制测量任务的来源、目的、任务量、作业范围和作业内容、
（8）植被的种类和分布情况。 （9）作业区供应情况：生活用品、粮食、饮水、燃料的供应情况，木材、 水泥、沙、石等就地取材的可能性和价格，消耗品、材料、工具的采购地点。 （10）请用劳动力、向导、翻译等情况和工资标准。 （11）作业区治安情况、卫生情况及预防措施。 （12）作业区已有成果成图及其质量情况，测量标志完好情况，对利用这些 资料的初步分析和意见。 （13）典型地物、地貌样片调绘及摄影资料。 （14）根据地貌特征、经济水平和技术方法的作业难度，划分作业区困难类 别和具体图幅困难类别（可根据图幅情况划分）。
6）进度安排和经费预算 (1）进度安排 应对以下内容做出规定：①划分作业区的困难类别。②根据设计方案， 分别计算统计各工序的工作量。③根据统计的工作量和计划投入的生 产实力，参照有关生产定额，分别列出年度计划和各工序的衔接计划。 (2）经费预算
根据设计方案和进度安排，编制分年度（或分期）经费和总经费计划，
气候情况（如风、雨、雪、雾、气温、气压、能见度等）以及冻土深度、高 秆作物季节，每年可作业年份，月平均作业天数。
（4）作业区交通情况。
（5）居民的风俗习惯和语言情况，居民地的分布情况及地名规律以及作业
组住地的建议。
（6）测区主要交通、水系、山体、居民地、管线和境界等的结合图。 （7）土壤、土质、沼泽地等情况。
织和测量成果验收等一系列生产管理和技术管理问题。
5.编写专业技术设计书 常规平面控制测量技术设计书的内容通常包括概述、测区自然地理概况与 已有资料情况、引用文件、成果（或产品）主要技术指标和规格、技术设计方 案等部分。
1）概述
主要说明常规平面控制测量任务的来源、目的、任务量、作业范围和作业内容、
（8）植被的种类和分布情况。 （9）作业区供应情况：生活用品、粮食、饮水、燃料的供应情况，木材、 水泥、沙、石等就地取材的可能性和价格，消耗品、材料、工具的采购地点。 （10）请用劳动力、向导、翻译等情况和工资标准。 （11）作业区治安情况、卫生情况及预防措施。 （12）作业区已有成果成图及其质量情况，测量标志完好情况，对利用这些 资料的初步分析和意见。 （13）典型地物、地貌样片调绘及摄影资料。 （14）根据地貌特征、经济水平和技术方法的作业难度，划分作业区困难类 别和具体图幅困难类别（可根据图幅情况划分）。
6）进度安排和经费预算 (1）进度安排 应对以下内容做出规定：①划分作业区的困难类别。②根据设计方案， 分别计算统计各工序的工作量。③根据统计的工作量和计划投入的生 产实力，参照有关生产定额，分别列出年度计划和各工序的衔接计划。 (2）经费预算
根据设计方案和进度安排，编制分年度（或分期）经费和总经费计划，
气候情况（如风、雨、雪、雾、气温、气压、能见度等）以及冻土深度、高 秆作物季节，每年可作业年份，月平均作业天数。
（4）作业区交通情况。
（5）居民的风俗习惯和语言情况，居民地的分布情况及地名规律以及作业
组住地的建议。
（6）测区主要交通、水系、山体、居民地、管线和境界等的结合图。 （7）土壤、土质、沼泽地等情况。
织和测量成果验收等一系列生产管理和技术管理问题。
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§4.1数字滤波和数据处理
一、数字滤波 二、数据处理 三、采样数据的合理性判别及报警 四、软测量简介
一、 数字滤波
1、数字滤波的必要性及优点 2、数字滤波的方法1—平均值滤波法 3、数字滤波的方法2—中值滤波法 4、数字滤波方法3—惯性滤波法 5、数字滤波方法4—程序判断滤波法 6、各种数字滤波方法的特点及应
§4.2数字PID控制算法
零、 PID调节器的作用 一、标准数字PID控制算法 二、数字PID控制算法的改进 三、数字PID控制器的参数整定
零、
PID调节器的作用
1. 2. 3. 4. 比例调节器 比例积分调节器 比例微分调节器 比例积分微分调节器
1. 比例调节器
e(t)
若将比例和积分两种作用结合起来，就 t 构成PI0调节器，调节规律为t PI调节器的输出特性曲线如图所示。 0
PI调节器的输出特性曲线
K1 KP e(t)
3. 比例微分调节器
微分调节器的微分方程为：
微分作用响应曲线如图所示。
PD调节器的阶跃响应曲线如图所示。
目的
经过处理后，可直接引用采样数据。
常见的数据处理内容
线性化处理： 查表法 方法有： 用数学表达是换算
折线近似级线性插值
标度变换（测量值与工程量的转换）：
(1)线性值公式；(2)开方值转换公式；(3)热电偶与热电阻公式
三、采样数据的合理性判别及报警
越限的限幅与报警 设某通道当前采样值为y(k)
yL ≤y(k)≤yH 时; y(k)为当前采样有效值
y(k)>yH , 取 y(k)= yH (上限值)，报警 y(k)<yL , 取 y(k)= yL (下限值)，报警
对采样数据进行分析判断 分析判断的根据
过程机理等客观规律和操作经验 根据运算模块进行检查
一般通道：有限次数后报警，停止在线程序 重要通道：设计故障诊断系统甚至容错系统
1. 比例调节器 比例调节器的微分方程为：
t
0
y K 为比例系数； e(t)为调节器输入偏差。 y为调节器输出； p
由上式可以看出，调节器的输出与输入偏差成正比。因 KP e(t) t 此，只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的调节 作用，具有调节及时的特点。比例调节器的特性曲线， 0 如图所示。 阶跃响应特性曲线
常见的处理方法
四、软测量简介
问题的提出背景
实际生产过程中，一些重要质量指标变量如精馏塔 的产品组分浓度、生物发酵罐中菌体浓度等都难以 直接测量，以前的解决方法： （1）采用间接的质量指标：如温度控制 （2）采用在线分析仪表
采用软测量方法及其应用技术
何谓软测量
选择与被估计变量相关的一组可测变量，构造出某 种以可测变量为输入、被估计变量为输出的数学模 型，用计算机软件实现的重要过程变量的估计。 这类数学模型及相应的计算机软件被称为软测量器 或“软仪表”。
>Δy0, 则 y(k)=y(k-1)
关键
正确选择Δy0。故该法又叫限速(变化率)滤波 法
6、各种数字滤波方法的特点及应
平均值滤波适用于周期性干扰； 加权平均递推滤波适用于纯滞后较大的过程； 中值滤波和程序判断滤波适用于偶然出现的 脉冲干扰； 惯性滤波适用于高频干扰。
二、数据处理
1、数字滤波的必要性及优点
与RC滤波器结合使用，可抑制大多数引入过 程的干扰 不需要增加硬设备 稳定性好, 且一种滤波程序可以反复调用 使用灵活、方便, 便于修改
2、数字滤波方法1—平均值滤波法
算术平均值滤波
1 m y (k ) y (k i ) m i 1
其中算术平均的次数m值决定了信号的平滑度和灵 敏度。适用于对流量、压力及沸腾状液面一类信 号作平滑处理。
i
y (k i )
常数 ai 的选取是多种多样的，满足
a
i 0
m 1
i
1
3、数字滤波方法2—中值滤波法
中值滤波的基本原理
在某采样瞬间对被测参数连续采样3次,选择大小居 中的数据作为有效信号。 能有效地去除由于偶然因素引起的波动或因采样器 的不稳定造成的误码等脉冲性干扰。
适用范围
y=KPe(t)
2. 比例积分调节器
e(t) 2. 比例积分调节器 t 所谓积分作用是指调节器的输出与输入 0 偏差的积分成比例的作用。积分方程为： y
t 式中： 0 TI是积分时间常数，它表示积分速度的大小， TI越大， 积分速度越慢，积分作用越弱。积分作用的响应特性 曲线，如图所示。 积分作用响应曲线
平均值滤波对具有周期性干扰噪声的信号比较 有效，中值滤波法对偶然出现的脉冲干扰信号 有良好的滤波效果，可结合使用。
4、数字滤波方法3—惯性滤波法
惯性滤波法基本概念
用软件实现RC低通滤波器功能, 动态方程为 其中 Tf =RC，称为滤 dy Tf y x 波时间常数 dt 离散化后动态方程， T为采样周期, 得
y(k ) ay(k 1) (1 a) x(k )
, 0＜a＜1, 称为滤波系数。
a T f /(T f T )
5、数字滤波方法4—程序判断滤波法
基本概念 克服偶然的、大幅度的跳码干扰 比较两个相邻采样瞬间采样值的大小
|y(k)-y(k-1)| ≤Δy0, 则 y(k)=y(k)
4. 比例积分微分调节器
为了进一步改善调节品质，往往把比例、 积分、微分三种作用组合起来，形成PID 调节器。理想的PID微分方程为：
图为PID调节器对阶跃响应特性曲线
e(t) t 0 y
∞
KP K1 e(t) KP e(t) t
KP KD e(t)
0
一、标准数字PID控制算法
标准的模拟PID 1 t de(t ) u(t ) K p [e(t ) 0e(t )dt Td ] u0 Ti dt
2、数字滤波方法1—平均值滤波法（续）
加权递推平均滤波(滑动平均值滤波)
基本思想：算术平均值滤波对每个采样值给出相 同的权重系数, 即1/m。若要增加新采样值在 有效信号中的比重, 提高系统对当前所受干扰 的灵敏度, 实际应用时, 可采用加权递推平均滤 波, 其算式为
y (k )
a
i 0
m 1
一、数字滤波 二、数据处理 三、采样数据的合理性判别及报警 四、软测量简介
一、 数字滤波
1、数字滤波的必要性及优点 2、数字滤波的方法1—平均值滤波法 3、数字滤波的方法2—中值滤波法 4、数字滤波方法3—惯性滤波法 5、数字滤波方法4—程序判断滤波法 6、各种数字滤波方法的特点及应
§4.2数字PID控制算法
零、 PID调节器的作用 一、标准数字PID控制算法 二、数字PID控制算法的改进 三、数字PID控制器的参数整定
零、
PID调节器的作用
1. 2. 3. 4. 比例调节器 比例积分调节器 比例微分调节器 比例积分微分调节器
1. 比例调节器
e(t)
若将比例和积分两种作用结合起来，就 t 构成PI0调节器，调节规律为t PI调节器的输出特性曲线如图所示。 0
PI调节器的输出特性曲线
K1 KP e(t)
3. 比例微分调节器
微分调节器的微分方程为：
微分作用响应曲线如图所示。
PD调节器的阶跃响应曲线如图所示。
目的
经过处理后，可直接引用采样数据。
常见的数据处理内容
线性化处理： 查表法 方法有： 用数学表达是换算
折线近似级线性插值
标度变换（测量值与工程量的转换）：
(1)线性值公式；(2)开方值转换公式；(3)热电偶与热电阻公式
三、采样数据的合理性判别及报警
越限的限幅与报警 设某通道当前采样值为y(k)
yL ≤y(k)≤yH 时; y(k)为当前采样有效值
y(k)>yH , 取 y(k)= yH (上限值)，报警 y(k)<yL , 取 y(k)= yL (下限值)，报警
对采样数据进行分析判断 分析判断的根据
过程机理等客观规律和操作经验 根据运算模块进行检查
一般通道：有限次数后报警，停止在线程序 重要通道：设计故障诊断系统甚至容错系统
1. 比例调节器 比例调节器的微分方程为：
t
0
y K 为比例系数； e(t)为调节器输入偏差。 y为调节器输出； p
由上式可以看出，调节器的输出与输入偏差成正比。因 KP e(t) t 此，只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的调节 作用，具有调节及时的特点。比例调节器的特性曲线， 0 如图所示。 阶跃响应特性曲线
常见的处理方法
四、软测量简介
问题的提出背景
实际生产过程中，一些重要质量指标变量如精馏塔 的产品组分浓度、生物发酵罐中菌体浓度等都难以 直接测量，以前的解决方法： （1）采用间接的质量指标：如温度控制 （2）采用在线分析仪表
采用软测量方法及其应用技术
何谓软测量
选择与被估计变量相关的一组可测变量，构造出某 种以可测变量为输入、被估计变量为输出的数学模 型，用计算机软件实现的重要过程变量的估计。 这类数学模型及相应的计算机软件被称为软测量器 或“软仪表”。
>Δy0, 则 y(k)=y(k-1)
关键
正确选择Δy0。故该法又叫限速(变化率)滤波 法
6、各种数字滤波方法的特点及应
平均值滤波适用于周期性干扰； 加权平均递推滤波适用于纯滞后较大的过程； 中值滤波和程序判断滤波适用于偶然出现的 脉冲干扰； 惯性滤波适用于高频干扰。
二、数据处理
1、数字滤波的必要性及优点
与RC滤波器结合使用，可抑制大多数引入过 程的干扰 不需要增加硬设备 稳定性好, 且一种滤波程序可以反复调用 使用灵活、方便, 便于修改
2、数字滤波方法1—平均值滤波法
算术平均值滤波
1 m y (k ) y (k i ) m i 1
其中算术平均的次数m值决定了信号的平滑度和灵 敏度。适用于对流量、压力及沸腾状液面一类信 号作平滑处理。
i
y (k i )
常数 ai 的选取是多种多样的，满足
a
i 0
m 1
i
1
3、数字滤波方法2—中值滤波法
中值滤波的基本原理
在某采样瞬间对被测参数连续采样3次,选择大小居 中的数据作为有效信号。 能有效地去除由于偶然因素引起的波动或因采样器 的不稳定造成的误码等脉冲性干扰。
适用范围
y=KPe(t)
2. 比例积分调节器
e(t) 2. 比例积分调节器 t 所谓积分作用是指调节器的输出与输入 0 偏差的积分成比例的作用。积分方程为： y
t 式中： 0 TI是积分时间常数，它表示积分速度的大小， TI越大， 积分速度越慢，积分作用越弱。积分作用的响应特性 曲线，如图所示。 积分作用响应曲线
平均值滤波对具有周期性干扰噪声的信号比较 有效，中值滤波法对偶然出现的脉冲干扰信号 有良好的滤波效果，可结合使用。
4、数字滤波方法3—惯性滤波法
惯性滤波法基本概念
用软件实现RC低通滤波器功能, 动态方程为 其中 Tf =RC，称为滤 dy Tf y x 波时间常数 dt 离散化后动态方程， T为采样周期, 得
y(k ) ay(k 1) (1 a) x(k )
, 0＜a＜1, 称为滤波系数。
a T f /(T f T )
5、数字滤波方法4—程序判断滤波法
基本概念 克服偶然的、大幅度的跳码干扰 比较两个相邻采样瞬间采样值的大小
|y(k)-y(k-1)| ≤Δy0, 则 y(k)=y(k)
4. 比例积分微分调节器
为了进一步改善调节品质，往往把比例、 积分、微分三种作用组合起来，形成PID 调节器。理想的PID微分方程为：
图为PID调节器对阶跃响应特性曲线
e(t) t 0 y
∞
KP K1 e(t) KP e(t) t
KP KD e(t)
0
一、标准数字PID控制算法
标准的模拟PID 1 t de(t ) u(t ) K p [e(t ) 0e(t )dt Td ] u0 Ti dt
2、数字滤波方法1—平均值滤波法（续）
加权递推平均滤波(滑动平均值滤波)
基本思想：算术平均值滤波对每个采样值给出相 同的权重系数, 即1/m。若要增加新采样值在 有效信号中的比重, 提高系统对当前所受干扰 的灵敏度, 实际应用时, 可采用加权递推平均滤 波, 其算式为
y (k )
a
i 0
m 1