直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制(2)

微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要組成主電路部分

數(shù)字觸發(fā)器電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器微機(jī)控制部分?jǐn)?shù)字測(cè)速器A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法間接設(shè)計(jì)法：當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，或稱間接設(shè)計(jì)法。直接設(shè)計(jì)法：按離散系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法.3.4數(shù)字PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)：電流調(diào)節(jié)器一般用間接設(shè)計(jì)法在直流調(diào)速系統(tǒng)中，電樞電流的時(shí)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(jiǎn)單，采用較高的采樣頻率是可能的。其動(dòng)態(tài)參數(shù)的選擇方法與模擬系統(tǒng)相同，最后再將調(diào)節(jié)器離散化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一般用直接設(shè)計(jì)法。但轉(zhuǎn)速控制有時(shí)比較復(fù)雜，占用的機(jī)時(shí)較長(zhǎng)，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(jì)誤差較大時(shí)，就應(yīng)按照離散控制系統(tǒng)來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。3.4.1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。

1、

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)2、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3、數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的算法數(shù)字PI調(diào)節(jié)器有兩種算法：位置式增量式（1）位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)器算法積分部分：

比例部分：PI調(diào)節(jié)器的輸出：（2）增量式PI調(diào)節(jié)器算法PI調(diào)節(jié)器的輸出

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。位置式PI調(diào)節(jié)器算法流程圖3-173.4.2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：

①當(dāng)偏差大時(shí)，只讓比例部分起作用，以快速減少偏差；

②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)。2.積分分離算法積分分離算法表達(dá)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(diào)，常用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。

3.4.3智能型PI調(diào)節(jié)器數(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。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。3.5按離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率不能太高。3.5.1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

+-UiWASR(s)WACR(s)Ks

Tss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E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(shí)間。（3-25）

系統(tǒng)簡(jiǎn)化

如果采用工程設(shè)計(jì)法，將電流內(nèi)環(huán)矯正為典型I系統(tǒng)，則可將系統(tǒng)簡(jiǎn)化如下圖所示：

K

n*TsamTsamIdIdL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(chǔ)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(chǔ)系數(shù)（3-23）

（3-24）

先將系統(tǒng)對(duì)象離散化，按數(shù)字系統(tǒng)直接設(shè)計(jì)數(shù)字調(diào)節(jié)器。3.5.2離散數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法控制對(duì)象傳遞函數(shù)的離散化

1、控制對(duì)象連續(xù)傳遞函數(shù)(3-27)

其中將兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并，T∑n=Ton+2T∑i則其中(3-28)

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

(3-29)

2、控制對(duì)象離散傳遞函數(shù)上式展開成部分分式，對(duì)每個(gè)分式查表求z變換，再化簡(jiǎn)后得(3-30)

3.5.3數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

模擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一般為PI調(diào)節(jié)器，比例部分起快速調(diào)節(jié)作用，積分部分消除穩(wěn)態(tài)偏差。數(shù)字調(diào)節(jié)器也應(yīng)具備同樣的功能，因此仍選用PI型數(shù)字調(diào)節(jié)器。設(shè)計(jì)方法采用數(shù)字頻域法。1、數(shù)字頻域法設(shè)計(jì)步驟（1）通過Z變換，將連續(xù)的被控對(duì)象模型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成頻域模型；（3）可利用s

域的經(jīng)典頻域設(shè)計(jì)法，比如用Bode圖等系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)工具。

①離散系統(tǒng)z

域數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器脈沖傳遞函數(shù)離散系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)（3-35）

（3-36）

②

w變換過程

如果要用利用連續(xù)系統(tǒng)的對(duì)數(shù)頻率法來設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)，應(yīng)先進(jìn)行w變換，即令則（3-37）

③系統(tǒng)w

域模型——虛擬頻率傳遞函數(shù)再令

為虛擬頻率，則開環(huán)虛擬頻率傳遞函數(shù)為（3-37）

2、數(shù)字頻域設(shè)計(jì)方法

由于，經(jīng)過w變換和w

變換后，離散系統(tǒng)在w

平面上的數(shù)學(xué)模型與連續(xù)系統(tǒng)有相似的表達(dá)形式，而且在一定條件下，其虛擬頻率與s平面的系統(tǒng)角頻率相近。即w

平面相對(duì)于s平面，不僅在幾何上相似，而且在數(shù)值上相近。因此，可以在w

平面進(jìn)行類似的頻域分析和設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的開環(huán)虛擬對(duì)數(shù)頻率特性為（3-39a）

（3-39b）

其中，開環(huán)放大系數(shù)

當(dāng)控制對(duì)象及采樣頻率確定后，Kz、

2、

3

、

4均為已知常數(shù)，但

1和K0待定。現(xiàn)需要通過設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)，以確定系統(tǒng)的開環(huán)參數(shù)

1和K0，并滿足給定的系統(tǒng)性能指標(biāo)。

根據(jù)系統(tǒng)期望虛擬對(duì)數(shù)頻率特性的中頻段寬度和相角裕量，可以解出

1和K0，再進(jìn)一步得出調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)KI。可采用位置式和增量式兩種算法。

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

W變換