電力拖動自動控制系統(tǒng)直流部分陳伯時PPT課件

1、3. 0 問題的提出 前兩章中論述了直流調(diào)速系統(tǒng)的基本規(guī)律和設(shè)計方法，所有的調(diào)節(jié)器均用運算放大器實現(xiàn)，屬模擬控制系統(tǒng)。 模擬系統(tǒng)具有物理概念清晰、控制信號流向直觀等優(yōu)點，便于學(xué)習(xí)入門，但其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件的性能、溫度等因素的影響。 第1頁/共112頁 以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡稱微機數(shù)字控制系統(tǒng)）硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復(fù)雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來靈活方便。第2頁/共112頁 3. 1 微型計算機

2、數(shù)字控制的主要特點 總之，微機數(shù)字控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外，還擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。 由于計算機只能處理數(shù)字信號，因此，與模擬控制系統(tǒng)相比，微機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點是離散化和數(shù)字化：第3頁/共112頁 離散化： 為了把模擬的連續(xù)信號輸入計算機，必須首先在具有一定周期的采樣時刻對它們進行實時采樣，形成一連串的脈沖信號，即離散的模擬信號，這就是離散化。Otf(t)原信號Onf(nT)1 2 3 4采樣第4頁/共112頁 數(shù)字化： 采樣后得到的離散信號本質(zhì)上還是模擬信號，還須經(jīng)過數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進制碼）來逼近離散模擬信

3、號的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這就是數(shù)字化。 數(shù)字化OnN(nT)第5頁/共112頁n 離散化和數(shù)字化的負(fù)面效應(yīng) 離散化和數(shù)字化的結(jié)果導(dǎo)致了時間上和量值上的不連續(xù)性，從而引起下述的負(fù)面效應(yīng)： （1）A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差：模擬信號可以有無窮多的數(shù)值，而數(shù)碼總是有限的，用數(shù)碼來逼近模擬信號是近似的，會產(chǎn)生量化誤差，影響控制精度和平滑性。第6頁/共112頁 （2） D/A轉(zhuǎn)換的滯后效應(yīng)：經(jīng)過計算機運算和處理后輸出的數(shù)字信號必須由數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A和保持器將它轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬量，再經(jīng)放大后驅(qū)動被控對象。但是，保持器會提高控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母的階次，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量減小，甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性。第7頁/共

4、112頁 隨著微電子技術(shù)的進步，微處理器的運算速度不斷提高，其位數(shù)也不斷增加，上述兩個問題的影響已經(jīng)越來越小。 但微機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點及其負(fù)面效應(yīng)需要在系統(tǒng)分析中引起重視，并在系統(tǒng)設(shè)計中予以解決。 返回目錄第8頁/共112頁3.2 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 的硬件和軟件 系統(tǒng)組成方式 數(shù)字控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成方式大致可分為三種： 1. 數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng) 2. 數(shù)字電路控制系統(tǒng) 3. 計算機控制系統(tǒng)第9頁/共112頁1. 數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)U*nUnU*iUcUi-數(shù)字電路-第10頁/共112頁 數(shù)模混合控制系統(tǒng)特點： 轉(zhuǎn)速采用模擬調(diào)節(jié)器，也可采用數(shù)字調(diào)節(jié)器； 電流調(diào)節(jié)器采用數(shù)字調(diào)節(jié)

5、器； 脈沖觸發(fā)裝置則采用模擬電路。第11頁/共112頁2. 數(shù)字電路控制系統(tǒng)數(shù)字電路主電路-U*nUnU*iUiUc第12頁/共112頁 數(shù)字電路控制系統(tǒng)特點： 除主電路和功放電路外，轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器，以及脈沖觸發(fā)裝置等全部由數(shù)字電路組成。第13頁/共112頁3. 計算機控制系統(tǒng)主電路微機控制電路-U*nUnUiU*iUc第14頁/共112頁 在數(shù)字裝置中，由計算機軟硬件實現(xiàn)其功能 ，即為計算機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點： 雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機控制； 全數(shù)字電路，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測； 采用數(shù)字PI算法，由軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)。第15頁/共112頁微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 硬件

6、結(jié)構(gòu) 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3-4所示，系統(tǒng)由以下部分組成主電路檢測電路控制電路給定電路顯示電路第16頁/共112頁圖3-4 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 第17頁/共112頁 主回路微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路中的UPE有兩種方式：l直流PWM功率變換器l晶閘管可控整流器第18頁/共112頁 檢測回路檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測，其中：l電壓、電流和溫度檢測由 A/D 轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機；l轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速。第19頁/共112頁1. 轉(zhuǎn)速檢測 轉(zhuǎn)速檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法： （1）模擬測速一般采用測速發(fā)電機，其輸出電壓不僅

7、表示了轉(zhuǎn)速的大小，還包含了轉(zhuǎn)速的方向，在調(diào)速系統(tǒng)中（尤其在可逆系統(tǒng)中），轉(zhuǎn)速的方向也是不可缺少的。因此必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q，將雙極性的電壓信號轉(zhuǎn)換為單極性電壓信號，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量送入微機。但偏移碼不能直接參與運算，必須用軟件將偏移碼變換為原碼或補碼，然后進行閉環(huán)控制。第20頁/共112頁（2）對于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測速，即數(shù)字測速。第21頁/共112頁 測速基本方式第22頁/共112頁2. 電流和電壓檢測 電流和電壓檢測除了用來構(gòu)成相應(yīng)的反饋控制外，還是各種保護和故障診斷信息的來源。電流、電壓信號也存在幅值和極性的問題，需經(jīng)過一定的處理后，經(jīng)A/D

8、轉(zhuǎn)換送入微機，其處理方法與轉(zhuǎn)速相同。第23頁/共112頁 電流檢測方法（1）電流互感器第24頁/共112頁（2）霍爾效應(yīng)電流變換器 UH = KH B Ic KH為霍爾常數(shù)； B為與被測電流成正比的磁通密度； Ic為控制電流。R1R0A1R0R1UHIdIcUi第25頁/共112頁 信號隔離與轉(zhuǎn)換R1RoR2R3R4UBR5R6UiaUi第26頁/共112頁 故障綜合利用微機擁有強大的邏輯判斷功能，對電壓、電流、溫度等信號進行分析比較，若發(fā)生故障立即進行故障診斷，以便及時處理，避免故障進一步擴大。這也是采用微機控制的優(yōu)勢所在。第27頁/共112頁 數(shù)字控制器數(shù)字控制器是系統(tǒng)的核心，可選用單片微

9、機或數(shù)字信號處理器（DSP）比如：Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列等專為電機控制設(shè)計的微處理器，本身都帶有A/D轉(zhuǎn)換器、通用I/O和通信接口，還帶有一般微機并不具備的故障保護、數(shù)字測速和PWM生成功能，可大大簡化數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。第28頁/共112頁 系統(tǒng)給定系統(tǒng)給定有兩種方式：（1）模擬給定：模擬給定是以模擬量表示的給定值，例如給定電位器的輸出電壓。模擬給定須經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再參與運算；（2）數(shù)字給定：數(shù)字給定是用數(shù)字量表示的給定值，可以是撥盤設(shè)定、鍵盤設(shè)定或采用通信方式由上位機直接發(fā)送見下圖。第29頁/共112頁a) 模擬給定 b) 數(shù)字給定 第30頁/

10、共112頁 鍵盤與顯示電路LED顯示器BCD/7段碼鍵盤矩陣8選1譯碼器8選1譯碼器A0-3S0-3R0-7D0-7CLKINT8279CPU7388第31頁/共112頁 輸出變量微機數(shù)字控制器的控制對象是功率變換器，可以用開關(guān)量直接控制功率器件的通斷，也可以用經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換得到的模擬量去控制功率變換器。 隨著電機控制專用單片微機的產(chǎn)生，前者逐漸成為主流，例如Intel公司8X196MC系列和TI公司TMS320X240系列單片微機可直接生成PWM驅(qū)動信號，經(jīng)過放大環(huán)節(jié)控制功率器件，從而控制功率變換器的輸出電壓。 第32頁/共112頁微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 軟件框圖 微機數(shù)字控制系

11、統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件來實現(xiàn)的，所有的硬件也必須由軟件實施管理。微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件有： 主程序 初始化子程序 中斷服務(wù)子程序等。 第33頁/共112頁1. 主程序完成實時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示、與上位計算機和其他外設(shè)通信等功能。主程序框圖見圖3-5。 2. 初始化子程序完成硬件器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運行參數(shù)和變量的初始化等。初始化子程序框圖見圖3-6。第34頁/共112頁圖3-5 主程序框圖 圖3-6 初始化子程序框圖 主程序系統(tǒng)初始化鍵處理刷新顯示系統(tǒng)初始化設(shè)定定時器、 PWM 、數(shù)字測速工作方式參數(shù)及變量初始化設(shè)定I/O、通信接口及顯示

12、、鍵盤工作方式返回數(shù)據(jù)通信有鍵按下嗎？YN第35頁/共112頁3中斷服務(wù)子程序 中斷服務(wù)子程序完成實時性強的功能，如故障保護、PWM生成、狀態(tài)檢測和數(shù)字PI調(diào)節(jié)等,中斷服務(wù)子程序由相應(yīng)的中斷源提出申請，CPU實時響應(yīng)。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序 電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序 故障保護中斷服務(wù)子程序 第36頁/共112頁圖3-7 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖 圖3-8 電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖 圖3-9 故障保護中斷服務(wù)子程序框圖 第37頁/共112頁 當(dāng)故障保護引腳的電平發(fā)生跳變時申請故障保護中斷，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)均采用定時中斷。 三種中斷服務(wù)中，故障保護中斷優(yōu)先級別最高，電流調(diào)節(jié)中斷次之，轉(zhuǎn)速調(diào)

13、節(jié)中斷級別最低。 返回目錄第38頁/共112頁3.3 數(shù)字測速與濾波 數(shù)字測速指標(biāo) 數(shù)字測速方法 M/T 法測速電路第39頁/共112頁 數(shù)字測速指標(biāo)（1）分辯率： 設(shè)被測轉(zhuǎn)速由 n1 變?yōu)?n2 時，引起測量計數(shù)值改變了一個字，則測速裝置的分辯率定義為Q = n1 - n2 （轉(zhuǎn)/分） Q 越小，測速裝置的分辯能力越強； Q 越小，系統(tǒng)控制精度越高。第40頁/共112頁（2）測速精度 測速精度是指測速裝置對實際轉(zhuǎn)速測量的精確程度，常用測量值與實際值的相對誤差來表示，即 測量誤差 越小，測速精度越高，系統(tǒng)控制精度越高。 的大小取決于測速元件的制造精度和測速方法。%100nn（3-7） 第41頁

14、/共112頁（3）檢測時間 Tc ： 檢測時間是指兩次轉(zhuǎn)速采樣之間的時間間隔。檢測時間對系統(tǒng)的控制性能有很大影響。 檢測時間越短，系統(tǒng)響應(yīng)越快，對改善系統(tǒng)性能越有利。第42頁/共112頁 數(shù)字測速方法1. 旋轉(zhuǎn)編碼器 在數(shù)字測速中，常用光電式旋轉(zhuǎn)編碼器作為轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測元件。 旋轉(zhuǎn)編碼器測速原理如下圖所示第43頁/共112頁光電轉(zhuǎn)換第44頁/共112頁增量式旋轉(zhuǎn)編碼器帶Z1軌道的園刻度第45頁/共112頁旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測原理第46頁/共112頁旋轉(zhuǎn)編碼器檢測信號的處理第47頁/共112頁2. 測速原理 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器由光電式旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生與被測轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，測速裝置將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為以數(shù)

15、字形式表示的轉(zhuǎn)速值。 脈沖數(shù)字（P/D）轉(zhuǎn)換方法： （1）M法脈沖直接計數(shù)方法； （2）T 法脈沖時間計數(shù)方法； （3）M/T法脈沖時間混合計數(shù)方法。第48頁/共112頁3. M法測速 工作原理：由計數(shù)器記錄PLG發(fā)出的脈沖信號； 定時器每隔時間Tc向CPU發(fā)出中斷請求INTt； CPU響應(yīng)中斷后，讀出計數(shù)值 M1，并將計數(shù)器清零重新計數(shù)； 根據(jù)計數(shù)值 M 計算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值 n。測速原理與波形圖第49頁/共112頁 計算公式式中 Z為PLG每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個數(shù)； M法測速的分辨率 c160ZTMn cc1c16060) 1(60ZTZTMZTMQ（3-1）第50頁/共112頁 M法測速誤差率

16、在以上各式中，Z 和 Tc 均為常值，因此轉(zhuǎn)速 n 正比于脈沖個數(shù)M1。高速時M1大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時M1將小于1，測速裝置便不能正常工作。 所以，M法測速只適用于高速段。%1001%10060 )1(60 601c1c1c1maxMZTMZTMZTM第51頁/共112頁4. T法測速工作原理： 計數(shù)器記錄來自CPU的高頻脈沖 f0； PLG每輸出一個脈沖，中斷電路向CPU發(fā)出一次中斷請求； CPU 響應(yīng) INTn中斷，從計數(shù)器中讀出計數(shù)值 M2，并立即清零，重新計數(shù)。電路與波形第52頁/共112頁 計算公式 T法測速的分辨率 2060ZMfn ) 1(6060

17、) 1(602202020MZMfZMfMZfQ（3-2）第53頁/共112頁 法測速誤差率 低速時，編碼器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2多，所以誤差率小，測速精度高，故T法測速適用于低速段。 %10011%10060 60 ) 1(602202020maxMZMfZMfMZf第54頁/共112頁lM法測速在高速段分辨率強；lT法測速在低速段分辨率強； 因此，可以將兩種測速方法相結(jié)合，取長補短。既檢測 Tc 時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)M1，又檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2，用來計算轉(zhuǎn)速，稱作M/T法測速。 n 兩種測速方法的比較第55頁/共112頁5. M/T法測速

18、 電路結(jié)構(gòu)：n波形圖：nT0定時器控制采樣時間；M1計數(shù)器記錄PLG脈沖；M2計數(shù)器記錄時鐘脈沖。工作原理：第56頁/共112頁 M/T法數(shù)字測速軟件 第57頁/共112頁 計算公式 分辨率 檢測精度：低速時M/T法趨向于T法，在高速段M/T法相當(dāng)于T法的 M1次平均，而在這 M1 次中最多產(chǎn)生一個高頻時鐘脈沖的誤差。 因此，M/T法測速可在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，具有較高的測速精度。 ) 1(602210MZMMfQr/min 60 60201t1ZMfMZTMn（3-3）第58頁/共112頁小 結(jié) 由于M/T法的計數(shù)值M1和M2都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時，相當(dāng)于M法測速，最低速時，M1=1，

19、自動進入T法測速。 因此M/T法測速能適用的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩種。是目前廣泛應(yīng)用的一種測速方法。返回目錄第59頁/共112頁3.4 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器 模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化 改進的數(shù)字PI算法 智能型PI調(diào)節(jié)器 第60頁/共112頁模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化 PI調(diào)節(jié)器是電力拖動自動控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。 第61頁/共112頁 PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) PI調(diào)節(jié)器時域表達式其中 Kp= Kpi 為比例系數(shù) KI =1/ 為積分系數(shù) ssKsEsUs

20、W1)()()(pipi（3-13）tteKteKtteteKtud )()(d )(1)()(IPpi（3-14）第62頁/共112頁 PI調(diào)節(jié)器的差分方程將上式離散化成差分方程，其第 k 拍輸出為式中 Tsam為采樣周期 ) 1()()()()()()()(IsamIPIP1samIPkukeTKkeKkukeKieTKkeKkuki（3-15）第63頁/共112頁 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器算法 有位置式和增量式兩種算法： 位置式算法即為式(3-15)表述的差分方程，算法特點是：比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。 位置式PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)清晰，P和I兩部分作用分明，參數(shù)

21、調(diào)整簡單明了，但需要存儲的數(shù)據(jù)較多。 第64頁/共112頁 增量式PI調(diào)節(jié)器算法PI調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得 )() 1()() 1()()(samIPkeTKkekeKkukuku（3-17）)() 1()(kukuku（3-18）第65頁/共112頁 限幅值設(shè)置 與模擬調(diào)節(jié)器相似，在數(shù)字控制算法中，需要對 u 限幅，這里，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值u m，當(dāng) u(k) u m 時，便以限幅值 u m作為輸出。 不考慮限幅時，位置式和增量式兩種算法完全等同，考慮限幅則兩者略有差異。增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，而位置式算法必須同時設(shè)積分限幅和輸出限幅，缺一不可。 第66頁/共112頁 算法流

22、程開始設(shè)置PID參數(shù)，計算控制參數(shù)計算偏差值計算當(dāng)前時刻的控制量輸入采樣值輸出控制值保存偏差值返回第67頁/共112頁改進的數(shù)字PI算法 PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)直接影響著系統(tǒng)的性能指標(biāo)。在高性能的調(diào)速系統(tǒng)中，有時僅僅靠調(diào)整PI參數(shù)難以同時滿足各項靜、動態(tài)性能指標(biāo)。采用模擬PI調(diào)節(jié)器時，由于受到物理條件的限制，只好在不同指標(biāo)中求其折衷。 第68頁/共112頁 而微機數(shù)字控制系統(tǒng)具有很強的邏輯判斷和數(shù)值運算能力，充分應(yīng)用這些能力，可以衍生出多種改進的PI算法，提高系統(tǒng)的控制性能。 積分分離算法 分段PI算法 積分量化誤差的消除 第69頁/共112頁1. 積分分離算法 基本思想： 在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，把

23、 P 和 I 分開。當(dāng)偏差大時，只讓比例部分起作用，以快速減少偏差；當(dāng)偏差降低到一定程度后，再將積分作用投入，既可最終消除穩(wěn)態(tài)偏差，又能避免較大的退飽和超調(diào)。第70頁/共112頁2. 積分分離算法 積分分離算法表達式為kiieTKCkeKku1samIIp)()()(（3-19） 其中 )(, 0)(, 1IieieC為一常值。 積分分離法能有效抑制振蕩，或減小超調(diào)，常用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 第71頁/共112頁智能型PI調(diào)節(jié)器 由上述對數(shù)字PI算法的改進可以使我們得到啟發(fā)，利用計算機豐富的邏輯判斷和數(shù)值運算功能，數(shù)字控制器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬控制器的數(shù)字化，而且可以突破模擬控制器只能完成線性控制規(guī)律的

24、局限，完成各類非線性控制、自適應(yīng)控制乃至智能控制等等，大大拓寬了控制規(guī)律的實現(xiàn)范疇。 第72頁/共112頁 主要的智能控制方法： 專家系統(tǒng) 模糊控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 智能控制特點： 控制算法不依賴或不完全依賴于對象模型，因而系統(tǒng)具有較強的魯棒性和對環(huán)境的適應(yīng)性。 第73頁/共112頁3.5 按離散控制系統(tǒng)設(shè)計數(shù)字控制器 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計 控制軟件設(shè)計第74頁/共112頁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型U*nUnUiUi*TsamIdIdLUd0第75頁/共112頁系統(tǒng)模型中： 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器均采用數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器； 采樣環(huán)節(jié)可表示為帶放大的零階保持器 式中 Tsam 為系統(tǒng)采樣時間。ssGsTsame

25、1)(0（3-25） 第76頁/共112頁 系統(tǒng)簡化 如果采用工程設(shè)計法，將電流內(nèi)環(huán)矯正為典型 I 系統(tǒng)，則可將系統(tǒng)簡化如下圖所示： *nKsesTsam1121sTKisTCRmedIdLI1sTKonnASRsamTsamTKn*TsamTsamIdIdL第77頁/共112頁 電流內(nèi)環(huán)的等效傳遞函數(shù)其中 電流反饋系數(shù) 換成電流存儲系數(shù)K 轉(zhuǎn)速反饋通道傳遞函數(shù)其中 K 為轉(zhuǎn)速存儲系數(shù) . 121iIsTKsG（3-23） 1onnfsTKsG（3-24） 第78頁/共112頁數(shù)字控制系統(tǒng)分析和設(shè)計方法（1）連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計方法 在微機數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計中，當(dāng)采樣頻率足夠高時，可以把它近似地看

26、成是模擬系統(tǒng)，先按模擬系統(tǒng)理論來設(shè)計調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后再離散化，得到數(shù)字控制算法，這就是按模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法，或稱間接設(shè)計法。 第79頁/共112頁 Shannon 采樣定理 根據(jù) Shannon 采樣定理，采樣頻率 fsam 應(yīng)不小于信號最高頻率 fmax 的2倍，即 fsam 2 fmax 這時，經(jīng)采樣及保持后，原信號的頻譜可以不發(fā)生明顯的畸變，系統(tǒng)可保持原有的性能。第80頁/共112頁 但實際系統(tǒng)中信號的最高頻率很難確定，尤其對非周期性信號（系統(tǒng)的過渡過程）來說，其頻譜為 0 至的連續(xù)函數(shù)，最高頻率理論上為無窮大。因此，難以直接用采樣定理來確定系統(tǒng)的采樣頻率。 第81頁/共112頁 系統(tǒng)

27、采樣頻率的確定 在一般情況下，可以令采樣周期Tmin 為控制對象的最小時間常數(shù)；或用采樣角頻率 sam minsam)104(1TTc 為控制系統(tǒng)的截止頻率。csam)104(第82頁/共112頁 采樣定理用法 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，電樞電流的時間常數(shù)較小，電流內(nèi)環(huán)必須有足夠高的采樣頻率，而電流調(diào)節(jié)算法一般比較簡單，采用較高的采樣頻率是可能的。因此電流調(diào)節(jié)器一般都可以采用間接方法設(shè)計，即先按連續(xù)控制系統(tǒng)設(shè)計，然后再將得到的調(diào)節(jié)器數(shù)字化。第83頁/共112頁 至于轉(zhuǎn)速環(huán)，由于系統(tǒng)的動態(tài)性能往往對轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率的大小有一定要求，不能太低。但轉(zhuǎn)速控制有時比較復(fù)雜，占用的機時較長，因而轉(zhuǎn)速環(huán)的采樣頻率又不

28、能很高。如果所選擇的采樣頻率不夠高，按連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計誤差較大時，就應(yīng)按照離散控制系統(tǒng)來設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 第84頁/共112頁（2）數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法： 先將系統(tǒng)對象離散化，按數(shù)字系統(tǒng)直接設(shè)計數(shù)字調(diào)節(jié)器。數(shù)字系統(tǒng)分析方法有： Z變換方法 W變換方法 擴展W變換方法第85頁/共112頁 Z變換方法連續(xù)系統(tǒng)Z變換ReIm1-1離散系統(tǒng)Z平面ReImS平面sTez 第86頁/共112頁 W變換方法ReIm1-1W變換Z平面ReImW平面離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)注意：W平面與S平面之間的頻率響應(yīng)發(fā)生了畸變。wwz11第87頁/共112頁 擴展W變換方法ReImW平面ReImW平面W變換離散系統(tǒng)離散系統(tǒng) W平面與S平

29、面之間的頻率響應(yīng)在高采樣頻率和低角頻率時相似。2samTjw 第88頁/共112頁控制對象傳遞函數(shù)的離散化 控制對象連續(xù)傳遞函數(shù) 121e11121e1ion2nonmeiobjsamsamsTsTsKsTKsTCRsTKssGsTsT(3-27) menTCKRKK 其中將兩個小慣性環(huán)節(jié)合并，Tn = Ton + 2Ti第89頁/共112頁則其中 sGsTsKsGsTsTsubn2nobjsamsame11e1(3-28) 1n2nsubsTsKsG第90頁/共112頁 z變換過程應(yīng)用z變換線性定理得再應(yīng)用z變換平移定理，得 )(e )()(e)()(subsubsubsubobjsamsa

30、msGZsGZsGsGZsGZsTsT)()1 ()()()()(sub1sub1subobjobjzGzsGZzsGZsGZzG(3-29) 第91頁/共112頁 控制對象離散傳遞函數(shù) 上式展開成部分分式，對每個分式查表求z變換，再化簡后得 )e)(1()(nsam/1ZobjTTzzzzKzG(3-30) 第92頁/共112頁其中mensamnnsamnnznsamnsame1e1TCKTTRTKTTTKKTTTTnsamnsamnsame1ee1nsamnsam1TTTTTTTTTTz第93頁/共112頁 控制對象性能分析 控制對象的脈沖傳遞函數(shù)具有兩個極點， p1= 1； 還有一個零點

31、 z1，位于負(fù)實軸上。1p012p-1z平面單位圓1zReImnsam/2eTTp第94頁/共112頁數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計 模擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一般為PI調(diào)節(jié)器，比例部分起快速調(diào)節(jié)作用，積分部分消除穩(wěn)態(tài)偏差。數(shù)字調(diào)節(jié)器也應(yīng)具備同樣的功能，因此仍選用PI型數(shù)字調(diào)節(jié)器。 這里，設(shè)計方法采用數(shù)字頻域法。第95頁/共112頁 數(shù)字頻域法設(shè)計步驟（1）通過Z變換，將連續(xù)的被控對象模型轉(zhuǎn)換成離散系統(tǒng)模型；（2）通過W變換和W變換，將離散系統(tǒng)的z域模型轉(zhuǎn)換成頻域模型；（3）采用頻域設(shè)計方法，進行系統(tǒng)設(shè)計。這時，可利用s 域的經(jīng)典頻域設(shè)計法，比如，Bode圖等系統(tǒng)分析和設(shè)計工具。 第96頁/共112頁 離散系統(tǒng) z

32、 域數(shù)學(xué)模型 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器脈沖傳遞函數(shù) 離散系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù) 11psamIpsamIpASRzKzTKKzzTKKzG（3-35） nsame121psamIpzobjASRTTzzzzKzTKKKzGzG（3-36） 第97頁/共112頁 w 變換過程 如果要用利用連續(xù)系統(tǒng)的對數(shù)頻率法來設(shè)計調(diào)節(jié)器參數(shù)，應(yīng)先進行 w 變換，即令則 wwz11 nn211samIsamIpz0samsame1e141112TTTTwwwzwzTKwTKKKwG（3-37） 第98頁/共112頁系統(tǒng) w 域模型虛擬頻率傳遞函數(shù)再令 為虛擬頻率，則開環(huán)虛擬頻率傳遞函數(shù)為 2samTjw1)(111223410

33、0jjjjjKjG（3-37） 第99頁/共112頁其中，開環(huán)放大系數(shù))(e112samn1Iz0samsTzKKKTT)(2211samIpI1sTKKK)(2e1e111sam2nsamnsamsTTTTT)(211sam3sT)(21111sam114sTzz第100頁/共112頁 當(dāng)控制對象及采樣頻率確定后，Kz、2、 3 、4 均為已知常數(shù)，但 1 和 K0 待定。 現(xiàn)需要通過設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)，以確定系統(tǒng)的開環(huán)參數(shù)1 和 K0 ，并滿足給定的系統(tǒng)性能指標(biāo)。 第101頁/共112頁 數(shù)字頻域設(shè)計方法 由于，經(jīng)過 w 變換和w 變換后，離散系統(tǒng)在 w 平面上的數(shù)學(xué)模型與連續(xù)系統(tǒng)有相似的

34、表達形式，而且在一定條件下，其虛擬頻率與 s 平面的系統(tǒng)角頻率相近。即w 平面相對于 s 平面，不僅在幾何上相似，而且在數(shù)值上相近。 因此，可以在w 平面進行類似的頻域分析和設(shè)計。第102頁/共112頁 系統(tǒng)的開環(huán)虛擬對數(shù)頻率特性為 1)(lg201lg201lg20lg202324210KL1)(lg20lg20222（3-39a） 2341arctgarctgarctgarctg180)(（3-39b） 第103頁/共112頁 根據(jù)系統(tǒng)期望虛擬對數(shù)頻率特性的中頻段寬度和相角裕量，可以解出1 和 K0 ，再進一步得出調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。 在具體參數(shù)下的開環(huán)系統(tǒng)虛擬對數(shù)頻率特性可參看例

35、題3-2中的圖3-21。 第104頁/共112頁本章小結(jié) 采用計算機控制電力傳動系統(tǒng)的優(yōu)越性在于： （1）可顯著提高系統(tǒng)性能。 采用數(shù)字給定、數(shù)字控制和數(shù)字檢測，系統(tǒng)精度大大提高； 可根據(jù)控制對象的變化，方便地改變控制器參數(shù)，以提高系統(tǒng)抗干擾能力。第105頁/共112頁（2）可采用各種控制策略。 可變參數(shù)PID和PI控制； 自適應(yīng)控制； 模糊控制； 滑?？刂疲?復(fù)合控制。第106頁/共112頁（3）可實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控功能。 狀態(tài)檢測； 數(shù)據(jù)處理、存儲與顯示； 越限報警； 打印報表等。第107頁/共112頁第三章習(xí)題第三章習(xí)題3-13-1直流電動機額定轉(zhuǎn)速nN=375r/min，電樞電流額定值IdL=760A，允許過流倍數(shù)=1.5，計算機內(nèi)部定點數(shù)占一個字的位置（16位），試確定數(shù)字控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速反饋存儲系數(shù)和電流反饋存儲系數(shù)，適當(dāng)考慮余量。解：最高位為符號位，最大存儲值： 327681215maxD195.237605 . 1