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第20章 信号滤波与动态处理

20.1 为什么工业控制需要信号处理？

在前面的章节中，我们建立了完整的数据链：

输入：

Physical World → Sensor → 4-20mA → AI → PV

输出：

Controller → MV → AO/DO/Pulse → Actuator

但实际工业现场并不是理想环境。传感器采集到的信号永远包含噪声、干扰、波动、瞬态变化、测量误差。

例如真实压力500 kPa，AI采集可能是499.8、500.4、499.5、500.2、499.9。这些变化可能不是工艺变化，而是测量扰动。

如果直接送入控制器，可能导致PID输出抖动、阀门频繁动作、电机频繁调节、执行器寿命下降。

因此，控制系统需要信号滤波与动态处理。

20.2 信号处理的位置

完整链路：

Sensor → Signal → AI → Filtering → PV → Controller → MV

滤波通常位于两个位置：

• 位置1：输入侧—— 处理PV（例如压力、温度）
• 位置2：控制器内部—— 处理PID输入或输出

20.3 一个核心矛盾

滤波的目标是降低噪声，但滤波一定会带来延迟。因此存在工程矛盾：

Noise ↓ 但是 Delay ↑

如果滤波太弱：信号不稳定。
如果滤波太强：系统反应迟钝。

所以真正的工程问题不是“滤波越强越好”，而是：

在噪声抑制和动态响应之间寻找平衡。

20.4 Sampling：采样

所有数字控制系统首先面对采样问题。现场信号连续，PLC数字，转换需要Sampling。

模型：

Continuous Signal → Sampling → Discrete Data

例如温度连续变化850.123℃，PLC每100ms读取一次得到850.1、850.2、850.2，形成离散数据。

20.5 采样周期的重要性

采样周期决定控制系统观察世界的速度。

• 温度系统变化慢，采样1秒足够
• 高速运动伺服轴可能需要1ms

不同系统不同采样需求：