直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制第3章電力拖動自動控制系統(tǒng)內(nèi)容提要微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的主要特點(diǎn)微機(jī)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(jì)數(shù)字控制器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(jì)方法，所有的調(diào)節(jié)器均用運(yùn)算放大器實(shí)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(diǎn)，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(jī)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(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí)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。

3.1微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的主要特點(diǎn)

總之，微機(jī)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(shí)現(xiàn)的功能。由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號，因此，與模擬控制系統(tǒng)相比，微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是離散化和數(shù)字化：離散化：為了把模擬的連續(xù)信號輸入計(jì)算機(jī)，必須首先在具有一定周期的采樣時刻對它們進(jìn)行實(shí)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(jìn)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)

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。

（2）D/A轉(zhuǎn)換的滯后效應(yīng)：經(jīng)過計(jì)算機(jī)運(yùn)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。

隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，微處理器的運(yùn)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(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)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(jì)中予以解決。

返回目錄3.2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

的硬件和軟件

主電路微機(jī)控制電路-~U*nUnUiU*iUcPLG

：PLUSEGENERATOR(脈沖發(fā)生器)也就是編碼器的簡寫。1.轉(zhuǎn)速檢測

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(hù)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(jī)，其處理方法與轉(zhuǎn)速相同。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(jī)或數(shù)字信號處理器（DSP）比如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)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(jī)并不具備的故障保護(hù)、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。

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(yùn)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(jī)直接發(fā)送見下圖。a)模擬給定

b)數(shù)字給定

輸出變量——微機(jī)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(jī)控制專用單片微機(jī)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(jī)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。

3.2.2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

軟件框圖

微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件來實(shí)現(xiàn)的，所有的硬件也必須由軟件實(shí)施管理。微機(jī)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(shí)時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實(shí)現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示、與上位計(jì)算機(jī)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(yùn)行參數(shù)和變量的初始化等。初始化子程序框圖見圖3-6。圖3-5主程序框圖

圖3-6初始化子程序框圖

3．中斷服務(wù)子程序

中斷服務(wù)子程序完成實(shí)時性強(qiáng)的功能，如故障保護(hù)、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(shí)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(hù)中斷服務(wù)子程序

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(hù)中斷服務(wù)子程序框圖

當(dāng)故障保護(hù)引腳的電平發(fā)生跳變時申請故障保護(hù)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(hù)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。

返回目錄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(jì)數(shù)方法；（2）T法—脈沖時間計(jì)數(shù)方法；（3）M/T法—脈沖時間混合計(jì)數(shù)方法。3.M法測速

工作原理：由計(jì)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(jì)數(shù)值M1，并將計(jì)數(shù)器清零重新計(jì)數(shù)；根據(jù)計(jì)數(shù)值M計(jì)算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值n。測速原理與波形圖Z為PLG每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個數(shù)；4.T法測速工作原理：計(jì)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(jì)數(shù)器中讀出計(jì)數(shù)值M2，并立即清零，重新計(jì)數(shù)。電路與波形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(jìn)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(jī)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(jì)方法設(shè)計(jì)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。

PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)PI調(diào)節(jié)器時域表達(dá)式其中Kp=Kpi

為比例系數(shù)

KI

=1/為積分系數(shù)

（3-13）（3-14）

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（3-15）

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(diǎn)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)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

（3-17）（3-18）增量式PID增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量Δu(k)。采用增量式算法時，計(jì)算機(jī)輸出的控制量Δu(k)對應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量，而不是對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，因此要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須具有對控制量增量的累積功能，才能完成對被控對象的控制操作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的累積功能可以采用硬件的方法實(shí)現(xiàn)；也可以采用軟件來實(shí)現(xiàn)，如利用算式

u(k)=u(k-1)+Δu(k)程序化來完成。增量式算法優(yōu)點(diǎn)：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(guān)，容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；②計(jì)算機(jī)每次只輸出控制增量，即對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化量，故機(jī)器發(fā)生故障時影響范圍小、不會嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程；③手動—自動切換時沖擊小。當(dāng)控制從手動向自動切換時，可以作到無擾動切換

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。

算法流程3.4.2改進(jìn)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(xiàng)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?xiàng)l件的限制，只好在不同指標(biāo)中求其折衷。

而微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的邏輯判斷和數(shù)值運(yùn)算能力，充分應(yīng)用這些能力，可以衍生出多種改進(jìn)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

系統(tǒng)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

c為控制系統(tǒng)的截止頻率。電流環(huán)0.0037Tsami=0.0037/4轉(zhuǎn)速環(huán)0.0174Tsamn=0.0174/4nUc*100IdIdL電流環(huán)Tsami=Timin