电力拖动自动控制系统第4课

1电气传动控制系统课程孔维健信息科学与技术学院TelEmail：kongweijian@2本课内容提纲4.1数字化原理4.2数字控制的直流调速系统软硬件4.3数字测速与滤波4.4数字PI调节器4.5故障诊断与保护34.1数字化原理硬件电路标准化程度高，不受器件温度漂移的影响；进行逻辑判断和复杂运算，实现不同于一般线性调节的控制规律，……控制软件更改灵活方便。具有信息存储、数据通信和故障诊断等功能。1、数字控制的特点4Otf(t)原信号Onf(nT)1234…采样1）离散化

对模拟的连续信号采样形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。4.1数字化原理2、信号数字化52）

采样与采样频率采样过程：在连续系统设置采样开关，使采样开关合上的时间远远小于断开的时间，即可将连续的模拟信号转变为断续的脉冲信号。采样频率：根据Shannon采样定理，fsam应不小于信号最高频率fmax的2倍，即fsam≥2fmax这样，经采样及保持后，原信号的频谱不发生明显的畸变，系统保持原有的性能。63）工程上采样频率设置

实际系统中信号的最高频率很难确定，尤其对非周期性信号（系统的过渡过程），其频谱为0至∞的连续函数，最高频率理论上为无穷大。因此，难以直接用采样定理来确定系统的采样频率。73）工程上采样频率的设置（续）

在一般情况下，可以令采样周期Tmin为控制对象的最小时间常数。或用采样角频率samc为控制系统的截止频率。84）数字化

离散信号经保持器保持后，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散的模拟信号。保持OnN(nT)Na(nT)（电压）Nd(nT)（数码）9

5）离散化和数字化的负面效应

离散化:时间上的不连续性；数字化:量值上的不连续性。

负面效应：

A/D转换的量化误差，影响控制精度和平滑性。

D/A转换的滞后效应，提高控制系统传递函数分母的阶次，使系统的稳定裕量减小，甚至会破坏系统的稳定性。104.2数字控制的直流调速系统软硬件111）系统给定a)模拟给定

b)数字给定

122）数字控制器PLC、PAC（集成好的控制设备）微机控制：除了带有A/D转换器、通用I/O和通信接口；还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能。如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等。13

微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有：主程序初始化子程序中断服务子程序等2）数字控制器（续1）14主程序

完成实时性要求不高的功能，系统初始化后，键盘处理、刷新显示、数据通信等功能。15初始化子程序

硬件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。16中断服务子程序

实时性强，由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。转速调节中断子程序（中断级别最低）电流调节中断子程序（中断级别居中）故障保护中断子程序（优先级别最高）17转速调节中断子程序转速反馈转速调节启动测速18故障保护中断子程序封锁PWM输出分析故障原因显示故障并报警193）检测反馈

输出量检测的作用：构成反馈控制，保护和故障诊断信息的来源。1）转速检测：模拟和数字检测方法。2）电流和电压检测：检测后由A/D转换通道变为数字量送入微机。20

转速检测有模拟和数字两种检测方法：

（1）模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压不仅表示了转速的大小，还包含了转速的方向。

（2）对于要求精度高、调速范围大的系统，往往需要采用旋转编码器测速，即数字测速。21电流和电压检测

电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外，还是各种保护和故障诊断信息的来源。电流、电压信号也存在幅值和极性的问题，需经过一定的处理后，经A/D转换送入微机，其处理方法与转速相同。22霍尔效应电流变换器

UH=KHBIcKH为霍尔常数；B为与被测电流Id成正比的磁通密度；Ic为控制电流。R1R0A1R0R1UHIdIcUi23234.3数字测速与滤波数字测速精度指标数字测速方法M/T法测速软件框图24244.3.1数字测速精度指标（1）分辩率

改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率Q。

Q越小，测速装置的分辩能力越强。2525（2）测速误差率

测量值与实际值的相对误差来表示，

的大小与测速方法和测速元件的制造精度有关。26264.3.2数字测速方法1）旋转编码器

在数字测速中，常用光电式旋转编码器作为转速或转角的检测元件。光电转换2727旋转编码器

光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件。

增量式旋转编码器示意图

2828两对发光与接收装置，错开光栅节距的1/4，两组脉冲序列A和B的相位相差90°图3-11区分旋转方向的A、B两组脉冲序列若码盘光栅数为N，则转速分辨率为1/N；常见光栅数1024、2048、4096采用倍频电路可以有效地提高转速分辨率四倍频电路29292）测速原理

由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。脉冲数字转换方法：（1）M法—脉冲直接计数方法；（2）T法—脉冲时间计数方法；（3）M/T法—脉冲时间混合计数方法。30303.3.3M法测速PLG倍频电路BusZ

记录Tc时间内旋转编码器PLG发出的脉冲数M1，则Z=倍频系数×PLG光栅数

测速原理与波形图Counter3131M法测速的分辨率和误差率M法测速适用于高速。分辨率:误差率:3232PLG倍频电路ConterCPUINTnf03.3.4T法测速

记录PLG一个脉冲间的高频脉冲个数M2，f0为高频脉冲频率，则电路与波形3333T法测速的分辨率和误差率

分辨率:误差率:

T法测速适用于低速段。

3434M法测速在高速段分辨率强；T法测速在低速段分辨率强；

因此，可以将两种测速方法相结合，取长补短。

两种测速方法的比较3535

M/T法既检测Tc

时间内PLG输出的脉冲个数M1，又检测相同时间间隔的高频时钟脉冲个数M2。应保证高频时钟脉冲计数器与PLG输出脉冲计数器同时开启与关闭，以减小误差。

4.3.5M/T法测速3636M/T法测速波形图编码器输出脉冲→高频时钟脉冲→允许计数时间→高速时，相当于M法测速最低速时，M1=1，自动进入T法测速3737M/T法测速转速计算误差率3838M/T法测速

误差率在低速时趋向于T法，在高速段M/T法相当于T法的M1次平均，而在这M1次中最多产生一个高频时钟脉冲的误差。故误差率小。

M/T法测速适用的转速范围宽，测速精度高。3939M/T法测速软件

适用于8X196MC或TMS320X240捕捉中断40404.3.6数字滤波

算术平均值滤波中值滤波中值平均滤波4141(1).算术平均值滤波

优点：算法简单。缺点：需要较多的采样次数才能有明显的平滑效果。4242加权算术平均值滤波其中，在一般情况下4343(2)．中值滤波将最近连续三次采样值排序，使得

取中值X2为有效信号，舍去X1和X3。中值滤波能有效地滤除偶然型干扰脉冲（作用时间短、幅值大），当干扰信号作用时间相对较长（大于采样时间）则无能为力。4444(3)．中值平均滤波设有N次采样值，排序后得

去掉最大值XN和最小值X1，剩下的取算术平均值即为滤波后的值，

中值平均滤波是中值滤波和算术平均值滤波的结合，既能滤除偶然型干扰脉冲，又能平滑滤波，但程序较为复杂，运算量较大。45454.4数字PI调节器

模拟PI调节器的数字化改进的数字PI算法

智能型PI调节器

46464.4.1模拟PI调节器的数字化

当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。

4747

PI调节器的传递函数PI调节器时域表达式其中KP=Kpi

为比例系数

KI

=1/为积分系数

4848

PI调节器的差分方程将上式离散化成差分方程，其第k拍输出为其中，Tsam为采样周期4949位置式数字PI调节器算法原理积分部分：

比例部分：

PI调节器的输出5050位置式数字PI调节器算法缺陷

位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对e(k)进行累加，运算量大；而且控制器的输出u(k)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。5151增量式PI调节器算法PI调节器的输出5252增量式PI调节器算法优点①算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；②计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；③手动—自动切换时冲击小。当控制从手动向自动切换时，可以作到无扰动切换。5353

限幅值设置

增量式PI调节器算法只需输出限幅；

位置式算法必须设置积分限幅和输出限幅，缺一不可。不考虑限幅时，位置式和增量式两种算法完全等同5454

PI调节器算法流程（位置式）55553.4.2改进的数字PI算法

微机数字控制系统具有很强的逻辑判断和数值运算能力，充分应用这些能力，可以衍生出多种改进的PI算法，提高系统的控制性能。积分分离算法分段PI算法5656(1)积分分离算法基本思想在微机数字控制系统中，把P和I分开:

►当偏差大时，只让比例部分起作用，以快速减少偏差；

►当偏差降低到一定程度后，再将积分作用投入，既可最终消除稳态偏差，又能避免较大的退饱和超调。5757

积分分离算法积分分离算法表达式为其中

δ为一常值。

积分分离法能有效抑制振荡，或减小超调，常用于转速调节器。

5858(2)．分段PI算法

分段PI算法可以解决动态跟随性和稳定性的矛盾，分段PI算法的表达式与离散PI算法完全一样，但有两套或多套PI参数，可根据转速偏差的大小，在不同套的参数中进行切换。5959设计思想

在双闭环直流调速系统中，电流调节器的作用之一是克服反电动势的扰动。在转速变化过程中，必须依靠积分作用抑制反电动势，使电枢电流快速跟随给定值，以保证最大的起动电流。►在转速偏差大时，电流调节器应选用较大的KP和KI参数；使实际电流能迅速跟随给定值。

►在转速偏差较小时，过大的KP和KI又将导致输出电流的振荡，增加转速调节器的负担，严重时还将导致转速的振荡。603.4.3智能型PI调节器

由上述对数字PI算法的改进可以使我们得到启发，利用计算机丰富的逻辑判断和数值运算功能，数字控制器不仅能够实现模拟控制器的数字化，而且可以突破模拟控制器只能完成线性控制规律的局限，完成各类非线性控制、自适应控制乃至智能控制等等，大大拓宽了控制规律的实现范畴。61主要的智能控制方法：专家系统模糊控制神经网络控制智能控制特点：

控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，因而系统具有较强的鲁棒性和对环境的适应性。返回目录62624.5故障检测、保护与自诊断

对实时采样的数据进行处理和分析，利用故障诊断模型或专家知识进行推理，对故障类型或故障发生处作出正确的判断，这就是故障自诊断。6363故障检测、保护与自诊断

故障检测、保护与自诊断的前提是计算机能可靠地工作，检测元件也正确无误，而对于计算机和检测元件本身的故障只能依靠人工来检查。64643.6.1故障检测

1.供电电源故障检测

三相供电电源常见的故障为过电压、欠电压和缺相。由三相供电电源经电压互感器、三相不可控整流桥和滤波环节，得到与供电电压幅值成正比的直流电压，经A/D转换输入至计算机。数字控制系统定时采样该直流电压，并与上、下限值进行比较，即可判断是否出现过电压或欠电压故障。6565►缺相检测

缺相检测采用缺相继电器:▼正常时，继电器常开触点打开，缺相输出信号为低电平；▼缺相时，继电器常开触点闭合，缺相输出信号呈高电平。定时检测缺相检测输出电路电平，即可判断是否出现缺相故障。66662过电流、过载故障检测

过电流、过载是电力拖动控制