系統自動控制與信號處理方式的研究

文/翟東清 李大偉 王波

1 自動控制系統的構成

本文研究的自動控制系統由以下幾個部分構成：控制器、被控對象、執行機構和變送器。系統的框架結構如圖1所示。

1.1 控制器

這是一種能夠根據預先設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，對電動機的啟動、調速進行控制的裝置。常規的控制器由以下幾個部分組成：計數器、譯碼器、寄存器、操作控制器等。在自動控制系統中比較常見的控制器有FCS、DCS和PLC。

1.1.1 FCS

此類控制器的特點體現在如下幾個方面：全數字化、智能化；可以通過兩根線對分散在現場的控制裝置、PID及控制中心進行連接，簡化了布線；多變量、多節點、數字通信；雙向互聯、開放性；可通過現場的計算機進行操控，也可掛接到上位PC機上；借助局域網能夠與互聯網進行連接。

1.1.2 DCS

此類控制器采用的是樹狀拓撲結構，PID設置在終端站內，可與計算機和現場控制裝置相連接；自帶微處理器，可進行A/D、D/A轉換；DCS為三層框架結構，包括工程師站、操作員站和現場測控站；可用于大規模的連續過程控制。

1.1.3 PLC

此類控制器又被稱之為可編程邏輯控制器，最為突出的特點是可編程，具有連續PID控制等功能，可將一臺PLC設定為主站，多臺同型號的PLC為從站，構成PLC網絡，用戶可自行編程。在工業過程的順序控制中PLC的應用最為廣泛。同時，一些新型的PLC還能在閉環控制中進行應用。

1.2 被控對象

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

1.3 執行機構

執行機構是自動控制系統的核心部分，按照不同的被控對象，控制器會通過輸出信號對執行機構進行控制，當執行機構接收到來自于控制器發出的指令后，會進行相應的動作，并將信號反饋給控制器，此時控制器會判斷執行機構是否完成指定動作，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上發展而來，可將能夠輸出標準信號的傳感器統稱為變送器。這里所指的標準信號為物理量的形式和數量范圍符合國際標準的信號。變送器的工作原理為負反饋，常規的變送器由以下幾個部分組成：測量單元、放大器、反饋單元。其中測量單元主要負責對被測變量進行檢測，并將之轉換為能夠被放大器接收的信號；反饋單元則可將變送器輸出信號轉換為反饋信號，再回傳給輸入端。兩個信號的差值會被送入到放大器進行放大，最終轉換為標準輸出信號。

2 系統控制信號的處理方式

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

2.1 小波變換技術

小波變換簡稱WT，這是一種全新的變換分析方法，其可以提供一個隨頻率改變的窗口，這個窗口中包含時間和頻率兩個基本要素，在信號時頻分析和處理中，小波變換的效果較為理想。該技術具有如下特點：可對時間頻率的局部化問題進行分析，能細分高頻處的時間和低頻處的頻率。在改進數字信號處理技術時，可采用小波變換技術處理相關數據，該技術具備技術先進、處理效率高的特點，擁有良好的應用前景。隨著小波變換技術的發展，該技術已經被應用于故障診斷、預測控制、機器人控制、軟測量技術等領域，實現了對數據變換的高效處理。

2.2 快速傅立葉變換技術

快速傅里葉變換技術（FFT）是對離散傅里葉（DFT）變換進行計算機計算的一種快速計算方法。利用FFT可大幅度減少計算機計算DFT所需的乘法次數，尤其在被變換的抽樣點數越多的情況下，采用FFT節省計算量的效果越明顯。FFT將原始的N點序列分解成短序列，并利用DFT計算式中具有對稱性質和周期性質的指數因子，計算相應短序列中的DFT，對DFT進行組合排列。FFT可剔除重復計算，簡化計算結果，減少乘法運算量。

圖1：自動控制系統框架結構示意圖

2.3 數字濾波器

數字濾波器是一種將輸入離散時間信號按照預定算法轉換為輸出離散時間信號的系統裝置。在模擬信號處理中，應用數據濾波器需要先對輸入模擬信號進行限帶，再抽樣，最后進行模數轉換。在輸入信號抽樣時，要按照奈奎斯特抽樣定理，根據信號的數字頻率進行抽樣，避免產生信號頻譜重疊。數字濾波器輸入的數字信號頻率響應具備周期重復的特點，為了得到模擬信號，必須對輸入的數字信號進行模數轉換。由于數字濾波器具備可程控、可靠性和精度高的優點，所以當前已經被廣泛應用于圖像信號處理、語言信號處理、醫學生物信號處理等領域。

3 結論

綜上所述，隨著自動控制系統的應用領域不斷擴寬，使得控制信號的處理成為用戶關注的問題。為此，在自動控制系統的構建過程中，必須選取合理可行的信號處理方式，以此來確保系統自動控制功能的全面發揮。在未來一段時期，應當加大對信號處理技術的研究力度，除對現有的技術方法進行優化和完善之外，還應開發一些新的技術，從而使其能夠更好地為自動控制系統的信號處理服務。