系統(tǒng)自動(dòng)控制與信號(hào)處理方式的研究

文/翟東清 李大偉 王波

1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

本文研究的自動(dòng)控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：控制器、被控對象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變送器。系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 控制器

這是一種能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的順序改變主控電路的接線或是改變電路中的電阻值，對電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速進(jìn)行控制的裝置。常規(guī)的控制器由以下幾個(gè)部分組成：計(jì)數(shù)器、譯碼器、寄存器、操作控制器等。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中比較常見的控制器有FCS、DCS和PLC。

1.1.1 FCS

此類控制器的特點(diǎn)體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：全數(shù)字化、智能化；可以通過兩根線對分散在現(xiàn)場的控制裝置、PID及控制中心進(jìn)行連接，簡化了布線；多變量、多節(jié)點(diǎn)、數(shù)字通信；雙向互聯(lián)、開放性；可通過現(xiàn)場的計(jì)算機(jī)進(jìn)行操控，也可掛接到上位PC機(jī)上；借助局域網(wǎng)能夠與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接。

1.1.2 DCS

此類控制器采用的是樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，PID設(shè)置在終端站內(nèi)，可與計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場控制裝置相連接；自帶微處理器，可進(jìn)行A/D、D/A轉(zhuǎn)換；DCS為三層框架結(jié)構(gòu)，包括工程師站、操作員站和現(xiàn)場測控站；可用于大規(guī)模的連續(xù)過程控制。

1.1.3 PLC

此類控制器又被稱之為可編程邏輯控制器，最為突出的特點(diǎn)是可編程，具有連續(xù)PID控制等功能，可將一臺(tái)PLC設(shè)定為主站，多臺(tái)同型號(hào)的PLC為從站，構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò)，用戶可自行編程。在工業(yè)過程的順序控制中PLC的應(yīng)用最為廣泛。同時(shí)，一些新型的PLC還能在閉環(huán)控制中進(jìn)行應(yīng)用。

1.2 被控對象

對于自動(dòng)控制系統(tǒng)而言，被控對象涵蓋的內(nèi)容相對較多，大體上可將之歸為兩類，一類是控制設(shè)備，另一類是過程，如生產(chǎn)工藝、作業(yè)流程等等。被控制象不同，對系統(tǒng)的控制要求也不相同，也就是說，被控對象決定了自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能。

1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，按照不同的被控對象，控制器會(huì)通過輸出信號(hào)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收到來自于控制器發(fā)出的指令后，會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，并將信號(hào)反饋給控制器，此時(shí)控制器會(huì)判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否完成指定動(dòng)作，這樣一次控制過程便隨之完成。

1.4 變送器

變送器是在傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，可將能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器統(tǒng)稱為變送器。這里所指的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為物理量的形式和數(shù)量范圍符合國際標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)。變送器的工作原理為負(fù)反饋，常規(guī)的變送器由以下幾個(gè)部分組成：測量單元、放大器、反饋單元。其中測量單元主要負(fù)責(zé)對被測變量進(jìn)行檢測，并將之轉(zhuǎn)換為能夠被放大器接收的信號(hào)；反饋單元?jiǎng)t可將變送器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)，再回傳給輸入端。兩個(gè)信號(hào)的差值會(huì)被送入到放大器進(jìn)行放大，最終轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。

2 系統(tǒng)控制信號(hào)的處理方式

目前，可用于系統(tǒng)控制信號(hào)處理的方法相對較多，較具典型性和代表性的有小波變換、傅里葉變換和數(shù)字濾波器等。下面分別對這幾種信號(hào)處理方式進(jìn)行分析。

2.1 小波變換技術(shù)

小波變換簡稱WT，這是一種全新的變換分析方法，其可以提供一個(gè)隨頻率改變的窗口，這個(gè)窗口中包含時(shí)間和頻率兩個(gè)基本要素，在信號(hào)時(shí)頻分析和處理中，小波變換的效果較為理想。該技術(shù)具有如下特點(diǎn)：可對時(shí)間頻率的局部化問題進(jìn)行分析，能細(xì)分高頻處的時(shí)間和低頻處的頻率。在改進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)時(shí)，可采用小波變換技術(shù)處理相關(guān)數(shù)據(jù)，該技術(shù)具備技術(shù)先進(jìn)、處理效率高的特點(diǎn)，擁有良好的應(yīng)用前景。隨著小波變換技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于故障診斷、預(yù)測控制、機(jī)器人控制、軟測量技術(shù)等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)變換的高效處理。

2.2 快速傅立葉變換技術(shù)

快速傅里葉變換技術(shù)（FFT）是對離散傅里葉（DFT）變換進(jìn)行計(jì)算機(jī)計(jì)算的一種快速計(jì)算方法。利用FFT可大幅度減少計(jì)算機(jī)計(jì)算DFT所需的乘法次數(shù)，尤其在被變換的抽樣點(diǎn)數(shù)越多的情況下，采用FFT節(jié)省計(jì)算量的效果越明顯。FFT將原始的N點(diǎn)序列分解成短序列，并利用DFT計(jì)算式中具有對稱性質(zhì)和周期性質(zhì)的指數(shù)因子，計(jì)算相應(yīng)短序列中的DFT，對DFT進(jìn)行組合排列。FFT可剔除重復(fù)計(jì)算，簡化計(jì)算結(jié)果，減少乘法運(yùn)算量。

圖1：自動(dòng)控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器是一種將輸入離散時(shí)間信號(hào)按照預(yù)定算法轉(zhuǎn)換為輸出離散時(shí)間信號(hào)的系統(tǒng)裝置。在模擬信號(hào)處理中，應(yīng)用數(shù)據(jù)濾波器需要先對輸入模擬信號(hào)進(jìn)行限帶，再抽樣，最后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。在輸入信號(hào)抽樣時(shí)，要按照奈奎斯特抽樣定理，根據(jù)信號(hào)的數(shù)字頻率進(jìn)行抽樣，避免產(chǎn)生信號(hào)頻譜重疊。數(shù)字濾波器輸入的數(shù)字信號(hào)頻率響應(yīng)具備周期重復(fù)的特點(diǎn)，為了得到模擬信號(hào)，必須對輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于數(shù)字濾波器具備可程控、可靠性和精度高的優(yōu)點(diǎn)，所以當(dāng)前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于圖像信號(hào)處理、語言信號(hào)處理、醫(yī)學(xué)生物信號(hào)處理等領(lǐng)域。

3 結(jié)論

綜上所述，隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)寬，使得控制信號(hào)的處理成為用戶關(guān)注的問題。為此，在自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，必須選取合理可行的信號(hào)處理方式，以此來確保系統(tǒng)自動(dòng)控制功能的全面發(fā)揮。在未來一段時(shí)期，應(yīng)當(dāng)加大對信號(hào)處理技術(shù)的研究力度，除對現(xiàn)有的技術(shù)方法進(jìn)行優(yōu)化和完善之外，還應(yīng)開發(fā)一些新的技術(shù)，從而使其能夠更好地為自動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)處理服務(wù)。