石油大学电力拖动课件

直流调速系统的数字控制直流调速系统的数字控制第第 3 章章内容提要内容提要n微型计算机数字控制的主要特点微型计算机数字控制的主要特点 n微机数字控制双闭环直流调速系统的硬微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件件和软件 n数字测速与滤波数字测速与滤波 n数字数字PI调节器调节器n用离散控制系统设计数字控制器用离散控制系统设计数字控制器 3.1 3.1 微型计算机数字控制的主要特点微型计算机数字控制的主要特点 模拟系统具有模拟系统具有物理概念清晰物理概念清晰、控制信号流控制信号流向直观向直观等优点，便于学习入门，但其控制规律等优点，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，因而体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复线路复杂、通用性差杂、通用性差，控制效果受到器件的性能、温，控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。度等因素的影响。一、微型计算机数字控制的引入一、微型计算机数字控制的引入1 1 1 1、问题的提出、问题的提出、问题的提出、问题的提出 以微处理器为核心的数字控制系统（简称以微处理器为核心的数字控制系统（简称微微机数字控制系统机数字控制系统）硬件电路的标准化程度高硬件电路的标准化程度高，制制作成本低作成本低，且不受器件温度漂移的影响；其控制，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、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，而且更改起来智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便灵活方便。2 2 2 2、微型计算机数字控制的主要特点、微型计算机数字控制的主要特点、微型计算机数字控制的主要特点、微型计算机数字控制的主要特点 微机数字控制系统的微机数字控制系统的稳定性好稳定性好，可靠性高可靠性高，可以提高控制性能，此外，还拥有可以提高控制性能，此外，还拥有信息存储信息存储、数数据通信据通信和和故障诊断故障诊断等模拟控制系统无法实现的功等模拟控制系统无法实现的功能。能。计算机只能处理数字信号，与模拟控计算机只能处理数字信号，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是点是离散化离散化和和数字化数字化。Otf(t)原信号原信号Onf(nT)1 2 3 4采样采样 离散化离散化数字化数字化OnN(nT)数字化数字化3 3 3 3、离散化和数字化的负面效应、离散化和数字化的负面效应、离散化和数字化的负面效应、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离散化和数字化的结果导致了时间上时间上和和量值上量值上的的不连续性不连续性，从而引起下述的负，从而引起下述的负面效应：面效应：A/D转换的量化误差转换的量化误差：模拟信号可以有：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，影响近模拟信号是近似的，会产生量化误差，影响控控制精度制精度和和平滑性平滑性。D/A转换的滞后效应转换的滞后效应：经过计算机运算：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，使系统的递函数分母的阶次，使系统的稳定裕量减小稳定裕量减小，甚，甚至会破坏系统的稳定性。至会破坏系统的稳定性。1、量化原则量化原则 在保在保证不溢出的前提下，精度越高越好。不溢出的前提下，精度越高越好。2、量化精度量化精度用存用存储系数系数K来表示：来表示：微机数字控制系微机数字控制系统中的中的存储系数存储系数相当于相当于模模拟控制系控制系统中的中的反馈系数反馈系数。存。存储系数与系数与物物理量的变化范围理量的变化范围和和计算机内部定点数的长度计算机内部定点数的长度有关。有关。二、数字量化二、数字量化某直流电机的额定电流某直流电机的额定电流IN=136A，过载系，过载系数数=1.5，额定转速，额定转速nN=1460r/min，计算，计算机内部定点数占一个字的位置（机内部定点数占一个字的位置（16位），位），试确定试确定电枢电流电枢电流和和转速存储系数转速存储系数。3 3 3 3、例题、例题、例题、例题三、采样频率的选择三、采样频率的选择 根据根据 Shannon 采采样定理，定理，采样频率采样频率 f fsamsam 应应不小于信号最高频率不小于信号最高频率 f fmaxmax 的的2 2倍倍，即即 fsam 2 fmax 这时，经采样及保持后，原信号的频谱可以这时，经采样及保持后，原信号的频谱可以不发生明显的畸变，系统可保持原有的性能。不发生明显的畸变，系统可保持原有的性能。1 1 1 1、ShannonShannonShannonShannon采样定采样定采样定采样定理理理理2 2 2 2、采样频率确定、采样频率确定、采样频率确定、采样频率确定 一般情况下，可以令采一般情况下，可以令采样周期周期或用采或用采样角角频率率 sam 3 3 3 3、采样频率要求、采样频率要求、采样频率要求、采样频率要求采样频率越高，离散系统越接近于连续系采样频率越高，离散系统越接近于连续系统。但在采样周期内必须完成信号的采集与统。但在采样周期内必须完成信号的采集与转换，完成控制运算，并输出控制信号，所转换，完成控制运算，并输出控制信号，所以采样周期又不能太短，也就是说，以采样周期又不能太短，也就是说，采样频采样频率总是有限的率总是有限的。过高的采样频率可能造成不必要的过高的采样频率可能造成不必要的累计误差累计误差，需合理选择采样频率需合理选择采样频率。4 4 4 4、采样定理、采样定理、采样定理、采样定理用法用法用法用法在直流调速系统中，电枢电流的时间常数较在直流调速系统中，电枢电流的时间常数较小，电流内环必须有足够高的采样频率，而小，电流内环必须有足够高的采样频率，而电流调节算法一般比较简单，电流调节算法一般比较简单，采用较高的采采用较高的采样频率样频率是可能的。因此是可能的。因此电流调节器一般都可电流调节器一般都可以采用间接方法设计以采用间接方法设计，即先按连续控制系统，即先按连续控制系统设计，然后再将得到的调节器数字化。设计，然后再将得到的调节器数字化。至于转速环，由于系统的动态性能往往对转至于转速环，由于系统的动态性能往往对转速环截止频率的大小有一定要求，不能太低。速环截止频率的大小有一定要求，不能太低。但转速控制有时比较复杂，占用的机时较长，但转速控制有时比较复杂，占用的机时较长，因而因而转速环的采样频率又不能很高转速环的采样频率又不能很高。如果所。如果所选择的采样频率不够高，按连续系统设计误选择的采样频率不够高，按连续系统设计误差较大时，就应按照差较大时，就应按照离散控制系统来设计转离散控制系统来设计转速调节器速调节器。3.2 3.2 微机数字控制双闭环直流调速系统的微机数字控制双闭环直流调速系统的 硬件和软件硬件和软件 一、一、系统组成方式系统组成方式 1 1 1 1、数字控制直流调速系统的组成方式、数字控制直流调速系统的组成方式、数字控制直流调速系统的组成方式、数字控制直流调速系统的组成方式 数模混合控制系统数模混合控制系统 数字电路控制系统数字电路控制系统 计算机控制系统计算机控制系统转速采用模拟调节器，也可采用数转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器字调节器；电流调节器采用数字调节器电流调节器采用数字调节器；脉冲触发装置则采用模拟电路脉冲触发装置则采用模拟电路。2 2 2 2、数模混合控制系统、数模混合控制系统、数模混合控制系统、数模混合控制系统3 3 3 3、数字电路控制系统、数字电路控制系统、数字电路控制系统、数字电路控制系统MPLGD/PACRASRU*nP/D/3ACTAUiUnUcU*i_A/D数字电路数字电路主电路主电路-U*nUnU*iUiUc-在数字装置中，由计算机软硬件在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能实现其功能，即为，即为计算机控制系统计算机控制系统。双闭环系统结构，采用微机控制双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；采用数字采用数字PIPI算法，由软件实现转速、电流调节算法，由软件实现转速、电流调节。4 4 4 4、计算机控制系统特点、计算机控制系统特点、计算机控制系统特点、计算机控制系统特点二、微机数字控制双闭环直流调速系统的二、微机数字控制双闭环直流调速系统的 硬件结构硬件结构 微机数字控制双闭环直流调速系统系微机数字控制双闭环直流调速系统系统由以下部分组成：统由以下部分组成：主电路主电路；检测电路检测电路；控制电路控制电路；给定电路给定电路；显示电路显示电路。微机数字控制双闭环直流微机数字控制双闭环直流PWMPWM调速系统硬件结构图调速系统硬件结构图 1 1 1 1、测速基本方式、测速基本方式、测速基本方式、测速基本方式 电流检测方法电流检测方法电流检测方法电流检测方法n电流互感器电流互感器ABCUiUi02 2 2 2、电流和电压检测、电流和电压检测、电流和电压检测、电流和电压检测 UH=KH B Icn 霍尔效应电流变换器霍尔效应电流变换器HLUi+-IdIcUHR1R0A1R0R1UHIdIcUi 信号隔离与转换信号隔离与转换信号隔离与转换信号隔离与转换UiR1R2R3R4A1A/Dop+5VUia3 3 3 3、系统给定、系统给定、系统给定、系统给定a)模拟给定模拟给定 b)数字给定数字给定 三、微机数字控制双闭环直流调速系统的三、微机数字控制双闭环直流调速系统的 软件框图软件框图 微机数字控制系统的控制规律靠软件来实微机数字控制系统的控制规律靠软件来实现，所有的硬件也必须由软件实施管理。微机现，所有的硬件也必须由软件实施管理。微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有：数字控制双闭环直流调速系统的软件有：n主程序主程序n初始化子程序初始化子程序n中断服务子程序中断服务子程序n主程序框图主程序框图 初始化子程序框图初始化子程序框图 中断服务子程序中断服务子程序 n转速调节中断服务子程序转速调节中断服务子程序n电流调节中断服务子程序电流调节中断服务子程序n故障保护中断服务子程序故障保护中断服务子程序 转速调节中断转速调节中断服务子程序框图服务子程序框图 电流调节中断电流调节中断服务子程序框图服务子程序框图 故障保护中断故障保护中断服务子程序框图服务子程序框图 3.3 3.3 数字测速与滤数字测速与滤波波主要内容主要内容n数字测速指标数字测速指标n数字测速元件数字测速元件n数字测速方法数字测速方法nM/T M/T 法测速电路法测速电路一、数字测速指标一、数字测速指标1 1 1 1、分辩率、分辩率、分辩率、分辩率测速方法对被测转速变化的分辨能力测速方法对被测转速变化的分辨能力 设被测转速由设被测转速由 n1 变为变为 n2 时，引起测量计数时，引起测量计数值改变了一个字，则测速装置的分辩率定义为值改变了一个字，则测速装置的分辩率定义为Q=n2 n1 Q 越小，测速装置的分辩能力越强；越小，测速装置的分辩能力越强；Q 越小，系统控制精度越高。越小，系统控制精度越高。2 2 2 2、测速精度、测速精度、测速精度、测速精度测速装置对实际转速测量的精确程度测速装置对实际转速测量的精确程度 常用测量值与实际值的相对误差来表示，常用测量值与实际值的相对误差来表示，即即 越小，越小，测速精度越高，系统控制精测速精度越高，系统控制精度越高。度越高。的大小取决于测速元件的制造的大小取决于测速元件的制造精度和测速方法。精度和测速方法。检测时间对系统的控制性能有很大影响。检测时间对系统的控制性能有很大影响。检测时间越短，系统响应越快，对改善系统性能检测时间越短，系统响应越快，对改善系统性能越有利。越有利。3 3 3 3、检测时间、检测时间、检测时间、检测时间 Tc两次转速采样之间的时间间隔两次转速采样之间的时间间隔二、数字测速元件二、数字测速元件旋转编码器旋转编码器 光电式旋转编码器是转速或转角的检测光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件，旋转编码器与电动机相连，当电动机元件，旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动码盘旋转，发出转速或转角信转动时，带动码盘旋转，发出转速或转角信号。号。1 1 1 1、检测元件、检测元件、检测元件、检测元件 码盘上分层刻上表示角度的码盘上分层刻上表示角度的二进制数码二进制数码或或循循环码环码（格雷码），通过接收器将该数码送入计算（格雷码），通过接收器将该数码送入计算机。常用于检测转角，若需得到转速信号，必须机。常用于检测转角，若需得到转速信号，必须对转角进行微分处理。对转角进行微分处理。2 2 2 2、种类、种类、种类、种类 绝对式编码器绝对式编码器 增量式编码器增量式编码器 码盘上均匀刻制一定数量的码盘上均匀刻制一定数量的光栅光栅，当电机旋，当电机旋转时，码盘随之转动。通过光栅的作用，持续不转时，码盘随之转动。通过光栅的作用，持续不断的开放或封闭光通路，在接收装置的输出端得断的开放或封闭光通路，在接收装置的输出端得到频率与转速成正比的到频率与转速成正比的方波脉冲序列方波脉冲序列，从而可以，从而可以计算转速。计算转速。要获得转速的方向，还需增加一对要获得转速的方向，还需增加一对发光与接发光与接收装置收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的，使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/41/4，则两组脉冲序列，则两组脉冲序列A A和和B B的相位的相位相差相差9090o o。正转。正转时时A A相超前相超前B B相；反转时相；反转时B B相超前相超前A A相。采用相。采用鉴相电鉴相电路路即可分辨出转向。即可分辨出转向。若码盘的光栅数为若码盘的光栅数为N N，则转速分辨率为，则转速分辨率为1/N1/N，常用的旋转编码器光栅数有常用的旋转编码器光栅数有10241024、20482048、40964096等。等。再增加光栅数将大大增加旋转编码器的制作难度再增加光栅数将大大增加旋转编码器的制作难度和成本。采用和成本。采用倍频电路倍频电路可以有效提高转速分辨率，可以有效提高转速分辨率，而不增加光栅数，一般多采用四倍频电路，大于而不增加光栅数，一般多采用四倍频电路，大于四倍频较难实现。四倍频较难实现。三、数字测速方法三、数字测速方法 光电式旋转编码器光电式旋转编码器测速原理测速原理：由光电式由光电式旋旋转编码器转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。值。脉冲数字（脉冲数字（P/DP/D）转换方法）转换方法：（1 1）M M法法脉冲直接计数方法；脉冲直接计数方法；（2 2）T T 法法脉冲时间计数方法；脉冲时间计数方法；（3 3）M/TM/T法法脉冲时间混合计数方法。脉冲时间混合计数方法。1 1、M M法测速法测速 工作原理工作原理工作原理工作原理 在一定的在一定的时间时间Tc内测取旋转编码器输出内测取旋转编码器输出的的脉冲个数脉冲个数M1，用以计算这段时间内的平均，用以计算这段时间内的平均转速，称作转速，称作M法法测速。把测速。把M1除以除以Tc即得旋转即得旋转编码器输出脉冲的频率编码器输出脉冲的频率f1=M1/Tc，又称，又称频率频率法法。PLGCounterTimerBusCLKtTc.M1INTt 计数器记录计数器记录PLGPLG发出的发出的脉冲信号；脉冲信号；定时器每隔时间定时器每隔时间T Tc c向向CPUCPU发中断请求发中断请求INTINTt t；CPUCPU响应中断后，读出响应中断后，读出计数值计数值 M M1 1，并将计数器，并将计数器清零重新计数；清零重新计数；根据计数值根据计数值 M M1 1 计算出计算出对应的转速值对应的转速值 n n。测速原理与波形图测速原理与波形图 工作过程工作过程工作过程工作过程 计算公式计算公式计算公式计算公式Z为为PLG每转输出的脉冲个数。每转输出的脉冲个数。分辨率分辨率分辨率分辨率 测速误差率测速误差率测速误差率测速误差率M法测速只适用于高速段法测速只适用于高速段2 2、T T法测速法测速 工作原理工作原理工作原理工作原理 在编码器两个相邻输出脉冲的间隔时在编码器两个相邻输出脉冲的间隔时间内，用一个计数器对已知间内，用一个计数器对已知频率为频率为f f0 0的高频的高频时钟脉冲进行计数，由此来计算转速，称时钟脉冲进行计数，由此来计算转速，称作作T T法测速法测速。测速时间源于编码器输出脉冲。测速时间源于编码器输出脉冲的周期，故又称的周期，故又称周期法周期法。PLG中断电路中断电路ConterCPUINTnf0PLGf0m2计数器记录来自计数器记录来自CPU的高频脉冲的高频脉冲 f0；PLG每输出一个脉冲，每输出一个脉冲，中断电路向中断电路向CPU发出发出一次中断请求；一次中断请求；CPU 响应响应 INTn中断，中断，从计数器中读出计数从计数器中读出计数值值 M2，并立即清零，并立即清零，重新计数。重新计数。电路与波形电路与波形 工作过程工作过程工作过程工作过程 计算公式计算公式计算公式计算公式 分辨率分辨率分辨率分辨率 测速误差率测速误差率测速误差率测速误差率T法测速适用于低速段法测速适用于低速段 M法测速在法测速在高速段高速段分辨率强分辨率强 T法测速在法测速在低速段低速段分辨率强分辨率强 两种测速方法的比较两种测速方法的比较3 3、M/TM/T法测速法测速 工作原理工作原理工作原理工作原理 将将M M法与法与T T法两种测速方法相结合，取法两种测速方法相结合，取长补短。既检测长补短。既检测T Tc c时间时间内旋转编码器输出内旋转编码器输出的脉冲个数的脉冲个数M M1 1，又检测同一时间间隔的高，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数频时钟脉冲个数M M2 2，用来计算转速。，用来计算转速。工作过程工作过程工作过程工作过程 T T0 0定时器控制采样定时器控制采样时间；时间；M M1 1计数器记录计数器记录PLGPLG脉脉冲；冲；M M2 2计数器记录时钟计数器记录时钟脉冲。脉冲。PLGG1StartG0,G2INTnO0f0m2TnT0,m1?T波形图波形图 数字测速软件数字测速软件数字测速软件数字测速软件 计算公式计算公式计算公式计算公式 分辨率分辨率分辨率分辨率 测速误差率测速误差率测速误差率测速误差率 低速时低速时M/TM/T法趋向于法趋向于T T法，在高速段法，在高速段M/TM/T法相法相当于当于T T法的法的M M1 1次平均，而在这次平均，而在这M M1 1次中最多产生一次中最多产生一个高频时钟脉冲的误差。因此，个高频时钟脉冲的误差。因此，M/TM/T法测速可在法测速可在较宽的转速范围内，具有较高的测速精度。较宽的转速范围内，具有较高的测速精度。1 1 1 1、数字滤波简介、数字滤波简介、数字滤波简介、数字滤波简介三、数字滤波三、数字滤波 检测的转速信号中，会混入检测的转速信号中，会混入干扰信号干扰信号。模。模拟调速中通过硬件组成的滤波器（如拟调速中通过硬件组成的滤波器（如RC滤波电滤波电路）滤除；数字测速中用路）滤除；数字测速中用软件软件实现数字滤波。实现数字滤波。数字滤波使用灵活、修改方便，不但能替数字滤波使用灵活、修改方便，不但能替代硬件滤波器，还能实现硬件滤波器无法实现代硬件滤波器，还能实现硬件滤波器无法实现的功能。数字滤波可用于的功能。数字滤波可用于测速滤波测速滤波，也可用于，也可用于电压、电流检测信号的滤波电压、电流检测信号的滤波。计算公式计算公式：设有：设有N N次采样值次采样值X X1 1、X X2 2、.、X XN N，算术平均值滤波就是找到一个值，算术平均值滤波就是找到一个值Y Y，使，使Y Y与各次与各次采样值之差的平方和采样值之差的平方和最小最小2 2 2 2、数字滤波方法、数字滤波方法、数字滤波方法、数字滤波方法 算术平均值滤波算术平均值滤波算术平均值滤波算术平均值滤波 优缺点优缺点：优点是算法简单；缺点是需要较多的优点是算法简单；缺点是需要较多的采样次数才能有明显的平滑效果。采样次数才能有明显的平滑效果。加权算术平均值滤波加权算术平均值滤波：主要重视当前的采样值，主要重视当前的采样值，也附带考虑过去的采样值。也附带考虑过去的采样值。将最近连续三次采样值排序，使得将最近连续三次采样值排序，使得 取这三个采样值的取这三个采样值的中值中值X X2 2为有效信号，舍为有效信号，舍去去X X1 1和和X X3 3。这样的中值滤波能有效地滤除。这样的中值滤波能有效地滤除偶然偶然型干扰脉冲型干扰脉冲（作用时间短、幅值大），若干扰（作用时间短、幅值大），若干扰信号作用时间相对较长（大于采样时间），则信号作用时间相对较长（大于采样时间），则无能为力。无能为力。中值滤波中值滤波中值滤波中值滤波设有设有N N次采样值，排序后得次采样值，排序后得去掉去掉最大值最大值X XN N和和最小值最小值X X1 1，剩下的取算术平均值即，剩下的取算术平均值即为滤波后的为滤波后的Y Y值。值。中值平均滤波是中值平均滤波是中值滤波中值滤波和和算术平均值滤算术平均值滤波波的结合，既能滤除偶然型干扰脉冲，又能平的结合，既能滤除偶然型干扰脉冲，又能平滑滤波，但程序较为复杂，运算量较大。滑滤波，但程序较为复杂，运算量较大。中值平均滤波中值平均滤波中值平均滤波中值平均滤波3.4 3.4 数字数字PIPI调节器调节器n n模拟模拟PIPI调节器的数字化调节器的数字化n n改进的数字改进的数字PIPI算法算法n n智能型智能型PIPI调节器调节器 一、模拟一、模拟PIPI调节器的数字化调节器的数字化 PIPI调节器是电力拖动自动控制系统中最常调节器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器，在微机数字控制系统中，当用的一种控制器，在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法。数字控制器的算法。1 1 1 1、模拟调节器的数字化、模拟调节器的数字化、模拟调节器的数字化、模拟调节器的数字化2 2 2 2、PIPIPIPI调节器的传递函数调节器的传递函数调节器的传递函数调节器的传递函数PI调节器时域表达式调节器时域表达式3 3 3 3、PIPIPIPI调节器的差分方程调节器的差分方程调节器的差分方程调节器的差分方程将上式离散化成差分方程，其第将上式离散化成差分方程，其第 k 拍输出为拍输出为4 4 4 4、数字、数字、数字、数字PIPIPIPI调节器算法调节器算法调节器算法调节器算法 算法特点算法特点：比例部分只与当前的偏差有关，比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的累积。而积分部分则是系统过去所有偏差的累积。位置式位置式PIPI调节器的结构清晰，调节器的结构清晰，P P和和I I两部分作两部分作用分明，参数调整简单明了，但需要存储的数据用分明，参数调整简单明了，但需要存储的数据较多。较多。位置式算法位置式算法位置式算法位置式算法数字数字PI调节调节位置式数字位置式数字PIPI调节器程序框图调节器程序框图计算偏差计算偏差e(k)uI(k)=KITsame(k)+uI(k-1)uI(k)um?Nu(k)=Kpe(k)+uI(k)uI(k)um?YuI(k)=umu(k)=umYu(k)-um?NYuI(k)=-umYu(k)=-um结束结束N 增量式算法增量式算法增量式算法增量式算法5 5 5 5、限幅值设置、限幅值设置、限幅值设置、限幅值设置 不考虑限幅时，位置式和增量式两种算不考虑限幅时，位置式和增量式两种算法完全等同，考虑限幅则两者略有差异。增法完全等同，考虑限幅则两者略有差异。增量式量式PIPI调节器算法只需调节器算法只需输出限幅输出限幅，而位置式，而位置式算法必须同时设算法必须同时设积分限幅积分限幅和和输出限幅输出限幅，缺一，缺一不可。不可。积分分离算法积分分离算法 分段分段PIPI算法算法 积分量化误差的消除积分量化误差的消除 二、改进的数字二、改进的数字PIPI算法算法1 1 1 1、积分分离算法、积分分离算法、积分分离算法、积分分离算法 在在PIPI调节器中，比例部分能快速响应控制作用；调节器中，比例部分能快速响应控制作用；积分部分是偏差的积累，能最终消除稳态误差。在模积分部分是偏差的积累，能最终消除稳态误差。在模拟拟PIPI调节器中，只要有偏差存在，调节器中，只要有偏差存在，P P和和I I就同时起作用。就同时起作用。因此，在满足快速调节功能的同时，不可避免的带来因此，在满足快速调节功能的同时，不可避免的带来过大的过大的退饱和超调退饱和超调，严重时将导致，严重时将导致系统振荡系统振荡。引入原因引入原因引入原因引入原因 在微机数字控制系统中，把在微机数字控制系统中，把P P和和I I分开。当偏差大分开。当偏差大时，只让比例部分起作用，以快速减少偏差；当偏时，只让比例部分起作用，以快速减少偏差；当偏差降低到一定程度后，再将积分作用投入，既可最差降低到一定程度后，再将积分作用投入，既可最终消除稳态偏差，又能避免较大的退饱和超调。终消除稳态偏差，又能避免较大的退饱和超调。基本思想基本思想基本思想基本思想 算法表达式算法表达式算法表达式算法表达式2 2 2 2、分段、分段、分段、分段PIPIPIPI算法算法算法算法 双闭环直流调速系统中，电流调节器的作用之双闭环直流调速系统中，电流调节器的作用之一是一是克服反电势的扰动克服反电势的扰动。在转速变化过程中，必。在转速变化过程中，必须依靠积分作用抑制反电动势，使电枢电流快速须依靠积分作用抑制反电动势，使电枢电流快速跟随给定值，以保证最大的起、制动电流。跟随给定值，以保证最大的起、制动电流。因此在转速偏差较大时，电流调节器应选用因此在转速偏差较大时，电流调节器应选用较较大的大的K KP P和和K KI I参数参数，使实际电流能迅速跟随给定值；，使实际电流能迅速跟随给定值；在转速偏差较小时，过大的在转速偏差较小时，过大的K KP P和和K KI I又将导致输出电又将导致输出电流的振荡，增加转速调节器的负担，严重时还将流的振荡，增加转速调节器的负担，严重时还将导致导致转速的振荡转速的振荡。引入原因引入原因引入原因引入原因 算法表达式算法表达式算法表达式算法表达式 分段分段PIPI算法可以解决动态跟随性和稳算法可以解决动态跟随性和稳定性的矛盾，其表达式与定性的矛盾，其表达式与位置式算法表达位置式算法表达式式一致，但有两套或多套一致，但有两套或多套PIPI参数。参数。积分量化误差的产生积分量化误差的产生积分量化误差的产生积分量化误差的产生 3 3 3 3、积分量化误差的消除、积分量化误差的消除、积分量化误差的消除、积分量化误差的消除 积分部分是偏差的积累，当采样周期积分部分是偏差的积累，当采样周期T Tsamsam较小，且偏差较小，且偏差e e(k k)也较小时，当前的积分项也较小时，当前的积分项K KI IT Tsamsame e(k k)可能很小，在运算时被计算机整量可能很小，在运算时被计算机整量化而舍掉，从而产生积分量化误差。化而舍掉，从而产生积分量化误差。扩大运算变量的字长，提高计算精度和分辨扩大运算变量的字长，提高计算精度和分辨率（缺点：使存储空间和运算复杂程度成倍增率（缺点：使存储空间和运算复杂程度成倍增加）；加）；只增加积分项的有效字长，并将它分为整数只增加积分项的有效字长，并将它分为整数与尾数两部分，整数与比例部分构成调节器输与尾数两部分，整数与比例部分构成调节器输出，尾数保留下来作为下一拍累加的基数值出，尾数保留下来作为下一拍累加的基数值（优点：减小积分量化误差，而存储空间和运（优点：减小积分量化误差，而存储空间和运算复杂程度增加的并不多）。算复杂程度增加的并不多）。积分量化误差的减小积分量化误差的减小积分量化误差的减小积分量化误差的减小三、智能型三、智能型PIPI调节器调节器 利用计算机丰富的逻辑判断和数值运算利用计算机丰富的逻辑判断和数值运算功能，功能，数字控制器不仅能够实现模拟控制数字控制器不仅能够实现模拟控制器的数字化，而且可以突破模拟控制器只器的数字化，而且可以突破模拟控制器只能完成线性控制规律的局限，完成各类能完成线性控制规律的局限，完成各类非非线性控制线性控制、自适应控制自适应控制乃至乃至智能控制智能控制等等，等等，大大拓宽了控制规律的实现范畴。大大拓宽了控制规律的实现范畴。1 1 1 1、主要的智能控制方法、主要的智能控制方法、主要的智能控制方法、主要的智能控制方法n n专家系统专家系统n n模糊控制模糊控制n n神经网络控制神经网络控制2 2 2 2、智能控制特点、智能控制特点、智能控制特点、智能控制特点 控制算法不依赖或不完全依赖于对象控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，因而系统具有较强的模型，因而系统具有较强的鲁棒性鲁棒性（控制控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性（维持某些性能的特性（robust）和对和对环境的环境的适应性适应性。转速的偏差以及偏差的微分和积分分别转速的偏差以及偏差的微分和积分分别代表了系统输出的当前、将来和过去的三种代表了系统输出的当前、将来和过去的三种状态，而调节器输出限幅值则代表了系统消状态，而调节器输出限幅值则代表了系统消除偏差的能力。合理的综合这些信号，在系除偏差的能力。合理的综合这些信号，在系统允许的条件下，尽快消除转速偏差，又不统允许的条件下，尽快消除转速偏差，又不产生或少产生超调，可使系统达到最佳运行产生或少产生超调，可使系统达到最佳运行状态。状态。3 3 3 3、一类智能型、一类智能型、一类智能型、一类智能型PIPIPIPI调节器的结构调节器的结构调节器的结构调节器的结构 控制思想控制思想控制思想控制思想 结构原理结构原理结构原理结构原理 智能型智能型PIPI调节器控制系统的调节器控制系统的响应速度响应速度快快、超调量小超调量小、动态性能指标优秀动态性能指标优秀，且动，且动态性能仅取决于系统的实际偏差及其变化态性能仅取决于系统的实际偏差及其变化率，与控制对象的参数无关，因而率，与控制对象的参数无关，因而鲁棒性鲁棒性很强很强。4 4 4 4、智能型、智能型、智能型、智能型PIPIPIPI调节器控制系统优点调节器控制系统优点调节器控制系统优点调节器控制系统优点3.5 3.5 按离散控制系统设计数字控制器按离散控制系统设计数字控制器（自自自自学学学学）n系统数学模型系统数学模型n数字调节器设计数字调节器设计n控制软件设计控制软件设计3.6 3.6 数字控制系统的故障检测、保护与自诊断数字控制系统的故障检测、保护与自诊断 利用计算机的利用计算机的逻辑判断逻辑判断与与数值运算数值运算功能，对功能，对实时采样的数据进行必要的处理和分析；利用实时采样的数据进行必要的处理和分析；利用故故障诊断模型障诊断模型或或专家知识库专家知识库进行推理，对故障类型进行推理，对故障类型或故障发生处做出正确的判断。或故障发生处做出正确的判断。1 1 1 1、计算机数字控制系统优点、计算机数字控制系统优点、计算机数字控制系统优点、计算机数字控制系统优点实现控制实现控制（手段灵活、可靠性高）；（手段灵活、可靠性高）；实现故障实现故障（外部或内部）（外部或内部）自诊断自诊断。2 2 2 2、故障自诊断、故障自诊断、故障自诊断、故障自诊断一、故障检测一、故障检测1 1 1 1、供电电源故障检测、供电电源故障检测、供电电源故障检测、供电电源故障检测过电压、欠电压故障判断过电压、欠电压故障判断缺相故障判断缺相故障判断 2 2 2 2、过电流、过载故障检测、过电流、过载故障检测、过电流、过载故障检测、过电流、过载故障检测转速转速n n超过最高限定转速超过最高限定转速n nmaxmax时，出现超速故障。时，出现超速故障。3 3 3 3、失磁故障检测、失磁故障检测、失磁故障检测、失磁故障检测检测励磁电流检测励磁电流I If f，当，当I If fI Ifminfmin时，出现失磁故障。时，出现失磁故障。4 4 4 4、超速故障、超速故障、超速故障、超速故障二、故障保护二、故障保护 进入故障保护中断程序，锁存故障信进入故障保护中断程序，锁存故障信号，禁止号，禁止UPEUPE驱动信号输出，通过外围电路驱动信号输出，通过外围电路显示故障类型，并同时产生声、光等报警显示故障类型，并同时产生声、光等报警信号。信号。1 1 1 1、硬件保护、硬件保护、硬件保护、硬件保护 快速封锁功率变换器快速封锁功率变换器UPEUPE的驱动信号，的驱动信号，并将并将UPEUPE与供电电源断开。与供电电源断开。2 2 2 2、软件保护、软件保护、软件保护、软件保护三、故障自诊断三、故障自诊断