運動控制系統(tǒng) 3直流調速系統(tǒng)的數(shù)字控制【課件】

直流調速系統(tǒng)的數(shù)字控制第3章電力拖動自動控制系統(tǒng)9/26/2023自動控制系統(tǒng)直流調速系統(tǒng)的數(shù)字控制第3章電力拖動自動控制系統(tǒng)8/1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)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件數(shù)字測速與濾波數(shù)字PI調節(jié)器用離散控制系統(tǒng)設計數(shù)字控制器9/26/2023自動控制系統(tǒng)內(nèi)容提要微型計算機數(shù)字控制的主要特點8/8/2023自動控23.0問題的提出前兩章中論述了直流調速系統(tǒng)的基本規(guī)律和設計方法，所有的調節(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，便于學習入門，但其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復雜、通用性差，控制效果受到器件的性能、溫度等因素的影響。9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.0問題的提出前兩章中論述了直流調速系3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雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調節(jié)的最優(yōu)化、自適應、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來靈活方便。9/26/2023自動控制系統(tǒng)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4

3.1微型計算機數(shù)字控制的主要特點總之，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：9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.1微型計算機數(shù)字控制的主要特點總之，5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9/26/2023自動控制系統(tǒng)離散化：Otf(t)原信號Onf(nT)1234…采樣8/86數(shù)字化：采樣后得到的離散信號本質上還是模擬信號，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，將它轉換成數(shù)字信號，這就是數(shù)字化。數(shù)字化OnN(nT)9/26/2023自動控制系統(tǒng)數(shù)字化：數(shù)字化OnN(nT)8/8/2023自動控制系統(tǒng)7離散化和數(shù)字化的負面效應離散化和數(shù)字化的結果導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：

（1）A/D轉換的量化誤差：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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)離散化和數(shù)字化的負面效應離散化和數(shù)字化的結果導致8（2）D/A轉換的滯后效應：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)模轉換器D/A和保持器將它轉換為連續(xù)的模擬量，再經(jīng)放大后驅動被控對象。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，甚至會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。9/26/2023自動控制系統(tǒng)（2）D/A轉換的滯后效應：經(jīng)過計算機運算和處理9隨著微電子技術的進步，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需要在系統(tǒng)分析中引起重視，并在系統(tǒng)設計中予以解決。

返回目錄9/26/2023自動控制系統(tǒng)隨著微電子技術的進步，微處理器的運算速度不斷提高，103.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)

的硬件和軟件

3.2.0系統(tǒng)組成方式

數(shù)字控制直流調速系統(tǒng)的組成方式大致可分為三種：1.數(shù)模混合控制系統(tǒng)2.數(shù)字電路控制系統(tǒng)3.計算機控制系統(tǒng)9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)

111.數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)U*nUnU*iUcUi-數(shù)字電路~--9/26/2023自動控制系統(tǒng)1.數(shù)模混合控制系統(tǒng)U*nUnU*iUcUi-數(shù)字電路~-12數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)特點：轉速采用模擬調節(jié)器，也可采用數(shù)字調節(jié)器；電流調節(jié)器采用數(shù)字調節(jié)器；脈沖觸發(fā)裝置則采用模擬電路。9/26/2023自動控制系統(tǒng)數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)特點：8/8/2023自動控制132.數(shù)字電路控制系統(tǒng)數(shù)字電路主電路--~U*nUnU*iUiUc9/26/2023自動控制系統(tǒng)2.數(shù)字電路控制系統(tǒng)數(shù)字電路主電路--~U*nUnU*iU14數(shù)字電路控制系統(tǒng)特點：除主電路和功放電路外，轉速、電流調節(jié)器，以及脈沖觸發(fā)裝置等全部由數(shù)字電路組成。9/26/2023自動控制系統(tǒng)數(shù)字電路控制系統(tǒng)特點：8/8/2023自動控制153.計算機控制系統(tǒng)主電路微機控制電路-~U*nUnUiU*iUc9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.計算機控制系統(tǒng)主電路微機控制電路-~U*nUnUiU*16

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)結構，采用微機控制；全數(shù)字電路，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉速給定和檢測；采用數(shù)字PI算法，由軟件實現(xiàn)轉速、電流調節(jié)。9/26/2023自動控制系統(tǒng)在數(shù)字裝置中，由計算機軟硬件實現(xiàn)其功能，即為計算173.2.1微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的

硬件結構

微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)硬件結構如圖3-4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9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.2.1微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的

18圖3-4微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)硬件結構圖

9/26/2023自動控制系統(tǒng)圖3-4微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)硬件結構圖19主回路——微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(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9/26/2023自動控制系統(tǒng)主回路——微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)主電路中的UPE有兩20檢測回路——檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉速檢測，其中：電壓、電流和溫度檢測由A/D轉換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機；轉速檢測用數(shù)字測速。9/26/2023自動控制系統(tǒng)檢測回路——檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉速檢測，其中：8211.轉速檢測

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，在調速系統(tǒng)中（尤其在可逆系統(tǒng)中），轉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換為單極性電壓信號，經(jīng)A/D轉換后得到的數(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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)1.轉速檢測轉速檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法：822（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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)（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23測速基本方式9/26/2023自動控制系統(tǒng)測速基本方式8/8/2023自動控制系統(tǒng)242.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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)2.電流和電壓檢測電流和電壓檢測除了用來構25電流檢測方法（1）電流互感器~9/26/2023自動控制系統(tǒng)電流檢測方法（1）電流互感器~8/8/2023自動控制系統(tǒng)26（2）霍爾效應電流變換器

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。R1R0A1R0R1UHIdIcUi9/26/2023自動控制系統(tǒng)（2）霍爾效應電流變換器R1R0A1R0R1UHIdIcUi27信號隔離與轉換R1RoR2R3R4UBR5R6UiaUi9/26/2023自動控制系統(tǒng)信號隔離與轉換R1RoR2R3R4UBR5R6UiaUi828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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)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29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計的微處理器，本身都帶有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，可大大簡化數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。9/26/2023自動控制系統(tǒng)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30

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，可以是撥盤設定、鍵盤設定或采用通信方式由上位機直接發(fā)送見下圖。9/26/2023自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)給定——系統(tǒng)給定有兩種方式：8/8/2023自動控制系31a)模擬給定

b)數(shù)字給定

9/26/2023自動控制系統(tǒng)a)模擬給定b)數(shù)字給定8/8/2023自動控制系統(tǒng)32鍵盤與顯示電路9/26/2023自動控制系統(tǒng)鍵盤與顯示電路8/8/2023自動控制系統(tǒng)33輸出變量——微機數(shù)字控制器的控制對象是功率變換器，可以用開關量直接控制功率器件的通斷，也可以用經(jīng)D/A轉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。

9/26/2023自動控制系統(tǒng)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343.2.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.2.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的

351.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定、系統(tǒng)運行參數(shù)和變量的初始化等。初始化子程序框圖見圖3-6。9/26/2023自動控制系統(tǒng)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，36圖3-5主程序框圖

圖3-6初始化子程序框圖

9/26/2023自動控制系統(tǒng)圖3-5主程序框圖圖3-6初始化子程序框圖8/8/373．中斷服務子程序

中斷服務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調節(jié)等,中斷服務子程序由相應的中斷源提出申請，CPU實時響應。轉速調節(jié)中斷服務子程序電流調節(jié)中斷服務子程序故障保護中斷服務子程序

9/26/2023自動控制系統(tǒng)3．中斷服務子程序中斷服務子程序完成實時性強38圖3-7轉速調節(jié)中斷服務子程序框圖

圖3-8電流調節(jié)中斷服務子程序框圖

圖3-9故障保護中斷服務子程序框圖

9/26/2023自動控制系統(tǒng)圖3-7轉速調節(jié)中斷圖3-8電流調節(jié)中斷圖3-9故障保39當故障保護引腳的電平發(fā)生跳變時申請故障保護中斷，而轉速調節(jié)和電流調節(jié)均采用定時中斷。三種中斷服務中，故障保護中斷優(yōu)先級別最高，電流調節(jié)中斷次之，轉速調節(jié)中斷級別最低。

返回目錄9/26/2023自動控制系統(tǒng)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403.3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9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.3數(shù)字測速與濾波8/8/2023自動控制系統(tǒng)41

3.3.1數(shù)字測速指標（1）分辯率：

設被測轉速由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/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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.3.1數(shù)字測速指標（1）分辯率：8/8/2023自動42（2）測速精度測速精度是指測速裝置對實際轉速測量的精確程度，常用測量值與實際值的相對誤差來表示，即測量誤差

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。（3-7）

9/26/2023自動控制系統(tǒng)（2）測速精度測速精度是指測速裝置對實際轉速測量的43（3）檢測時間Tc

：

檢測時間是指兩次轉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)響應越快，對改善系統(tǒng)性能越有利。9/26/2023自動控制系統(tǒng)（3）檢測時間Tc：8/8/2023自動控制系統(tǒng)44

3.3.2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。旋轉編碼器測速原理如下圖所示9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.3.2數(shù)字測速方法1.旋轉編碼器8/8/2023自45光電轉換9/26/2023自動控制系統(tǒng)光電轉換8/8/2023自動控制系統(tǒng)46增量式旋轉編碼器

——帶Z1軌道的園刻度9/26/2023自動控制系統(tǒng)增量式旋轉編碼器

——帶Z1軌道的園刻度8/8/2023自動47旋轉編碼器的檢測原理9/26/2023自動控制系統(tǒng)旋轉編碼器的檢測原理8/8/2023自動控制系統(tǒng)48旋轉編碼器檢測信號的處理9/26/2023自動控制系統(tǒng)旋轉編碼器檢測信號的處理8/8/2023自動控制系統(tǒng)492.測速原理由光電式旋轉編碼器產(chǎn)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（P/D）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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)2.測速原理由光電式旋轉編碼器產(chǎn)生與被測轉速503.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計算出對應的轉速值n。測速原理與波形圖9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.M法測速工作原理：測速原理與波形圖8/8/20251計算公式式中Z為PLG每轉輸出的脈沖個數(shù)；M法測速的分辨率

（3-1）9/26/2023自動控制系統(tǒng)計算公式（3-1）8/8/2023自動控制系統(tǒng)52M法測速誤差率在上式中，Z和Tc

均為常值，因此轉速n正比于脈沖個數(shù)。高速時Z大，量化誤差較小，隨著轉速的降低誤差增大，轉速過低時將小于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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)M法測速誤差率8/8/2023自動控制系統(tǒng)534.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9/26/2023自動控制系統(tǒng)4.T法測速工作原理：電路與波形8/8/2023自動控制系54計算公式T法測速的分辨率

（3-2）9/26/2023自動控制系統(tǒng)計算公式（3-2）8/8/2023自動控制系統(tǒng)55Ｔ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。

9/26/2023自動控制系統(tǒng)Ｔ法測速誤差率8/8/2023自動控制系統(tǒng)56M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。既檢測Tc

時間內(nèi)旋轉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，用來計算轉速，稱作M/T法測速。

兩種測速方法的比較9/26/2023自動控制系統(tǒng)M法測速在高速段分辨率強；兩種測速方法的比較8/8/202575.M/T法測速電路結構：9/26/2023自動控制系統(tǒng)5.M/T法測速電路結構：8/8/2023自動控制系統(tǒng)58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：9/26/2023自動控制系統(tǒng)工作原理：波形圖：8/8/2023自動控制系統(tǒng)59M/T法數(shù)字測速軟件

9/26/2023自動控制系統(tǒng)M/T法數(shù)字測速軟件8/8/2023自動控制系統(tǒng)60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速范圍內(nèi)，具有較高的測速精度。（3-3）9/26/2023自動控制系統(tǒng)計算公式（3-3）8/8/2023自動控制系統(tǒng)61小結由于M/T法的計數(shù)值M1和M2都隨著轉速的變化而變化，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法測速能適用的轉速范圍明顯大于前兩種。是目前廣泛應用的一種測速方法。返回目錄9/26/2023自動控制系統(tǒng)小結由于M/T法的計數(shù)值M1和M2都隨著轉623.4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

9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.4數(shù)字PI調節(jié)器模擬PI調節(jié)器的數(shù)字化8/8/2023633.4.1模擬PI調節(jié)器的數(shù)字化

PI調節(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)的設計方法設計調節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調節(jié)器的數(shù)字化。

9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.4.1模擬PI調節(jié)器的數(shù)字化PI64PI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)

（3-13）（3-14）9/26/2023自動控制系統(tǒng)PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)（3-13）（3-14）8/8/20265PI調節(jié)器的差分方程將上式離散化成差分方程，其第k拍輸出為式中Tsam為采樣周期（3-15）9/26/2023自動控制系統(tǒng)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66數(shù)字PI調節(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，算法特點是：比例部分只與當前的偏差有關，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。位置式PI調節(jié)器的結構清晰，P和I兩部分作用分明，參數(shù)調整簡單明了，但需要存儲的數(shù)據(jù)較多。9/26/2023自動控制系統(tǒng)數(shù)字PI調節(jié)器算法有位置式和增量式兩種算法：67增量式PI調節(jié)器算法PI調節(jié)器的輸出可由下式求得

（3-17）（3-18）9/26/2023自動控制系統(tǒng)增量式PI調節(jié)器算法（3-17）（3-18）8/8/202368限幅值設置

與模擬調節(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調節(jié)器算法只需輸出限幅，而位置式算法必須同時設積分限幅和輸出限幅，缺一不可。9/26/2023自動控制系統(tǒng)限幅值設置與模擬調節(jié)器相似，在數(shù)字控制算法中，需69算法流程9/26/2023自動控制系統(tǒng)算法流程8/8/2023自動控制系統(tǒng)703.4.2改進的數(shù)字PI算法

PI調節(jié)器的參數(shù)直接影響著系統(tǒng)的性能指標。在高性能的調速系統(tǒng)中，有時僅僅靠調整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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.4.2改進的數(shù)字PI算法PI調71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

9/26/2023自動控制系統(tǒng)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721.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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)1.積分分離算法基本思想：8/8/2023自動控制系統(tǒng)732.積分分離算法積分分離算法表達式為（3-19）

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。

9/26/2023自動控制系統(tǒng)2.積分分離算法積分分離算法表達式為（3-19）其中743.4.3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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.4.3智能型PI調節(jié)器由上述對數(shù)字PI算75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9/26/2023自動控制系統(tǒng)主要的智能控制方法：返回目錄8/8/2023自動控制系統(tǒng)763.5按離散控制系統(tǒng)設計數(shù)字控制器

系統(tǒng)數(shù)學模型數(shù)字調節(jié)器設計控制軟件設計9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.5按離散控制系統(tǒng)設計數(shù)字控制器系統(tǒng)數(shù)學模型8/8773.5.1系統(tǒng)數(shù)學模型U*nUnUiUi*TsamIdIdLUd09/26/2023自動控制系統(tǒng)3.5.1系統(tǒng)數(shù)學模型U*nUnUiUi*TsamId78系統(tǒng)模型中：轉速、電流調節(jié)器均采用數(shù)字式PI調節(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。（3-25）

9/26/2023自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)模型中：（3-25）8/8/2023自動控制系統(tǒng)79系統(tǒng)簡化如果采用工程設計法，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：K

n*TsamTsamIdIdL9/26/2023自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)簡化如果采用工程設計法，將電流內(nèi)環(huán)矯正為典型80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

轉速反饋通道傳遞函數(shù)其中K

為轉速存儲系數(shù)

（3-23）

（3-24）

9/26/2023自動控制系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)的等效傳遞函數(shù)（3-23）（3-24）8/8/2813.5.2數(shù)字控制系統(tǒng)分析和設計方法（1）連續(xù)系統(tǒng)設計方法

在微機數(shù)字控制調速系統(tǒng)的設計中，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)理論來設計調節(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)的設計方法，或稱間接設計法。9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.5.2數(shù)字控制系統(tǒng)分析和設計方法（1）連續(xù)系統(tǒng)設82Shannon采樣定理根據(jù)Shannon采樣定理，采樣頻率fsam應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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)Shannon采樣定理根據(jù)Shannon83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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)但實際系統(tǒng)中信號的最高頻率很難確定，尤84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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)采樣頻率的確定在一般情況下，可以令采樣周期Tmi85采樣定理用法在直流調速系統(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。因此電流調節(jié)器一般都可以采用間接方法設計，即先按連續(xù)控制系統(tǒng)設計，然后再將得到的調節(jié)器數(shù)字化。9/26/2023自動控制系統(tǒng)采樣定理用法在直流調速系統(tǒng)中，電樞電流的時間常數(shù)較小，電流86至于轉速環(huán)，由于系統(tǒng)的動態(tài)性能往往對轉速環(huán)截止頻率的大小有一定要求，不能太低。但轉速控制有時比較復雜，占用的機時較長，因而轉速環(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)設計誤差較大時，就應按照離散控制系統(tǒng)來設計轉速調節(jié)器。9/26/2023自動控制系統(tǒng)至于轉速環(huán)，由于系統(tǒng)的動態(tài)性能往往對轉速環(huán)截止頻率的大小有一87（2）數(shù)字系統(tǒng)設計方法：先將系統(tǒng)對象離散化，按數(shù)字系統(tǒng)直接設計數(shù)字調節(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9/26/2023自動控制系統(tǒng)（2）數(shù)字系統(tǒng)設計方法：8/8/2023自動控制系統(tǒng)88Z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9/26/2023自動控制系統(tǒng)Z變換方法連續(xù)系統(tǒng)Z變換ReIm1-1離散系統(tǒng)Z平面ReI89W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發(fā)生了畸變。9/26/2023自動控制系統(tǒng)W變換方法ReIm1-1W變換Z平面ReImW平面離散系統(tǒng)90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在高采樣頻率和低角頻率時相似。9/26/2023自動控制系統(tǒng)擴展W變換方法ReImW’平面ReImW平面W’變換離散系913.5.3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)(3-27)

其中將兩個小慣性環(huán)節(jié)合并，T∑n=Ton+2T∑i9/26/2023自動控制系統(tǒng)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92則其中(3-28)

9/26/2023自動控制系統(tǒng)則(3-28)8/8/2023自動控制系統(tǒng)93z變換過程應用z變換線性定理得再應用z變換平移定理，得

(3-29)

9/26/2023自動控制系統(tǒng)z變換過程應用z變換線性定理得(3-29)8/8/20294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(3-30)

9/26/2023自動控制系統(tǒng)控制對象離散傳遞函數(shù)(3-30)8/8/2023自動控制系95其中9/26/2023自動控制系統(tǒng)其中8/8/2023自動控制系統(tǒng)96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。9/26/2023自動控制系統(tǒng)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973.5.4數(shù)字調節(jié)器設計

模擬系統(tǒng)的轉速調節(jié)器一般為PI調節(jié)器，比例部分起快速調節(jié)作用，積分部分消除穩(wěn)態(tài)偏差。數(shù)字調節(jié)器也應具備同樣的功能，因此仍選用PI型數(shù)字調節(jié)器。這里，設計方法采用數(shù)字頻域法。9/26/2023自動控制系統(tǒng)3.5.4數(shù)字調節(jié)器設計模擬系統(tǒng)的轉速98數(shù)字頻域法設計步驟（1）通過Z變換，將連續(xù)的被控對象模型轉換成離散系統(tǒng)模型；（2）通過W變換和W’變換，將離散系統(tǒng)的z域模型轉換成頻域模型；（3）采用頻域設計方法，進行系統(tǒng)設計。這時，可利用s域的經(jīng)典頻域設計法，比如，