§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