直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制

直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制第1頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六內(nèi)容提要微型計算機數(shù)字控制的主要特點微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟件數(shù)字測速與濾波數(shù)字PI調(diào)節(jié)器用離散控制系統(tǒng)設(shè)計數(shù)字控制器

第2頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六3.0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。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)）硬件電路的標準化程度高，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3頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六

3.1微型計算機數(shù)字控制的主要特點

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4頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六離散化：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)1234…采樣第5頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六數(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6頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六離散化和數(shù)字化的負面效應(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。（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78頁，2023年，2月20日，星期六隨著微電子技術(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78頁，2023年，2月20日，星期六3.2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

3.2.0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78頁，2023年，2月20日，星期六U*nUnU*iUcUi-數(shù)字電路~--

數(shù)?；旌峡刂葡到y(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)器；脈沖觸發(fā)裝置則采用模擬電路。1.數(shù)模混合控制系統(tǒng)第10頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)字電路主電路--~U*nUnU*iUiUc2.數(shù)字電路控制系統(tǒng)

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11頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六主電路微機控制電路-~U*nUnUiU*iUc

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)。3.計算機控制系統(tǒng)第12頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六3.2.1微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

硬件結(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13頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六微機數(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14頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六主回路——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：直流PWM功率變換器晶閘管可控整流器檢測回路——檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測，其中：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；轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速。第15頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六1.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?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。（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16頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六測速基本方式第17頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六~2.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轉(zhuǎn)換送入微機，其處理方法與轉(zhuǎn)速相同。

電流檢測方法（1）電流互感器第18頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六R1R0A1R0R1UHIdIcUi（2）霍爾效應(yīng)電流變換器

UH=KHBIcKH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。第19頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六信號隔離與轉(zhuǎn)換R1RoR2R3R4UBR5R6UiaUi第20頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六故障綜合——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。數(shù)字控制器——數(shù)字控制器是系統(tǒng)的核心，可選用單片微機或數(shù)字信號處理器（DSP）比如：Intel8X196MC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21頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六

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。a)模擬給定

b)數(shù)字給定

第22頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六鍵盤與顯示電路第23頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六輸出變量——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24頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六3.2.2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。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。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。第25頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六主程序框圖

初始化子程序框圖

第26頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六3．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

當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)節(jié)中斷級別最低。

第27頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖

電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖

故障保護中斷服務(wù)子程序框圖

返回目錄第28頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六3.3數(shù)字測速與濾波數(shù)字測速指標數(shù)字測速方法M/T法測速電路第29頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六

3.3.1數(shù)字測速指標（1）分辯率：

設(shè)被測轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2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。（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n的相對誤差來表示，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。（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30頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六光電轉(zhuǎn)換

3.3.2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31頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六增量式旋轉(zhuǎn)編碼器

——帶Z1軌道的園刻度第32頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測原理第33頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六旋轉(zhuǎn)編碼器檢測信號的處理第34頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六2.測速原理由光電式旋轉(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)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35頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六3.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36頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六計算公式Z為PLG每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個數(shù)

M法測速的分辨率

M法測速誤差率

在上式中，Z和Tc

均為常值，因此轉(zhuǎn)速n正比于脈沖個數(shù)。高速時Z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第37頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六4.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38頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六Ｔ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。

計算公式T法測速的分辨率

第39頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六M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(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。

兩種測速方法的比較第40頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六5.M/T法測速電路結(jié)構(gòu)：第41頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六工作原理：T0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。波形圖：第42頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六

M/T法數(shù)字測速軟件

第43頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六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。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，相當于M法測速，最低速時，M1=1，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44頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六3.4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

3.4.1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45頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六

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)

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Tsam為采樣周期

第46頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六數(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——即為上式表述的差分方程，算法特點是：比例部分只與當前的偏差有關(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)調(diào)整簡單明了，但需要存儲的數(shù)據(jù)較多。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

第47頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六限幅值設(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48頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六算法流程第49頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六3.4.2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。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。采用模擬PI調(diào)節(jié)器時，由于受到物理條件的限制，只好在不同指標中求其折衷。

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50頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六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(diào)。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(diào)，常用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。第51頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六3.4.3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。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。返回目錄第52頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六3.5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53頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六3.5.1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型U*nUnUiUi*TsamIdIdLUd0第54頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六Kn*TsamTsamIdIdL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。

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：第55頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六電流內(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)

第56頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六3.5.2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，當采樣頻率足夠高時，可以把它近似地看成是模擬系統(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57頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六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

≥

2fmax

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。

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58頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)采樣頻率的確定

在一般情況下，可令采樣周期Tmin為控制對象的最小時間常數(shù)；或用采樣角頻率samc為控制系統(tǒng)的截止頻率。

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59頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六至于轉(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60頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六（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61頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六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平面第62頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六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。第63頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六擴展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平面之間的頻率響應(yīng)在高采樣頻率和低角頻率時相似。第64頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六3.5.3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)其中將兩個小慣性環(huán)節(jié)合并，T∑n=Ton+2T∑i則其中第65頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六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

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，再化簡后得第66頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六其中第67頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六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z1，位于負實軸上。第68頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六3.5.4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