電力拖動自動控制系統(tǒng)第4課

1電氣傳動控制系統(tǒng)課程孔維健信息科學與技術學院TelEmail：kongweijian@2本課內容提綱4.1數(shù)字化原理4.2數(shù)字控制的直流調速系統(tǒng)軟硬件4.3數(shù)字測速與濾波4.4數(shù)字PI調節(jié)器4.5故障診斷與保護34.1數(shù)字化原理硬件電路標準化程度高，不受器件溫度漂移的影響；進行邏輯判斷和復雜運算，實現(xiàn)不同于一般線性調節(jié)的控制規(guī)律，……控制軟件更改靈活方便。具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能。1、數(shù)字控制的特點4Otf(t)原信號Onf(nT)1234…采樣1）離散化

對模擬的連續(xù)信號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。4.1數(shù)字化原理2、信號數(shù)字化52）

采樣與采樣頻率采樣過程：在連續(xù)系統(tǒng)設置采樣開關，使采樣開關合上的時間遠遠小于斷開的時間，即可將連續(xù)的模擬信號轉變?yōu)閿嗬m(xù)的脈沖信號。采樣頻率：根據(jù)Shannon采樣定理，fsam應不小于信號最高頻率fmax的2倍，即fsam≥2fmax這樣，經(jīng)采樣及保持后，原信號的頻譜不發(fā)生明顯的畸變，系統(tǒng)保持原有的性能。63）工程上采樣頻率設置

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），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。73）工程上采樣頻率的設置（續(xù)）

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)?；蛴貌蓸咏穷l率samc為控制系統(tǒng)的截止頻率。84）數(shù)字化

離散信號經(jīng)保持器保持后，還須經(jīng)過數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進制碼）來逼近離散的模擬信號。保持OnN(nT)Na(nT)（電壓）Nd(nT)（數(shù)碼）9

5）離散化和數(shù)字化的負面效應

離散化:時間上的不連續(xù)性；數(shù)字化:量值上的不連續(xù)性。

負面效應：

A/D轉換的量化誤差，影響控制精度和平滑性。

D/A轉換的滯后效應，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，甚至會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。104.2數(shù)字控制的直流調速系統(tǒng)軟硬件111）系統(tǒng)給定a)模擬給定

b)數(shù)字給定

122）數(shù)字控制器PLC、PAC（集成好的控制設備）微機控制：除了帶有A/D轉換器、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。如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等。13

微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的軟件有：主程序初始化子程序中斷服務子程序等2）數(shù)字控制器（續(xù)1）14主程序

完成實時性要求不高的功能，系統(tǒng)初始化后，鍵盤處理、刷新顯示、數(shù)據(jù)通信等功能。15初始化子程序

硬件工作方式的設定、系統(tǒng)運行參數(shù)和變量的初始化等。16中斷服務子程序

實時性強，由相應的中斷源提出申請，CPU實時響應。轉速調節(jié)中斷子程序（中斷級別最低）電流調節(jié)中斷子程序（中斷級別居中）故障保護中斷子程序（優(yōu)先級別最高）17轉速調節(jié)中斷子程序轉速反饋轉速調節(jié)啟動測速18故障保護中斷子程序封鎖PWM輸出分析故障原因顯示故障并報警193）檢測反饋

輸出量檢測的作用：構成反饋控制，保護和故障診斷信息的來源。1）轉速檢測：模擬和數(shù)字檢測方法。2）電流和電壓檢測：檢測后由A/D轉換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機。20

轉速檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法：

（1）模擬測速一般采用測速發(fā)電機，其輸出電壓不僅表示了轉速的大小，還包含了轉速的方向。

（2）對于要求精度高、調速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉編碼器測速，即數(shù)字測速。21電流和電壓檢測

電流和電壓檢測除了用來構成相應的反饋控制外，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轉換送入微機，其處理方法與轉速相同。22霍爾效應電流變換器

UH=KHBIcKH為霍爾常數(shù)；B為與被測電流Id成正比的磁通密度；Ic為控制電流。R1R0A1R0R1UHIdIcUi23234.3數(shù)字測速與濾波數(shù)字測速精度指標數(shù)字測速方法M/T法測速軟件框圖24244.3.1數(shù)字測速精度指標（1）分辯率

改變一個計數(shù)字所對應的轉速變化量來表示分辨率Q。

Q越小，測速裝置的分辯能力越強。2525（2）測速誤差率

測量值與實際值的相對誤差來表示，

的大小與測速方法和測速元件的制造精度有關。26264.3.2數(shù)字測速方法1）旋轉編碼器

在數(shù)字測速中，常用光電式旋轉編碼器作為轉速或轉角的檢測元件。光電轉換2727旋轉編碼器

光電式旋轉編碼器是轉速或轉角的檢測元件。

增量式旋轉編碼器示意圖

2828兩對發(fā)光與接收裝置，錯開光柵節(jié)距的1/4，兩組脈沖序列A和B的相位相差90°圖3-11區(qū)分旋轉方向的A、B兩組脈沖序列若碼盤光柵數(shù)為N，則轉速分辨率為1/N；常見光柵數(shù)1024、2048、4096采用倍頻電路可以有效地提高轉速分辨率四倍頻電路29292）測速原理

由光電式旋轉編碼器產生與被測轉速成正比的脈沖，測速裝置將輸入脈沖轉換為以數(shù)字形式表示的轉速值。脈沖數(shù)字轉換方法：（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。30303.3.3M法測速PLG倍頻電路BusZ

記錄Tc時間內旋轉編碼器PLG發(fā)出的脈沖數(shù)M1，則Z=倍頻系數(shù)×PLG光柵數(shù)

測速原理與波形圖Counter3131M法測速的分辨率和誤差率M法測速適用于高速。分辨率:誤差率:3232PLG倍頻電路ConterCPUINTnf03.3.4T法測速

記錄PLG一個脈沖間的高頻脈沖個數(shù)M2，f0為高頻脈沖頻率，則電路與波形3333T法測速的分辨率和誤差率

分辨率:誤差率:

T法測速適用于低速段。

3434M法測速在高速段分辨率強；T法測速在低速段分辨率強；

因此，可以將兩種測速方法相結合，取長補短。

兩種測速方法的比較3535

M/T法既檢測Tc

時間內PLG輸出的脈沖個數(shù)M1，又檢測相同時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2。應保證高頻時鐘脈沖計數(shù)器與PLG輸出脈沖計數(shù)器同時開啟與關閉，以減小誤差。

4.3.5M/T法測速3636M/T法測速波形圖編碼器輸出脈沖→高頻時鐘脈沖→允許計數(shù)時間→高速時，相當于M法測速最低速時，M1=1，自動進入T法測速3737M/T法測速轉速計算誤差率3838M/T法測速

誤差率在低速時趨向于T法，在高速段M/T法相當于T法的M1次平均，而在這M1次中最多產生一個高頻時鐘脈沖的誤差。故誤差率小。

M/T法測速適用的轉速范圍寬，測速精度高。3939M/T法測速軟件

適用于8X196MC或TMS320X240捕捉中斷40404.3.6數(shù)字濾波

算術平均值濾波中值濾波中值平均濾波4141(1).算術平均值濾波

優(yōu)點：算法簡單。缺點：需要較多的采樣次數(shù)才能有明顯的平滑效果。4242加權算術平均值濾波其中，在一般情況下4343(2)．中值濾波將最近連續(xù)三次采樣值排序，使得

取中值X2為有效信號，舍去X1和X3。中值濾波能有效地濾除偶然型干擾脈沖（作用時間短、幅值大），當干擾信號作用時間相對較長（大于采樣時間）則無能為力。4444(3)．中值平均濾波設有N次采樣值，排序后得

去掉最大值XN和最小值X1，剩下的取算術平均值即為濾波后的值，

中值平均濾波是中值濾波和算術平均值濾波的結合，既能濾除偶然型干擾脈沖，又能平滑濾波，但程序較為復雜，運算量較大。45454.4數(shù)字PI調節(jié)器

模擬PI調節(jié)器的數(shù)字化改進的數(shù)字PI算法

智能型PI調節(jié)器

46464.4.1模擬PI調節(jié)器的數(shù)字化

當采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設計方法設計調節(jié)器，然后再離散化，得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調節(jié)器的數(shù)字化。

4747

PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)PI調節(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)

4848

PI調節(jié)器的差分方程將上式離散化成差分方程，其第k拍輸出為其中，Tsam為采樣周期4949位置式數(shù)字PI調節(jié)器算法原理積分部分：

比例部分：

PI調節(jié)器的輸出5050位置式數(shù)字PI調節(jié)器算法缺陷

位置式PID控制算法的缺點：當前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態(tài)有關，計算時要對e(k)進行累加，運算量大；而且控制器的輸出u(k)對應的是執(zhí)行機構的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構位置的大幅度變化。5151增量式PI調節(jié)器算法PI調節(jié)器的輸出5252增量式PI調節(jié)器算法優(yōu)點①算式中不需要累加?？刂圃隽喀(k)的確定僅與最近3次的采樣值有關，容易通過加權處理獲得比較好的控制效果；②計算機每次只輸出控制增量，即對應執(zhí)行機構位置的變化量，故機器發(fā)生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產過程；③手動—自動切換時沖擊小。當控制從手動向自動切換時，可以作到無擾動切換。5353

限幅值設置

增量式PI調節(jié)器算法只需輸出限幅；

位置式算法必須設置積分限幅和輸出限幅，缺一不可。不考慮限幅時，位置式和增量式兩種算法完全等同5454

PI調節(jié)器算法流程（位置式）55553.4.2改進的數(shù)字PI算法

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5656(1)積分分離算法基本思想在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，把P和I分開:

?當偏差大時，只讓比例部分起作用，以快速減少偏差；

?當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。5757

積分分離算法積分分離算法表達式為其中

δ為一常值。

積分分離法能有效抑制振蕩，或減小超調，常用于轉速調節(jié)器。

5858(2)．分段PI算法

分段PI算法可以解決動態(tài)跟隨性和穩(wěn)定性的矛盾，分段PI算法的表達式與離散PI算法完全一樣，但有兩套或多套PI參數(shù)，可根據(jù)轉速偏差的大小，在不同套的參數(shù)中進行切換。5959設計思想

在雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，電流調節(jié)器的作用之一是克服反電動勢的擾動。在轉速變化過程中，必須依靠積分作用抑制反電動勢，使電樞電流快速跟隨給定值，以保證最大的起動電流。?在轉速偏差大時，電流調節(jié)器應選用較大的KP和KI參數(shù)；使實際電流能迅速跟隨給定值。

?在轉速偏差較小時，過大的KP和KI又將導致輸出電流的振蕩，增加轉速調節(jié)器的負擔，嚴重時還將導致轉速的振蕩。603.4.3智能型PI調節(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)字控制器不僅能夠實現(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)律的局限，完成各類非線性控制、自適應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。61主要的智能控制方法：專家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡控制智能控制特點：

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)境的適應性。返回目錄62624.5故障檢測、保護與自診斷

對實時采樣的數(shù)據(jù)進行處理和分析，利用故障診斷模型或專家知識進行推理，對故障類型或故障發(fā)生處作出正確的判斷，這就是故障自診斷。6363故障檢測、保護與自診斷

故障檢測、保護與自診斷的前提是計算機能可靠地工作，檢測元件也正確無誤，而對于計算機和檢測元件本身的故障只能依靠人工來檢查。64643.6.1故障檢測

1.供電電源故障檢測

三相供電電源常見的故障為過電壓、欠電壓和缺相。由三相供電電源經(jīng)電壓互感器、三相不可控整流橋和濾波環(huán)節(jié)，得到與供電電壓幅值成正比的直流電壓，經(jīng)A/D轉換輸入至計算機。數(shù)字控制系統(tǒng)定時采樣該直流電壓，并與上、下限值進行比較，即可判斷是否出現(xiàn)過電壓或欠電壓故障。6565?缺相檢測

缺相檢測采用缺相繼電器:▼正常時，繼電器常開觸點打開，缺相輸出信號為低電平；▼缺相時，繼電器常開觸點閉合，缺相輸出信號呈高電平。定時檢測缺相檢測輸出電路電平，即可判斷是否出現(xiàn)缺相故障。66662過電流、過載故障檢測

過電流、過載是電力拖動控制