第03章 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第

3

章直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制本章主要內(nèi)容n

微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的主要特點(diǎn)n

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n

數(shù)字測(cè)速與濾波n

數(shù)字PI調(diào)節(jié)器n

用離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字控制器23.0

為什么研究數(shù)字實(shí)現(xiàn)？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)的特點(diǎn)：n

物理概念清晰；n

控制信號(hào)流向直觀；n

靠硬件線(xiàn)路和器件實(shí)現(xiàn)各種控制規(guī)律；n

線(xiàn)路復(fù)雜、通用性差，n

控制效果受到器件的性能、溫度等因素的影響。3數(shù)字化－－現(xiàn)代技術(shù)的大趨勢(shì)以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)n

硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高；n

制作成本低；n

不受器件溫度漂移的影響；n

利用軟件能夠進(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(xiàn)性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線(xiàn)性、智能化等控制規(guī)律；n

更改起來(lái)靈活方便。43.

1微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的主要特點(diǎn)微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)：n

穩(wěn)定性好；n

可靠性高；n

可以提高控制性能；n

擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制

系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，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：5n

離散化：為了把模擬的連續(xù)

信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，必

須首先在具有一定周

期的采樣時(shí)刻對(duì)它們

進(jìn)行實(shí)時(shí)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。O

原信號(hào)

tO

1

2

34

…

nf(nT)采樣f(t)6n

數(shù)字化：采樣后得到的離散

信號(hào)本質(zhì)上還是模擬

信號(hào)，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

近離散模擬信號(hào)的幅

值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字

信號(hào)，這就是數(shù)字化。O

n數(shù)字化N(nT)7n

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(shí)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(hào)可以有無(wú)窮多的數(shù)值，

而數(shù)碼總是有限的，會(huì)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(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算和處理后輸出的數(shù)字信號(hào)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(dòng)被控對(duì)象。但是，保持器會(huì)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。8隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，微處理器技術(shù)的發(fā)展：n8031

（CISC復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）8位nPICRISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))8位nDSP

16位，32位n

ARM

32位微處理器的運(yùn)算速度不斷提高，其位數(shù)也不斷增加，上述兩

個(gè)問(wèn)題的影響已經(jīng)越來(lái)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。93.2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3.2.0系統(tǒng)組成方式數(shù)字控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成方式大致可分為三種：1.數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)2.數(shù)字電路控制系統(tǒng)3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)10數(shù)字電路UiM--A/P1.數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)A/DD/AA/DASRACRACTAU*iU*n/

3UnUc11TG~-_數(shù)模混合控制系統(tǒng)特點(diǎn)：n

轉(zhuǎn)速采用模擬調(diào)節(jié)器，也可采用數(shù)字調(diào)節(jié)器；n

電流調(diào)節(jié)器采用數(shù)字調(diào)節(jié)器；n

脈沖觸發(fā)裝置則采用模擬電路。12D/fD~主電路數(shù)字電路控制系統(tǒng)特點(diǎn)：n

除主電路和功放電路外，轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器，以

及脈沖觸發(fā)裝置等全部由數(shù)字電路組成。2.數(shù)字電路控制系統(tǒng)PLGUc數(shù)字電路

U*i

,U*nOTAUiUnAACC13-DPM3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)ASRACR微機(jī)控制電路主電路火U*n火U*iUiUnUcPLC14~在數(shù)字裝置中，由計(jì)算機(jī)軟硬件實(shí)現(xiàn)其功

能

，即為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點(diǎn)：n

雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機(jī)控制；n

全數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測(cè)；n

采用數(shù)字PI算法，由軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)。153.2.1微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件

結(jié)構(gòu)如圖3-4所示，系統(tǒng)由以下部分組成

主電路

檢測(cè)電路

控制電路

給定電路

顯示電路16圖3-4微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖17n

主回路——微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電

路中的UPE有兩種方式：l直流PWM功率變換器l

晶閘管可控整流器n

檢測(cè)回路——檢測(cè)回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢

測(cè)，其中：l

電壓、電流和溫度檢測(cè)由

A/D轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量

送入微機(jī)；l轉(zhuǎn)速檢測(cè)用數(shù)字測(cè)速。181.

轉(zhuǎn)速檢測(cè)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)，其輸出電壓表示了轉(zhuǎn)速的大小和方向。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q，將

雙極性的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量送入微機(jī)。但偏移碼不

能直接參與運(yùn)算，必須用軟件將偏移碼變換為原

碼或補(bǔ)碼，然后進(jìn)行閉環(huán)控制。（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。19邏輯控制?測(cè)速基本方式TG

一電壓隔CPLJcplJ+5\V202.

電流和電壓檢測(cè)n

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。n

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。21~B

CU?

電流檢測(cè)方法（1）電流互感器22UUH

=KH

BIcn

KH

為霍爾常數(shù)；n

B為與被測(cè)電流

成正比的磁通密度；n

Ic

為控制電流。（2）霍爾效應(yīng)電流變換器UHA1UiR0R1IdIc23RoA/D?信號(hào)隔離與轉(zhuǎn)換R4

UiaBR3

,R5+15VUBUiR6R1R2+5\24Un

故障綜合——利用微機(jī)擁有強(qiáng)大的邏輯判斷功能，對(duì)電壓、電流、溫度等信號(hào)

進(jìn)行分析比較，若發(fā)生故障立即進(jìn)行故

障診斷，以便及時(shí)處理，避免故障進(jìn)一

步擴(kuò)大。這也是采用微機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)所在。25n

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(hào)處理器（DSP）

比如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系

列等專(zhuān)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(cè)速

和PWM生成功能，可大大簡(jiǎn)化數(shù)字控制系

統(tǒng)的硬件電路。26n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(pán)設(shè)定、鍵盤(pán)設(shè)定或

采用通信方式由上位機(jī)直接發(fā)送見(jiàn)下圖。27通

信

接

a)模擬給定

b)數(shù)字給定A/DLLL+V28A0-3INT8279D0-7CLKR0-7S0-3BCD/7段碼7LED顯示器鍵盤(pán)矩陣?人機(jī)界面：鍵盤(pán)與顯示電路8選1譯碼器8選1譯碼器CPU29883n

輸出變量——微機(jī)數(shù)字控制器的控制對(duì)象是功率

變換器，可以n

開(kāi)關(guān)量直接控制功率器件的通斷，n

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(zhuān)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(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)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。303.2.2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(lái)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：n主程序n初始化子程序n

中斷服務(wù)子程序等。311.主程序——完成實(shí)時(shí)性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實(shí)現(xiàn)n

鍵盤(pán)處理、n

刷新顯示、n

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(jiàn)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(jiàn)圖3-6。32Y圖3-5主程序框圖

圖3-6初始化子程序框圖33PWM

、全米對(duì)初始化序N3

．中斷服務(wù)子程序中斷服務(wù)子程序完成實(shí)時(shí)性強(qiáng)的功能，

如故障保護(hù)、PWM生成、狀態(tài)檢測(cè)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(qǐng)，CPU實(shí)時(shí)響應(yīng)。n

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序n

電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序n

故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序34圖3-8

電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖圖3-7轉(zhuǎn)速調(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)子程序框圖口人二中反

中反PWN1生成35當(dāng)故障保護(hù)引腳的電平發(fā)生跳變時(shí)申請(qǐng)

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(shí)中斷。三種中斷服務(wù)中，n

故障保護(hù)中斷優(yōu)先級(jí)別最高，n

電流調(diào)節(jié)中斷次之，n

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷級(jí)別最低。363.3數(shù)字測(cè)速與濾波n

數(shù)字測(cè)速指標(biāo)n

數(shù)字測(cè)速方法n

M/T法測(cè)速電路373.3.1數(shù)字測(cè)速指標(biāo)（1）分辯率：設(shè)被測(cè)轉(zhuǎn)速由

n1

變?yōu)?/p>

n2

時(shí)，引起測(cè)量計(jì)數(shù)值改變了一個(gè)字，則測(cè)速裝置的分辯率定義為Q=n1

-

n2

（轉(zhuǎn)/分）Q越小，測(cè)速裝置的分辯能力越強(qiáng)；Q越小，系統(tǒng)控制精度越高。38（2）測(cè)速精度測(cè)速精度是指測(cè)速裝置對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)速測(cè)量

的精確程度，常用測(cè)量值與實(shí)際值的相對(duì)

誤差來(lái)表示，即×

100%

（3-7）nn

測(cè)量誤差

δ越小，測(cè)速精度越高，系統(tǒng)控制

精度越高。n

δ

的大小取決于測(cè)速元件的制造精度和測(cè)速

方法。39（3）檢測(cè)時(shí)間

Tc

：檢測(cè)時(shí)間是指兩次轉(zhuǎn)速采樣之間的時(shí)間間

隔。檢測(cè)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的控制性能有很大影響。檢測(cè)時(shí)間越短，系統(tǒng)響應(yīng)越快，對(duì)改善系統(tǒng)

性能越有利。403.3.2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。旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速原理如下圖所示41?光電轉(zhuǎn)換42?增量式旋轉(zhuǎn)編碼器——帶Z1軌道的園刻度43?旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測(cè)原理44?旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)信號(hào)的處理452.

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（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(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。46工作原理：?由計(jì)數(shù)器記錄PLG發(fā)出的

脈沖信號(hào)；?

定時(shí)器每隔時(shí)間Tc

向CPU

發(fā)出中斷請(qǐng)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(duì)

應(yīng)的轉(zhuǎn)速值

n。counter0

·3.M法測(cè)速測(cè)速原理與波形圖\

BU:STcCLK47tt式中Z為PLG每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個(gè)數(shù)；n

M法測(cè)速的分辨率

cc

c48

n

計(jì)算公式（3-1）n

M法測(cè)速誤差率60

M

1

60

(M

1

?1)

ZTc在上式中，Z和

Tc

均為常值，因此轉(zhuǎn)速n

正比于脈沖個(gè)數(shù)。高速時(shí)Z大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)將小于1

，

測(cè)速裝置便不能正常工作。所以，M法測(cè)速只適用于高速段。49工作原理：n

計(jì)數(shù)器記錄來(lái)自CPU

的高頻脈沖f0；n

PLG每輸出一個(gè)脈沖，中斷電路向CPU

發(fā)出一次中斷請(qǐng)求；n

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)。CPJ4.

T

法測(cè)速中斷電路電路與波形fINTn502n

計(jì)算公式

n

T法測(cè)速的分辨率

（3-2）51n

T法測(cè)速誤差率60

f0

60

f0

ZM

2低速時(shí)，編碼器相鄰脈沖間隔時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)得的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2

多，所以誤差率小，測(cè)

速精度高，故T法測(cè)速適用于低速段。52n兩種測(cè)速方法的比較l

M法測(cè)速在高速段分辨率強(qiáng)；l

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。

既檢測(cè)

Tc

時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器

輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1

，又檢測(cè)同一時(shí)間間

隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2

，用來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)

速，稱(chēng)作M/T法測(cè)速。53SETJ

Q

K

QCGC2G2J

Q

kkounQ5.M/T法測(cè)速n

電路結(jié)構(gòu)：fostalrtPLC54Cn

工作原理：n

T0定時(shí)器控制采樣

時(shí)間；n

M1計(jì)數(shù)器記錄PLG

脈沖；n

M2計(jì)數(shù)器記錄時(shí)鐘

脈沖。n

波形圖：PL(GstartTnm255ATGG2器Tc

并介許3斷恢復(fù)現(xiàn):場(chǎng)M/T法數(shù)字測(cè)速軟件器!

2禁止:測(cè)速嗎?保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)中斷近允許:測(cè)速嗎?Y56NNY?n

檢測(cè)精度：低速時(shí)M/T法趨向于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。因此，M/T法測(cè)速可在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，具

有較高的測(cè)速精度。57

r/min

（3-3）

n

計(jì)算公式n

分辨率小

結(jié)由于M/T法的計(jì)數(shù)值M1和M2都隨著轉(zhuǎn)

速的變化而變化，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。因此M/T法測(cè)速能適用的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩種。是目前廣泛應(yīng)用的一種

測(cè)速方法。返回目錄583.4數(shù)字PI調(diào)節(jié)器n模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化n改進(jìn)的數(shù)字PI算法n智能型PI調(diào)節(jié)器593.4.1模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化PI調(diào)節(jié)器是電力拖動(dòng)自動(dòng)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(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，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。60?PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)

=

Kpi

（3-13）n

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/τ為積分系數(shù)61?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

=KPe(k)

+

KITsame(k)

+

uI

(k?1)（3-15）式中

Tsam

為采樣周期62?數(shù)字PI調(diào)節(jié)器算法有位置式和增量式兩種算法：n

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(guò)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(jiǎn)單明了，但需要

存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)較多。63n

增量式PI調(diào)節(jié)器算法Δu(k)=u(k)

?

u(k?1)=KP

[e(k)

?

e(k?1)]+

KITsam

e(k)（3-17）PI調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得u(k)=u(k?1)+Δu(k)（3-18）64?

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(duì)

u

限幅，這里，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值um

，當(dāng)

u(k)

>um

時(shí)，便以限幅值

um作為輸出。不考慮限幅時(shí)，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(shí)設(shè)積分限幅和輸出限幅，缺一不

可。65計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的控制量設(shè)置PID參數(shù)，計(jì)算控制參數(shù)輸出控制值輸入采樣值保存偏差值?

算法流程計(jì)算偏差值開(kāi)始

)返回663.4.2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(shí)僅僅靠

調(diào)整PI參數(shù)難以同時(shí)滿(mǎn)足各項(xiàng)靜、動(dòng)態(tài)性

能指標(biāo)。采用模擬PI調(diào)節(jié)器時(shí)，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。67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681.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)。n

當(dāng)偏差大時(shí)，只讓比例部分起作用，以快

速減少偏差；n

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)。692.積分分離算法n

積分分離算法表達(dá)式為

?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。70

δ為一常值。（3-19）其中3.4.3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)?/p>

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(xiàn)性控制規(guī)律的局限，

完成各類(lèi)非線(xiàn)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。71n

主要的智能控制方法：?

專(zhuān)家系統(tǒng)?

模糊控制?

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制n

智能控制特點(diǎn)：控制算法不依賴(lài)或不完全依賴(lài)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。723.5按離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字控制器n

系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型n

數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)n

控制軟件設(shè)計(jì)73RT

smIdIdLE1/

RTls

+13.5.1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型1CeWAACcFr(Z)1

?

e

?TsamsWAaSsFr(Z)

Ui

*

U*nUd0TsamUiUn74l式中Tsam

為系統(tǒng)采樣時(shí)間。

（3-25）75系統(tǒng)模型中：n轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器均采用數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器；n

采樣環(huán)節(jié)可表示為帶放大的零階保持器

?

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：

1

Kβ

2TΣis

+11

?

e

?Tsam

ssKαT

s

+

1onRC

T

se

mASRIdLTsamTsam+?*KαnId

76n?n

電流內(nèi)環(huán)的等效傳遞函數(shù)

（3-23）其中

電流反饋系數(shù)

β?lián)Q成電流存儲(chǔ)系數(shù)Kβn

轉(zhuǎn)速反饋通道傳遞函數(shù)

（3-24）其中Kα

為轉(zhuǎn)速存儲(chǔ)系數(shù)773.5.2數(shù)字控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法（1）連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在微機(jī)數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，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(lái)設(shè)計(jì)調(diào)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(shè)計(jì)方法，

或稱(chēng)間接設(shè)計(jì)法。78?

Shannon

采樣定理根據(jù)

Shannon

采樣定理，采樣頻率

f

sam

應(yīng)不小于信號(hào)最高頻率fmax

的2倍，即f

sam

≥

2fmax這時(shí)，經(jīng)采樣及保持后，原信號(hào)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。79問(wèn)題：但實(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）來(lái)說(shuō)，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。80?

系統(tǒng)采樣頻率的確定在一般情況下，可以令采樣周期1

Tmin

為控制對(duì)象的最小時(shí)間常數(shù)；或用采樣角頻率

ωsamωsam

≥(4~10)ωcωc

為控制系統(tǒng)的截止頻率。81?采樣定理用法n

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。n

電流調(diào)節(jié)器一般都可以采用間接方法設(shè)計(jì)，即先按連續(xù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后再將

得到的調(diào)節(jié)器數(shù)字化。82對(duì)于轉(zhuǎn)速環(huán)：n

由于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能往往對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻

率的大小有一定要求，不能太低。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。n

當(dāng)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，就應(yīng)按照離散控制系統(tǒng)來(lái)

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。83（2）數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法先將系統(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。數(shù)字系統(tǒng)分析方法有：?

Z變換方法?

W變換方法?擴(kuò)展W變換方法84S平面ReZ平面-11Re?Z變換方法sTz

=

e連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)Z變換ImIm85Z平面-11ReW平面Re?W變換方法離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)注意：W平面與S平面之間的頻率響應(yīng)發(fā)生了畸變。861+

w1

?

wW變換ImImz

=W平面ReW’平面Re?擴(kuò)展W變換方法離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)W’平面與S平面之間的頻率響應(yīng)在高采樣頻率和低角頻

率時(shí)相似。87w

=

j

λW’變換ImIm3.5.3控制對(duì)象傳遞函數(shù)的離散化n

控制對(duì)象連續(xù)傳遞函數(shù)

RK其中

將兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并，

T∑n

=

Ton

+2T∑i88則

(3-28)

其中89Z[Gobj(s)]=Z[Gsub(s)?e?TsamsGsub(s)]=Z[Gsub(s)]?Z[e?TsamsGsub(s)]Gobj(z)

=Z[Gobj(s)]=Z[Gsub(s)]?z?1

.Z[Gsub(s)]=(1?z?1)Gsub(z)?z變換過(guò)程應(yīng)用z變換線(xiàn)性定理得再應(yīng)用z變換平移定理，得(3-29)90n

控制對(duì)象離散傳遞函數(shù)上式展開(kāi)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)

91控制對(duì)象的脈沖傳

遞函數(shù)具有兩個(gè)極點(diǎn)，p1=

1；?Tsam

/

TΣnp2

=

e還有一個(gè)零點(diǎn)z1，位于負(fù)實(shí)軸上。?控制對(duì)象性能分析Im

z平面單位圓p2

p1

Re0

1-1z1923.5.4數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)n

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。n

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。這里，設(shè)計(jì)方法采用數(shù)字頻域法。93?數(shù)字頻域法設(shè)計(jì)步驟（1）通過(guò)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(guò)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）采用頻域設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這

時(shí)，可利用s域的經(jīng)典頻域設(shè)計(jì)法，比如，Bode圖等系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)工具。94?離散系統(tǒng)

z

域數(shù)學(xué)模型n

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器脈沖傳遞函數(shù)

n

離散系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)脈沖傳遞函數(shù)