電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第4課

1電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)課程孔維健信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院TelEmail：kongweijian@2本課內(nèi)容提綱4.1數(shù)字化原理4.2數(shù)字控制的直流調(diào)速系統(tǒng)軟硬件4.3數(shù)字測(cè)速與濾波4.4數(shù)字PI調(diào)節(jié)器4.5故障診斷與保護(hù)34.1數(shù)字化原理硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高，不受器件溫度漂移的影響；進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的控制規(guī)律，……控制軟件更改靈活方便。具有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能。1、數(shù)字控制的特點(diǎn)4Otf(t)原信號(hào)Onf(nT)1234…采樣1）離散化

對(duì)模擬的連續(xù)信號(hào)采樣形成一連串的脈沖信號(hào)，即離散的模擬信號(hào)，這就是離散化。4.1數(shù)字化原理2、信號(hào)數(shù)字化52）

采樣與采樣頻率采樣過(guò)程：在連續(xù)系統(tǒng)設(shè)置采樣開(kāi)關(guān)，使采樣開(kāi)關(guān)合上的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于斷開(kāi)的時(shí)間，即可將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)的脈沖信號(hào)。采樣頻率：根據(jù)Shannon采樣定理，fsam應(yīng)不小于信號(hào)最高頻率fmax的2倍，即fsam≥2fmax這樣，經(jīng)采樣及保持后，原信號(hào)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(shè)置

實(shí)際系統(tǒng)中信號(hào)的最高頻率很難確定，尤其對(duì)非周期性信號(hào)（系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程），其頻譜為0至∞的連續(xù)函數(shù)，最高頻率理論上為無(wú)窮大。因此，難以直接用采樣定理來(lái)確定系統(tǒng)的采樣頻率。73）工程上采樣頻率的設(shè)置（續(xù)）

在一般情況下，可以令采樣周期Tmin為控制對(duì)象的最小時(shí)間常數(shù)。或用采樣角頻率samc為控制系統(tǒng)的截止頻率。84）數(shù)字化

離散信號(hào)經(jīng)保持器保持后，還須經(jīng)過(guò)數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來(lái)逼近離散的模擬信號(hào)。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(fù)面效應(yīng)

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

負(fù)面效應(yīng)：

A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差，影響控制精度和平滑性。

D/A轉(zhuǎn)換的滯后效應(yīng)，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。104.2數(shù)字控制的直流調(diào)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(shè)備）微機(jī)控制：除了帶有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(cè)速和PWM生成功能。如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等。13

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2）數(shù)字控制器（續(xù)1）14主程序

完成實(shí)時(shí)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(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化等。16中斷服務(wù)子程序

實(shí)時(shí)性強(qiáng)，由相應(yīng)的中斷源提出申請(qǐng)，CPU實(shí)時(shí)響應(yīng)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序（中斷級(jí)別最低）電流調(diào)節(jié)中斷子程序（中斷級(jí)別居中）故障保護(hù)中斷子程序（優(yōu)先級(jí)別最高）17轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序轉(zhuǎn)速反饋轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)啟動(dòng)測(cè)速18故障保護(hù)中斷子程序封鎖PWM輸出分析故障原因顯示故障并報(bào)警193）檢測(cè)反饋

輸出量檢測(cè)的作用：構(gòu)成反饋控制，保護(hù)和故障診斷信息的來(lái)源。1）轉(zhuǎn)速檢測(cè)：模擬和數(shù)字檢測(cè)方法。2）電流和電壓檢測(cè)：檢測(cè)后由A/D轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)。20

轉(zhuǎn)速檢測(cè)有模擬和數(shù)字兩種檢測(cè)方法：

（1）模擬測(cè)速一般采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，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。

（2）對(duì)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(cè)速，即數(shù)字測(cè)速。21電流和電壓檢測(cè)

電流和電壓檢測(cè)除了用來(lái)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(lái)源。電流、電壓信號(hào)也存在幅值和極性的問(wèn)題，需經(jīng)過(guò)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。22霍爾效應(yīng)電流變換器

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

改變一個(gè)計(jì)數(shù)字所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量來(lái)表示分辨率Q。

Q越小，測(cè)速裝置的分辯能力越強(qiáng)。2525（2）測(cè)速誤差率

測(cè)量值與實(shí)際值的相對(duì)誤差來(lái)表示，

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

在數(shù)字測(cè)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(cè)元件。光電轉(zhuǎn)換2727旋轉(zhuǎn)編碼器

光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測(cè)元件。

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖

2828兩對(duì)發(fā)光與接收裝置，錯(cuò)開(kāi)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(zhuǎn)方向的A、B兩組脈沖序列若碼盤光柵數(shù)為N，則轉(zhuǎn)速分辨率為1/N；常見(jiàn)光柵數(shù)1024、2048、4096采用倍頻電路可以有效地提高轉(zhuǎn)速分辨率四倍頻電路29292）測(cè)速原理

由光電式旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，測(cè)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)字轉(zhuǎn)換方法：（1）M法—脈沖直接計(jì)數(shù)方法；（2）T法—脈沖時(shí)間計(jì)數(shù)方法；（3）M/T法—脈沖時(shí)間混合計(jì)數(shù)方法。30303.3.3M法測(cè)速PLG倍頻電路BusZ

記錄Tc時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)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(cè)速原理與波形圖Counter3131M法測(cè)速的分辨率和誤差率M法測(cè)速適用于高速。分辨率:誤差率:3232PLG倍頻電路ConterCPUINTnf03.3.4T法測(cè)速

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

分辨率:誤差率:

T法測(cè)速適用于低速段。

3434M法測(cè)速在高速段分辨率強(qiáng)；T法測(cè)速在低速段分辨率強(qiáng)；

因此，可以將兩種測(cè)速方法相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短。

兩種測(cè)速方法的比較3535

M/T法既檢測(cè)Tc

時(shí)間內(nèi)PLG輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，又檢測(cè)相同時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2。應(yīng)保證高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器與PLG輸出脈沖計(jì)數(shù)器同時(shí)開(kāi)啟與關(guān)閉，以減小誤差。

4.3.5M/T法測(cè)速3636M/T法測(cè)速波形圖編碼器輸出脈沖→高頻時(shí)鐘脈沖→允許計(jì)數(shù)時(shí)間→高速時(shí)，相當(dāng)于M法測(cè)速最低速時(shí)，M1=1，自動(dòng)進(jìn)入T法測(cè)速3737M/T法測(cè)速轉(zhuǎn)速計(jì)算誤差率3838M/T法測(cè)速

誤差率在低速時(shí)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(gè)高頻時(shí)鐘脈沖的誤差。故誤差率小。

M/T法測(cè)速適用的轉(zhuǎn)速范圍寬，測(cè)速精度高。3939M/T法測(cè)速軟件

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

算術(shù)平均值濾波中值濾波中值平均濾波4141(1).算術(shù)平均值濾波

優(yōu)點(diǎn)：算法簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：需要較多的采樣次數(shù)才能有明顯的平滑效果。4242加權(quán)算術(shù)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(hào)，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(shí)間短、幅值大），當(dāng)干擾信號(hào)作用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)（大于采樣時(shí)間）則無(wú)能為力。4444(3)．中值平均濾波設(shè)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(shù)平均值即為濾波后的值，

中值平均濾波是中值濾波和算術(shù)平均值濾波的結(jié)合，既能濾除偶然型干擾脈沖，又能平滑濾波，但程序較為復(fù)雜，運(yùn)算量較大。45454.4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

46464.4.1模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化

當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，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，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。

4747

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

為比例系數(shù)

KI

=1/為積分系數(shù)

4848

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拍輸出為其中，Tsam為采樣周期4949位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)器算法原理積分部分：

比例部分：

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

位置式PID控制算法的缺點(diǎn)：當(dāng)前采樣時(shí)刻的輸出與過(guò)去的各個(gè)狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，運(yùn)算量大；而且控制器的輸出u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化。5151增量式PI調(diào)節(jié)器算法PI調(diào)節(jié)器的輸出5252增量式PI調(diào)節(jié)器算法優(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(guò)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(duì)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(shí)影響范圍小、不會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)過(guò)程；③手動(dòng)—自動(dòng)切換時(shí)沖擊小。當(dāng)控制從手動(dòng)向自動(dòng)切換時(shí)，可以作到無(wú)擾動(dòng)切換。5353

限幅值設(shè)置

增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅；

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

PI調(diào)節(jié)器算法流程（位置式）55553.4.2改進(jìn)的數(shù)字PI算法

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

?當(dāng)偏差大時(shí)，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)。5757

積分分離算法積分分離算法表達(dá)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。

5858(2)．分段PI算法

分段PI算法可以解決動(dòng)態(tài)跟隨性和穩(wěn)定性的矛盾，分段PI算法的表達(dá)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(zhuǎn)速偏差的大小，在不同套的參數(shù)中進(jìn)行切換。5959設(shè)計(jì)思想

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

?在轉(zhuǎn)速偏差較小時(shí)，過(guò)大的KP和KI又將導(dǎo)致輸出電流的振蕩，增加轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的振蕩。603.4.3智能型PI調(diào)節(jié)器

由上述對(duì)數(shù)字PI算法的改進(jìn)可以使我們得到啟發(fā)，利用計(jì)算機(jī)豐富的邏輯判斷和數(shù)值運(yùn)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(shí)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(luò)控制智能控制特點(diǎn)：

控制算法不依賴或不完全依賴于對(duì)象模型，因而系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。返回目錄62624.5故障檢測(cè)、保護(hù)與自診斷

對(duì)實(shí)時(shí)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，利用故障診斷模型或?qū)＜抑R(shí)進(jìn)行推理，對(duì)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(cè)、保護(hù)與自診斷

故障檢測(cè)、保護(hù)與自診斷的前提是計(jì)算機(jī)能可靠地工作，檢測(cè)元件也正確無(wú)誤，而對(duì)于計(jì)算機(jī)和檢測(cè)元件本身的故障只能依靠人工來(lái)檢查。64643.6.1故障檢測(cè)

1.供電電源故障檢測(cè)

三相供電電源常見(jiàn)的故障為過(guò)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(zhuǎn)換輸入至計(jì)算機(jī)。數(shù)字控制系統(tǒng)定時(shí)采樣該直流電壓，并與上、下限值進(jìn)行比較，即可判斷是否出現(xiàn)過(guò)電壓或欠電壓故障。6565?缺相檢測(cè)

缺相檢測(cè)采用缺相繼電器:▼正常時(shí)，繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)打開(kāi)，缺相輸出信號(hào)為低電平；▼缺相時(shí)，繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，缺相輸出信號(hào)呈高電平。定時(shí)檢測(cè)缺相檢測(cè)輸出電路電平，即可判斷是否出現(xiàn)缺相故障。66662過(guò)電流、過(guò)載故障檢測(cè)

過(guò)電流、過(guò)載是電力拖動(dòng)控制