电力拖动自动控制系统课件二四

直流调速系统的数字控制第3章电力拖动自动控制系统内容提要微型计算机数字控制的主要特点微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件数字测速与滤波数字PI调节器用离散控制系统设计数字控制器3.0问题的提出前两章中论述了直流调速系统的基本规律和设计方法，所有的调节器均用运算放大器实现，属模拟控制系统。模拟系统具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，便于学习入门，但其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。以微处理器为核心的数字控制系统（简称微机数字控制系统）硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。

3.1微型计算机数字控制的主要特点总之，微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化：离散化：为了把模拟的连续信号输入计算机，必须首先在具有一定周期的采样时刻对它们进行实时采样，形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。Otf(t)原信号Onf(nT)1234…采样数字化：采样后得到的离散信号本质上还是模拟信号，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号，这就是数字化。数字化OnN(nT)离散化和数字化的负面效应离散化和数字化的结果导致了时间上和量值上的不连续性，从而引起下述的负面效应：

（1）A/D转换的量化误差：模拟信号可以有无穷多的数值，而数码总是有限的，用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生量化误差，影响控制精度和平滑性。（2）D/A转换的滞后效应：经过计算机运算和处理后输出的数字信号必须由数模转换器D/A和保持器将它转换为连续的模拟量，再经放大后驱动被控对象。但是，保持器会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。随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，上述两个问题的影响已经越来越小。但微机数字控制系统的主要特点及其负面效应需要在系统分析中引起重视，并在系统设计中予以解决。

返回目录3.2微机数字控制双闭闭环直流调速系统统的的硬件和软软件3.2.0系统组成方式数字控制制直流调调速系统统的组成方式式大致可可分为三三种：1.数模混合合控制系系统2.数字电路路控制系系统3.计算机控控制系统统1.数模混合合控制系系统U*nUnU*iUcUi-数字电路路~--数模混合合控制系系统特点点：转速采用用模拟调调节器，，也可采采用数字字调节器器；电流调节节器采用用数字调调节器；；脉冲触发发装置则则采用模模拟电路路。2.数字电电路控控制系系统数字电路主电路--~U*nUnU*iUiUc数字电路控制系系统特特点：：除主电电路和和功放放电路路外，，转速速、电电流调调节器器，以以及脉脉冲触触发装装置等等全部部由数数字电电路组组成。。3.计算机机控制制系统统主电路微机控制电路-~U*nUnUiU*iUc在数字字装置置中，，由计计算机机软硬硬件实实现其其功能能，，即为为计算算机控控制系系统。。系统统的特特点：：双闭环环系统统结构构，采采用微微机控控制；；全数字字电路路，实实现脉脉冲触触发、、转速速给定定和检检测；；采用数字PI算法，由软件件实现转速、、电流调节。。3.2.1微机数字控制制双闭环直流流调速系统的的硬硬件结结构微机数字控制制双闭环直流流调速系统硬硬件结构如图图3-4所示，系统由由以下部分组组成主电路检测电路控制电路给定电路显示电路图3-4微机数字控制制双闭环直流流PWM调速系统硬件件结构图主回路——微机数字控制制双闭环直流流调速系统主主电路中的UPE有两种方式：：直流PWM功率变换器晶闸管可控整整流器检测回路——检测回路包括括电压、电流流、温度和转转速检测，其其中：电压、电流和和温度检测由由A/D转换通道变为为数字量送入入微机；转速检测用数数字测速。1.转速检测转速检测有模模拟和数字两两种检测方法法：（1）模拟测速一般采采用测速发电电机，其输出出电压不仅表表示了转速的的大小，还包包含了转速的的方向，在调调速系统中（（尤其在可逆逆系统中），，转速的方向向也是不可缺缺少的。因此此必须经过适适当的变换，，将双极性的的电压信号转转换为单极性性电压信号，，经A/D转换后得到的的数字量送入入微机。但偏移码不能能直接参与运运算，必须用用软件将偏移移码变换为原原码或补码，，然后进行闭闭环控制。（2）对于要求精度度高、调速范范围大的系统统，往往需要要采用旋转编编码器测速，，即数字测速速。测速基本方式式2.电流和电压检检测电流和电压检检测除了用来来构成相应的的反馈控制外外，还是各种种保护和故障障诊断信息的的来源。电流流、电压信号号也存在幅值值和极性的问问题，需经过过一定的处理理后，经A/D转换送入微机机，其处理方方法与转速相相同。电流检测方法法（1）电流互感器器~（2）霍尔效应电电流变换器UH=KHBIcKH为霍尔常数；；B为与被测电流流成正比的磁通通密度；Ic为控制电流。。R1R0A1R0R1UHIdIcUi信号隔离与转转换R1RoR2R3R4UBR5R6UiaUi故障综合——利用微机拥有有强大的逻辑辑判断功能，，对电压、电电流、温度等等信号进行分分析比较，若若发生故障立立即进行故障障诊断，以便便及时处理，，避免故障进进一步扩大。。这也是采用用微机控制的的优势所在。。数字控制器——数字控制器是系统统的核心，可选用用单片微机或数字字信号处理器（DSP）比如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等专为电机控控制设计的微处理理器，本身都带有有A/D转换器、通用I/O和通信接口，还带带有一般微机并不不具备的故障保护护、数字测速和PWM生成功能，可大大大简化数字控制系系统的硬件电路。。系统给定——系统给定有两种方方式：（1）模拟给定：模拟给定是以模拟拟量表示的给定值值，例如给定电位位器的输出电压。。模拟给定须经A/D转换为数字量，，再参与运算；；（2）数字给定：数字字给定是用数字字量表示的给定定值，可以是拨拨盘设定、键盘盘设定或采用通通信方式由上位位机直接发送见下图。a)模拟给定b)数字给定键盘与显示电路路输出变量——微机数字控制器器的控制对象是是功率变换器，，可以用开关量量直接控制功率率器件的通断，，也可以用经D/A转换得到的模拟拟量去控制功率率变换器。随着电机控制专专用单片微机的的产生，前者逐逐渐成为主流，，例如Intel公司8X196MC系列和TI公司TMS320X240系列单片微机可可直接生成PWM驱动信号，经过过放大环节控制制功率器件，从从而控制功率变变换器的输出电电压。3.2.2微机数字控制双双闭环直流调速速系统的软软件框框图微机数字控制系系统的控制规律律是靠软件来实实现的，所有的的硬件也必须由由软件实施管理理。微机数字控控制双闭环直流流调速系统的软软件有：主程序初始化子程序中断服务子程序序等。1.主程序——完成实时性要求求不高的功能，，完成系统初始始化后，实现键键盘处理、刷新新显示、与上位位计算机和其他他外设通信等功功能。主程序框框图见图3-5。2.初始化子程序——完成硬件器件工工作方式的设定定、系统运行参参数和变量的初初始化等。初始始化子程序框图图见图3-6。图3-5主程序框图图3-6初始化子程序框框图3．中断服务子程程序中断服务子程序序完成实时性强强的功能，如故故障保护、PWM生成、状态检测测和数字PI调节等,中断服务子程序序由相应的中断断源提出申请，，CPU实时响应。转速调节中断服服务子程序电流调节中断服服务子程序故障保护中断断服务子程序序图3-7转速调节中断断服务子程序框框图图3-8电流调节中断断服务子程序框框图图3-9故障保护中断断服务子程序框框图当故障保护引引脚的电平发发生跳变时申申请故障保护护中断，而转转速调节和电电流调节均采采用定时中断断。三种中断服务务中，故障保护中断断优先级别最最高，电流调调节中断次之之，转速调节节中断级别最最低。返回目录3.3数字测速与滤滤波数字测速指标标数字测速方法法M/T法测速电路3.3.1数字测速指标标（1）分辩率：设被测转速速由n1变为n2时，引起测测量计数值值改变了一一个字，则则测速装置置的分辩率率定义为Q=n1-n2（转/分）Q越小，测速速装置的分分辩能力越越强；Q越小，系统统控制精度度越高。（2）测速精度度测速精度是是指测速装装置对实际际转速测量量的精确程程度，常用用测量值与与实际值的的相对误差差来表示，，即测量误差越小，测速精度越越高，系统统控制精度度越高。的大小取决决于测速元元件的制造造精度和测测速方法。。（3-7）（3）检测时间间Tc：检测时间是是指两次转转速采样之之间的时间间间隔。检检测时间对对系统的控控制性能有有很大影响响。检测时间越越短，系统统响应越快快，对改善善系统性能能越有利。。3.3.2数字测速方方法1.旋转编码器器在数字测速速中，常用用光电式旋转转编码器作为转速或转角角的检测元件。旋转编码器器测速原理理如下图所所示光电转换增量式旋转转编码器——带Z1轨道的园刻刻度旋转编码器器的检测原原理旋转编码器器检测信号号的处理2.测速原理由光电式旋转编码器器产生与被测测转速成正正比的脉冲冲，测速装装置将输入入脉冲转换换为以数字字形式表示示的转速值值。脉冲数字（P/D）转换方法：（1）M法—脉冲直接计数方方法；（2）T法—脉冲时间计数方方法；（3）M/T法—脉冲时间混合计计数方法。3.M法测速工作原理：由计数器记录PLG发出的脉冲信号号；定时器每隔时间间Tc向CPU发出中断请求INTt；CPU响应中断后，读读出计数值M1，并将计数器清零零重新计数；根据计数值M计算出对应的转转速值n。测速原理与波形形图计算公式式中Z为PLG每转输出的脉冲冲个数；M法测速的分辨率率（3-1）M法测速误差率在上式中，Z和Tc均为常值，因此此转速n正比于脉冲个数数。高速时Z大，量化误差较较小，随着转速速的降低误差增增大，转速过低低时将小于1，测速装置便不不能正常工作。。所以，M法测速只适用于于高速段。4.T法测速工作原理：计数器记录来自自CPU的高频脉冲f0；PLG每输出一个脉冲冲，中断电路向向CPU发出一次中断请请求；CPU响应INTn中断，从计数器器中读出计数值值M2，并立即清零，重重新计数。电路与波形计算公式T法测速的分辨率率（3-2）Ｔ法测速误差率率低速时，编码器器相邻脉冲间隔隔时间长，测得得的高频时钟脉脉冲个数M2多，所以误差率率小，测速精度度高，故T法测速适用于低低速段。M法测速在高速段段分辨率强；T法测速在低速段段分辨率强；因此，可以将两两种测速方法相相结合，取长补补短。既检测Tc时间内旋转编码码器输出的脉冲冲个数M1，又检检测同同一时时间间间隔的的高频频时钟钟脉冲冲个数数M2，用来来计算算转速速，称称作M/T法测速速。两种测测速方方法的的比较较5.M/T法测速速电路结结构：：工作原原理：：T0定时器器控制制采样样时间间；M1计数器器记录录PLG脉冲；；M2计数器器记录录时钟钟脉冲冲。波形图图：M/T法数字字测速速软件件计算公公式分辨率率检测精精度：：低速时时M/T法趋向向于T法，在在高速速段M/T法相当当于T法的M1次平均均，而而在这这M1次中最最多产产生一一个高高频时时钟脉脉冲的的误差差。因此，，M/T法测速速可在在较宽宽的转转速范范围内内，具具有较较高的的测速速精度度。（3-3）小结结由于M/T法的计计数值值M1和M2都随着着转速速的变变化而而变化化，高高速时时，相相当于于M法测速速，最最低速速时，，M1=1，自动动进入入T法测速速。因此M/T法测速速能适适用的的转速速范围围明显显大于于前两两种。。是目目前广广泛应应用的的一种种测速速方法法。返回目录3.4数字PI调节器模拟PI调节器的数数字化改进的数字字PI算法智能型PI调节器3.4.1模拟PI调节器的数数字化PI调节器是电电力拖动自自动控制系系统中最常常用的一种种控制器，，在微机数数字控制系系统中，当当采样频率率足够高时时，可以先先按模拟系系统的设计计方法设计计调节器，，然后再离离散化，就就可以得到到数字控制制器的算法法，这就是是模拟调节节器的数字字化。PI调节器的传传递函数PI调节器时域表达式式其中Kp=Kpi为比例系数数KI=1/为积分系数数（3-13）（3-14）PI调节器的差差分方程将上式离散散化成差分分方程，其其第k拍输出为式中Tsam为采样周期（3-15）数字PI调节器算法法有位置式和和增量式两两种算法：：位置式算法法——即为式(3-15)表述的差分分方程，算算法特点是是：比例部分只只与当前的的偏差有关关，而积分分部分则是是系统过去去所有偏差差的累积。。位置式PI调节器的结结构清晰，，P和I两部分作用用分明，参参数调整简简单明了，，但需要存存储的数据据较多。增量式PI调节器算法法PI调节器的输输出可由下下式求得（3-17）（3-18）限幅值设置与模拟调节器相相似，在数字控控制算法中，需需要对u限幅，这里，只只须在程序内设设置限幅值um，当u(k)>um时，便以限幅值值um作为输出。不考虑限幅时，，位置式和增量量式两种算法完完全等同，考虑虑限幅则两者略略有差异。增量量式PI调节器算法只需需输出限幅，而位置式算法法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。算法流程3.4.2改进的数字PI算法PI调节器器的参参数直直接影影响着着系统统的性性能指指标。。在高高性能能的调调速系系统中中，有有时仅仅仅靠靠调整整PI参数难难以同同时满满足各各项静静、动动态性性能指指标。。采用用模拟拟PI调节器器时，，由于于受到到物理理条件件的限限制，，只好好在不不同指指标中中求其其折衷衷。而微机数字字控制系统统具有很强强的逻辑判判断和数值值运算能力力，充分应应用这些能能力，可以以衍生出多多种改进的的PI算法，提高高系统的控控制性能。。积分分离算算法分段PI算法积分量化误误差的消除除1.积分分离算算法基本思想：：在微机数字字控制系统统中，把P和I分开。当偏偏差大时，，只让比例例部分起作作用，以快快速减少偏偏差；当偏偏差降低到到一定程度度后，再将将积分作用用投入，既既可最终消消除稳态偏偏差，又能能避免较大大的退饱和和超调。2.积分分离算算法积分分离算算法表达式式为（3-19）其中

δ为一常值。

积分分离法法能有效抑抑制振荡，，或减小超超调，常用用于转速调调节器。3.4.3智能型PI调节器由上述对数数字PI算法的改进进可以使我我们得到启启发，利用用计算机丰丰富的逻辑辑判断和数数值运算功功能，数字控制器器不仅能够够实现模拟拟控制器的的数字化，，而且可以以突破模拟拟控制器只只能完成线线性控制规规律的局限限，完成各各类非线性控制制、自适应控制制乃至智能控制等等，大大大拓宽了控控制规律的的实现范畴畴。主要的智能能控制方法法：专家系统模糊控制神经网络控控制智能控制特特点：控制算法不不依赖或不不完全依赖赖于对象模模型，因而而系统具有有较强的鲁棒性和对环境的适适应性。返回目录3.5按离散控制制系统设计计数字控制制器系统数学模模型数字调节器器设计控制软件设设计3.5.1系统数学模模型U*nUnUiUi*TsamIdIdLUd0系统模型中中：转速、电电流调节节器均采采用数字字式PI调节器；；采样环节节可表示示为带放放大的零零阶保持持器式中Tsam为系统采采样时间间。（3-25）系统简化化如果采用用工程设设计法，，将电流流内环矫矫正为典典型I系统，则则可将系系统简化化如下图图所示：：Kn*TsamTsamIdIdL电流内环环的等效效传递函函数其中电电流反反馈系数数换成电流流存储系系数K转速反馈馈通道传传递函数数其中K为转速存储储系数（3-23）（3-24）3.5.2数字控制制系统分分析和设设计方法法（1）连续系系统设计计方法在微机数数字控制制调速系系统的设设计中，，当采样样频率足足够高时时，可以以把它近近似地看看成是模模拟系统统，先按按模拟系系统理论论来设计计调节器器的参数数，然后后再离散散化，得得到数字字控制算算法，这这就是按模拟系系统的设设计方法法，或称称间接设设计法。Shannon采样定理理根据Shannon采样定理理，采样频率率fsam应不小于于信号最最高频率率fmax的2倍，即fsam≥2fmax这时，经经采样及及保持后后，原信信号的频频谱可以以不发生生明显的的畸变，，系统可可保持原原有的性性能。但实际系系统中信信号的最最高频率率很难确确定，尤尤其对非非周期性性信号（（系统的的过渡过过程）来来说，其其频谱为为0至∞的连续函函数，最最高频率率理论上上为无穷穷大。因因此，难难以直接接用采样样定理来来确定系系统的采采样频率率。系统采样样频率的的确定在一般情情况下，，可以令令采样周周期Tmin为控制对对象的最最小时间间常数；；或用采样样角频率率samc为控制系系统的截截止频率率。采样定理理用法在直流调调速系统统中，电电枢电流流的时间间常数较较小，电电流内环环必须有有足够高高的采样样频率，，而电流流调节算算法一般般比较简简单，采采用较高高的采样样频率是是可能的的。因此此电流调调节器一一般都可可以采用用间接方方法设计计，即先先按连续续控制系系统设计计，然后后再将得得到的调调节器数数字化。。至于转速环，，由于系统的的动态性能往往往对转速环环截止频率的的大小有一定定要求，不能能太低。但转转速控制有时时比较复杂，，占用的机时时较长，因而而转速环的采采样频率又不不能很高。如如果所选择的的采样频率不不够高，按连连续系统设计计误差较大时时，就应按照照离散控制系系统来设计转转速调节器。。（2）数字系统设设计方法：先将系统对象象离散化，按按数字系统直直接设计数字字调节器。数数字系统分析析方法有：Z变换方法W变换方法扩展W变换方法Z变换方法连续系统Z变换ReIm1-1离散系统Z平面ReImS平面W变换方法ReIm1-1W变换Z平面ReImW平面离散系统离散系统注意：W平面与S平面之间的频频率响应发生生了畸变。扩展W变换方法ReImW’平面ReImW平面W’变换离散系统离散系统W’平面与S平面之间的频频率响应在高高采样频率和和低角频率时时相似。3.5.3控制对象传递递函数的离散散化控制对象连连续传递函函数(3-27)其中将两个小惯惯性环节合合并，T∑n=Ton+2T∑i则其中(3-28)z变换过程应用z变换线性定定理得再应用z变换平移定定理，得(3-29)控制对象离离散传递函函数上式展开成成部分分式式，对每个个分式查表表求z变换，再化化简后得(3-30)其中控制对象性性能分析控制对象的的脉冲传递递函数具有有两个极点点，p1=1；还有一个零零点z1，位于负实实轴上。3.5.4数字调节器器设计模拟系统的的转速调节节器一般为为PI调节器，比比例部分起起快速调节节作用，积积分部分消消除稳态偏偏差。数字字调节器也也应具备同同样的功能能，因此仍仍选用PI型数字调节节器。这里，设计计方法采用用数字频域法法。数字频域法法设计步骤骤（1）通过Z变换，将连连续的被控控对象模型型转换成离离散系统模模型；（2）通过W变换和W’变换，将离离散系统的的z域模型转换换成频域模模型；（3）采用频域域设计方法法，进行系系统设计。。这时，