（电力系统及其自动化专业论文）微机控制技术在原动机仿真系统中的应用研究.pdf

湖南大学坝十学位论丈 微机棒制技术在原动机仿真系统中的应用研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m i c r o c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h ep r i m e m o v e rs i m u l a t u i o ns y s t e mi np o w e rs y s t e ms h o u l db er e n e w e df r o mt r a d i t i o n a l a n a l o g yc o n t r o lt od i g i t a lc o n t r o l ，a tp r e s e n t ，m o s to ft h ed o m e s t i cs i m u l a t i o ns y s t e m s d e s i g n e dw i t ha n a l o g yc i r c u i t s a r ee a s yt on mo u ta n da f f e c t e db yt h ea m b i e n t t e m p e r a t u r ew i t ht h e i rc o m p l e x s t r u c t u r ea n dp o o ra b i l i t yt ow i t h s t a n dd i s t u r b t h e w a yu s e di nt h i sp a p e r , w h i c hu s e sd i g i t a lm e t h o dt od e s i g nt h eg o v e r n o ri nt h e s i m u l a t i o ns y s t e ma n dd r a w st h es o f t w a r eo r l r e p l a c i n gt h ea n a l o g yc i r c u i t ，c a l l o v e r c o m et h e s ed i s a p p o i n t m e n t s i na d d i t i o n ，ap i e c eo fl c di su s e dt om a k et h e o p e r a t i o nv i s i b l ea n de a s yt oa d j u s t t h eh i s t o r yo f t h es i m u l a t u i o ns y s t e m ，t h em a i nw o r ko f t h ea u t h o r ，t h em e a n i n ga n d o r i g i no ft h er e s e a r c ha r ef i r s t l yi n t r o d u c e d ，t h e nt h ef u n d m e n t a lt h e o r yo fd i g i t a l r e l i z a t i o na b o u tt h ep r i m em o v e rs i m u l a t u i o ns y s t e mi se x p o u n d e d b a s e do ns o m e a c h i e v e m e n t si nt h ef i e l do fp i dc o n t r o li nr e c e n ty e a r s ，s o m en e wa n dp r a c t i c a l c o n t r o la l g o r i t h m s ，p r o g r a m m ed e s i g n sa n dm e t h o d st oa d j u s tp a r a m e t e r sa r em a i n l y i n t r o d u c e dt od e s i g nt h es i m u l a t i o ns y s t e m o nt h eb a s i so fs i m u l a t i v et h e o r y , t h e a c h i e v e m e n t so fs o m em a t h e m a t i cm o d e l sa b o u tp r i m em o v e r sh a v i n gb e e n s y n t h e s i z e d t h ed i f f e r e n c ee q u a t i o n sw i t h w h i c ht h e c o m p u t e r c a l l c o p ea r e o b t a i n e d b yu s i n g m a t h e m a t i ct o o l ss u c ha s l a p l a c e - t r a n s f o r m a n di n v e r s e z - t r a n s f o m l a c c o r d i n gt ot h el i m c t i o no ft h es y s t e m t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n ，w h i c ht a k e s8 0 c l9 6 k ca sc p u ，a r ee l a b o r a t e d f u r t h e rm o r e ，t h em e t h o d sw i l l i m p r o v et h es y s t e m sr e l i a b i l i t yb yh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s t a t i ca n dd y n a m i ct r i a le x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h es y s t e m ，n o to n l yc a nw e l l s i m u l a t et h ep r i m eg o v e r n o ra n ds e l f _ e q u i l i b r i u mc h a r a c t e r i s t i c so fap r i m em o v e r w i t hi t ss i m p l eh a r d w a r el i n e s m a l ls i z ea n dv e r s a t i l i t y , b u ta l s oc a nh i g h l yi m p r o v e t h ew h o l es y s t e m sc o n t r o lp r e c i s i o n ，r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yw h e nc o m p a r e dw i t ht h e s y s t e md e s i g no f t h ea n a l o g yc i r c u i t s k e y w o r d s ：c o n t r o lt e c h n o l o g y ；8 0 c 1 9 6 k c ；p r i m em o v e r ；s i m u l a t i o n ；i n v e r s e z t r a n s f o r m ；r e l i a b i l i t y i i 湖南人学硕i j 学位沦义微机控制技术在原动机仿真系统中的应用研究 1 1 引言 第一章绪论 微型计算机在控制领域的应用，有力地推动了自动控制技术的发展，扩大了 自动控制技术在各个领域的应用范围。微型计算机在数据处理、科学计算等方面 应用极广，特别是近年来半导体电路的高度集成化，微型计算机的运行速度和 作可靠性的人大提高、成本和价格大大降低，使计算机广泛应用于各式各样的自 动控制系统，进而使计算机控制技术的水平发展到一个崭新的阶段。 模拟控制技术由于其本身所固有的弱点，已越束越难以适应现代控制技术发 展的要求。蚓此，随着微型计算机控制技术的飞速发展，控制技术正在从模拟式 向数字式转变。 随着计算机控制技术的小断发展和成熟，现代电力系统检测j 控制技术突飞 猛进，i 刊时也对电力系统的研究手段和实验工具提出了更高的要求。因此，电力 系统的研究手段和实验工具，有必要也有可能进一步进行改进。 原动机仿真系统，主要包括调速器仿真和原动机自平衡特性的仿真”3 i ，是 电力系统动态模拟实验室最重要的设备之一，通过仿真新技术，它把电力系统中 的设备或元件等都放到了实验室内，组成室内电力系统，用来在实验室里对电力 系统中的真实原动机( 主要是水轮机和汽轮机) 及其蒯速器进行模拟，以便于研 究电力系统中的大干扰问题和机电暂态过程。原动机仿真系统，无疑是对电力系 统进行研究的最经济、最便利而又安全的的重要工具，是科研和教学重要的研究 手段和实验工具。由于对实际电力系统进行研究的重要性，原动机仿真系统，作 为对r ；乜力系统进行研究的重要工具，越米越受到人们的普遍关注。 国内现有的原动系统仿真模型，大多是采用模拟电路”j ，具有响应快等优点， 但同时存在结构复杂、电子元器件容易老化、易受环境温度影响、抗干扰能力差 等缺点。 本课题综合了原动机仿真系统数学模型的已有成果，着眼于利用计算机控制 技术，采用数字化方案，通过计算机软件去实现和取代一些模拟电路的功能，可 以很好地克服模拟电路的缺点，而且具有体积小、成本低、通用性强、效能高、 便于维护和易于实现等优点，此外还设置了液晶显示器和人机通讯接口，可将原 动机仿真系统的运行参数以数字信号的形式传输到监控系统或者p c 机，操作直 观、便于监视。 湖南大学锄f j 学位论史 微机控制技术在j 泉动机仿真系统中的应用列f 究 1 2 原动机仿真系统发展简述 前苏联科学家j 二4 0 年代创立r 相似定理，并由此而建立了原动机仿真系统 的数学模型，出最初的直流电动机一交流扩大机发展到6 0 年代术的直流电动机 静止变流器。 1 9 7 r 年，国际电工委员会，对原动机( 水轮机和汽轮机) 的数学模型规定j ， 一个统一标准。此后，以此统一标准为依据，人们开始对原动机仿真系统的，“泛 研究。 我幽自5 0 年代末期在清华大学建成第一座电力系统动态模拟试验室以来， 对电力系统原动机及其运行特性模拟的研究经历了旋转电机、电子管电路到静止 半导体变流装置、模拟运算控制两个主要阶段。 到八十年代中期，国内火多数电力系统动模试验室的仿真模型，多采用常规 可控硅调速装置作为仿真手段。其不足之处是，难以实现自平衡特性和调速系统 的仿真，因而使得电力系统动态模拟试验难以真实反映原动机的静态特性和暂态 过程。 我校自1 9 8 5 年建立电力系统动态模拟试验室以来，对原动系统的仿真做了 大量的研究工作。 继天津大学、水利电力科学院之后，我校于1 9 8 6 年开展原动机动态模型的 研究。1 9 8 6 年，动模试验室的老师先后到北京、天津等多家高等院校和科研部 门调查研究，通过钻研、总结，对原有调速装氍进行了改造和试制，并发表论文 原动机通用模拟调速器研究。 1 9 9 1 年，我校先后与l u 东工大、广西电力局中试所等单位签订了研制或改造 原有调速装置的技术合l 司，这使得对原动系统的研究迈上了实用性的发展阶段。 1 9 9 2 年，我校成功研制出模拟控制型原动系统动态仿真装置并投入市场，又 于1 9 9 4 年率先研究采用微机控制和仿真新方法实现对原动系统动态仿真。到 1 9 9 5 年，我校研制“模拟原动机专用模型”获得成功，并在1 9 9 5 年全国高校电 力系统年会和核心期刊发表原动机调速系统仿真模型动态特性的研究、模拟 发电机组专用可控硅直流调速系统等相关论文。 1 9 9 6 年，我校着手研究采用数字电路取代模拟电路，并在湖南大学学报上发 表了微机控制型原动机调速器模型与设计，首次探讨了种用双c p u 控制的 全数字化原动机仿真系统方案，详细讨论了数字调速器硬件、软件的设计，并率 先对其正确性和可行性进行了仿真验证。这标志着我校对原动机仿真系统的研究 迈出了富有成效的一步。 湖南人学坝士学何论文 微机挎铂技术在原动机仿真系统叶1 的应用研究 i 9 9 8 年，华中理工大学杨德先老师5 1 对原动机调速系统动态仿真技术进行了 研究，针对调速系统动态仿真中过分忽略物理因素的问题，从原型原动机调速系 统结构框图及传递函数入手，分析了研究原动机调速系统的动态特性，提出考虑 到错油fj 、失灵区、限幅等因素的仿真系统框图，并浇明仿真的实现方法和效果。 与此同时，随着计算机技术的高速发展和c p u 价格的下降，许多单位，如华 中科技火学、清华大学都在开展此项研制工作，试用数字电路取代模拟电路。目 前，除清华大学与我校同时在1 9 9 4 年电力系统年会上发表相关论文一篇之外， 未见其它相关报道。 圉外，俄罗斯比较注重电力系统动态模拟技术，丁4 0 年代建立世界上第 个电力系统动态模拟实验室，但末见采用微机控制新方法对原动系统动态特性进 行仿真的相关报道。 3 课题来源、意义及本文的主要研究工作 1 3 1 课题来源、意义 该课题得到湖南省2 0 0 2 年i h 然科学基金资助。 将微机控锖f j f h 仿真技术结合起来，引入到原动系统仿真模型中来，这属于近 几年来国t 勾j l - 新的研究方向，其研究成果将产生新一代的原动机仿真系统。这种 质的飞跃无疑将会给电力系统动态模拟试验提供新的试验工具和新的试验于段。 由于实际电力系统的安仝、稳定、可靠运行和国民经济发展、人俐的醴常生活休 戚相关，因此，研究电力系统的运行与控制规律、丌发电力系统新技术、新设备， 将一个能够正确地反映客观事物本来面目的仿真模型引入到电力系统动模试验 室中：宋，具有十分重要的战略和现实意义。 1 32 主要研究工作 ( 1 ) 搜集整理有关原动机仿真系统的技术资料，充实和完善原动机仿真系 统的数学模型。 ( 2 ) 将有关计算机控制技术的一些优良的控制算法和程序设计运用到电力 系统动态仿真中来，针对原动机仿真系统的设计，提出了相应的、具体的计算机 控制算法和程序设计。运用计算机控制技术等理论知识，对数学模型进行离散化， 求解便于计算机运算的差分方程，确定便于计算机苛速、精密而又能有效地实现 的最佳控制算法。 ( 3 ) 确定总体设计方案。确定单片机型号，根据控制任务划分硬件和软件 湖南大学倾卜学位论文微机控制技术在原动机仿真系统中的麻用研究 的比例。设计硬件考虑软件编程易于实现，算法软件设计建立在硬件电路尽可能 简化的基础上。两者统筹兼顾，适当安排。 ( 4 ) 硬件设计。详细分析了8 0 c 1 9 6 k c 单片机的硬件资源和指令系统，并在 充分考虑了算法软件的基础上，设计了原动机仿真系统的原理图，整理元件清学， 柿置p c b 板，焊接元器件，调试硬件电路。 ( 5 ) 部分软件设计。置要有：测速子程序，液晶模块! 。c d 显示子程序，a d 转换子程序，d a 转换子程序，继电保护子程序，主程序流程图，速度环子程序。 湖南人学硼士学位论殳 微机控制技术在原动机仿真系统中的应用研究 第二章原动机仿真系统的数字化实现基础 原动机仿真系统是以微型计算机控制技术为理论基础，是微型计算机控制技 术在电力系统中的具体运用。它涉及仿真技术、自动控制理论、继屯保护、电器 控制、电气传动、电了技术、电力电子技术和通讯技术等，具有综合性强、应用 涉及而广以及与工程实践联系密切的特点。本章丰要研究原动机仿真系统中有关 微机控制技术的蟪实用控制算法、程序没计和参数整定等。 2 1p i d 控制规律及离散化 p i d 控制是过程控制中一种非常成熟、行之有效、应用极广的控制规律。数 字计算机的不断向前发展，使得微机数字控制系统能够取代模拟控制系统，但是， 模拟p i d 控制算法所积累的经验，仍然被应用到微机数字控制系统中来，形成微 机数字p i d 控制算法。与此同时，针对某特定被控对象，p i d 控制算法也在 相应向前突破，出现了非线性p i d t 6 ”t 、免疫p i d 8 ，9 1 、自适应p i e ) i l o , n 、模糊 p i d m 1 ”、基于遗传算法的p i d 1 9 , 1 9 、选择性p i d p d 控制以及增益自适应p i d 算法等。然而，这些都足基于p i d 基本算式而发展起来的。其模拟式为： 川) 一( ，) + 古胁) 衍q 。蔓笋 ( 2 1 ) 式中： u ( t ) 一控制器输出信号 k p 一控制器放大系数 c ( t ) 一控制器输入信号 t 一控制器积分时f r j 常数 t 。一控制器微分时问常数 为了采用计算机实现p i d 控制规律，当采样h 寸l u j 很d , n ，直接由传递函数化 为差分方程，这时可用矩形或梯形积分来求连续积分的近似值。用矩形积分，有： f o e ( t ) d t = e ( 咿 ( 2 2 ) d e ( o ：e ( k ) e ( k - i )( 2 3 ) 湖南夫学烦! 学位埝义 微机拄制技术在腺动机仿真系统中的应用研究 u ( k ) = k p e ( k ) + 古e ( i ) 7 1 + 丛写坚1 ( 2 4 ) j = 0 式中t 为采样周期，这是控制算法的种非递推公式，称为“位置式”，其 结果是控制量的绝对值。该式表明，只需进行四则运算就可以求出当前的位置值 u ( k ) ，运用讨算机来实现比较方便，但运算繁琐且占用大量内存。 根据式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可以得到k 1 次采样的输出为： k i u ( k 一1 ) = k p e ( k 1 ) 上寺( j ) 7 1 + 坐专坐盐 ( 2 5 ) t = 0 由上可得增量式： z x u ( k ) 一u ( k ) 一u ( k - 1 ) 2 b 。e ( k ) + b l e ( k 一1 ) + b2e ( k - 2 )( 2 6 ) 式中： 6 。= k p ( 1 + = 1 , 9 ) 驴1 + 2 孕一争 ( 2 7 ) r b ：= t p 鲁 增最式控制的优点是：计算u ( k ) 时，i 需知道e ( k ) 、e ( k - 1 ) 和e ( k - 2 ) 即可， 算式中不需要累加，比p i d 位置式控制算式的计算简单。此外，它还具有输出增 量不大，任何故障或切换时冲击小，不产生积分失控，输出较平稳和易于荻得较 好调审效果等优点。 2 ，2p f d 控制规律脉冲传递函数形式与差分方程 在连续系统中，常用拉式变换和状态方程去求解微分方程，把复杂的微分运 算转化为简单的代数运算。同样，在数字离散系统中，可以用z 变换和状态方程 去分析系统的数学模型，并对它求解，求出系统的差分方程的解析式，以便将系 统复杂的数学模型转化为简单的代数运算形式，达到简化数字离散系统的分析和 综合的目的。 现对式( 2 4 ) 进行z 变换，由r z l e ( k - 1 ) i ：z 1g ( z ) tl z 【e ( j ) 】= 一e ( z ) 湖南火学硕l 学位i = 龟文 微机控制技术在原动机仿真系统中的应用研究 输出方程可以写成如下的形式： u ( z ) 一k p e ( z ) + l 曼了e ( z ) t + 争 e ( z ) - z _ 1 e ( z ) ) p i d 控制规律脉冲传递函数形式为： 时郴u ( z ) ) = k p i + h t 二。p ( 1 - z - 1 ) - 型高垡 所以，有 u ( z ) = z _ 1u ( z ) + + ( b 。+ b lz 一1 + b2z 一2 ) e ( z ) 式中系数b 。、b ，和b ：同式( 2 7 ) 根据上式，呵求出其对应的差分方程为： u ( k ) = u ( k 一1 ) + ) + bof ( z ) + b e ( z 1 ) + b2e ( z - 2 ) 2 3p i d 控制算法中积分项的处理 ( 28 ) ( 2 9 ) f 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 微型计算机数字控制具有运算速度块，逻辑判断能力强，编程灵活以及便于 选用各种功能的集成器件组成结构简单而且功能完善的控制系统。但足，它存在 控制量输出刁i 连续、控制时间有延迟、存在控制误差等缺点。因此，在实际控制 过程中，必须在标准p i d 算法的基础上，建立某些特殊的控制算法，才能充分发 挥数字控制的优势，使其控制性能超过模拟控制系统。 2 3 1 积分分离和带死区的p ld 控制算法 在标准p i d 控制算法中，其中的积分项 女1 u ，2 k ，古e ( 妒 仁0 主要用来消除系统在控制过程巾出现的静差，只要偏差存在，积分的作用就会继 续增加或减少，当偏差较大或累加积分项太快时，就会出现积分饱和的现象，使 系统产生超凋，甚至使控制系统振荡。因此，必须采取积分分离的措施来防止或 消除系统出现的积分饱和现象。 积分分离的构思是：当偏差大于某个规定的门坎值时，删去积分作用；只有 偏差较小时，才引入积分的作用，以消除稳念误差。 设位置给定为r ( k ) ，测量值为y ( k ) ，最大允许误差为e m a x ，则积分分离的控制算 式为： 湖南人学帧，j 学位睑立 微机托。制技术在原动机仿真系统中的应用研究 入v i l 取输入给定r ( k ) 读取数字滤波后的测量值y ( k ) 图2 1 带有死区的抗饱和p i d 控制算法流程图 毗户ir ( k ) - y ( k ) i 惫筹焉震。亿蚴 在控制系统中，某些系统或环节( 如原动机仿真系统中的飞摆和错油门等) 为了避免控制动作过于频繁，以消除频繁动作所引起的振荡，控制系统需要加上 带死区b 的p i d 控制，只有累加偏差超出一定范围后，才作凋整，相应的算式为 ( 设p ( k ) 为考虑死后的偏差) ： “( ) 一y ( )n e ( k ) b 时 p ( k 产 o n e ( k ) 4 b 时 但1 3 i 综合以j 二两种改进算法，u j 。得控制系统带有死区的抗饱和p i d 控制算法流程 图，如图2 1 所示 塑堕尘i 型! 垡堡壅堂垫篓剑垫查垒! ! 塑! ! 堕壅墨堑! 塑坐型堕塞 2 3 ，2 消除积分量化误差的p i d 控制算法 p i d 控制器中的积分项，i u 以用来消除系统中的静态误差，但是，在实际控 制过程中，粟样周期较小，而时间常数t i 较大。从而在运算过程中，使积分项 k p t t i 的计算结果很小，导致微机的最低位表示不出积分结果，出现丢失积分项 的现象。为了消除这种积分量化误差，在编程和控制算法方面应采取相应的措施。 没数字控制器输出的差分方程为 u ( k ) 2 d 。e ( k 一沪，u ( t f ) ( 2 1 4 ) 忙o临1 我们可以在方程两边都乘上一个适当的常数n ，使所有的系数均为整数，然 后按整数进行计算，最后再将计算结果除以n 。 在单片机中，由于乘法和除法指令的实质是对_ 进制数实施左移和右移操 作，冈此，为了减小扩大或缩小系数所带来的误差，n 应为2 m 倍。 此外，采用双字节的定点数进行运算20 1 ，以减少因计算引入的延时时间。 2 3 3 变速积分p l d 控制算法 在某些控制系统中，要求偏差较大时，积分的作用减弱甚至取消，而当偏 差较小时，则适当加强积分的作用。采用变速积分p i d 控制算法，可满足控制 系统的要求。 采用变速积分p i d 控制算法时，积分项u i ( k ) 的算式为 kl u ，( 世) = 彪； e ( i ) + e ( k ) l i = 0 = 厂【e ( ) = 1 a + b l e ( 女) b 0 五( 尼) j 甜 n i e ( 尼) l d + b( 21 5 ) l e ( ) p 口+ b 变速积分的控制规律是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对 应。在上式中，系数 是偏差e ( k ) 的函数，即 = f 【e ( k ) 。设置三个区间，即： 0 ，a j ，f a ，a + b ， a + b ，+ 。】， 值在o 1 z p j 变化。在区间f o ，a 】， 取值为 l ，积分累加速度最大：在区问【a ，a + b 】， 取值为 a + 6 i e ( 女) j b 一 湖南人学硕 一学位论文微机控制技术在原动机仿真系统中的脚用研究 随偏差陋( 女) i 的增大而减小，积分累加速度反向变化；n i h j a + b ，+ 。 取消采样后的积分项。 据此，i u 以编制变速积分p i d 运算程序流程图，如图2 2 。， 1 厂茅 l j 图2 2 变速积分p i d 运算程序流程图 变速积分具有抑制超调、防止积分饱和、适应性强、线性度较好和参数整定 容易等优点，从而大大提高了系统的稳定性，是一种新型的p i d 调节方法。 2 4pld 数控系统控制参数选择及调节 p i d 数字控制系统的参数整定必须根据问题的具体要求来考虑。在过程控制 系统巾，我们通常要求保证闭环系统稳定，对给定的变化能迅速跟踪，超调量小。 在不同干扰下系统输出应能保持在给定值附近，控制量应尽可能地小，在系统和 环境参数发生变化时应能保持控制稳定。为了使控制系统不仅静态特性好，而且 稳定性好，过渡过程快，正确地整定p i d 控制数字控制系统的参数【2 1 , 2 2 】是很重要 的。 湖南大学帧卜学位论义 微机控制技术征原动机仿真系统中的j 衄用1 | j i _ 宄 2 4 1 采样周期的选择 香农( s h a n n o n ) ，：j 毛样定理指出：如果采样器的输入信号e ( o 具有有限带宽， 并且有直到连续频谱j e ( ，m ) i 中最高角频率c a ) 。的频率份量，则只要采样周期t 满 足下列条件： 1 ” 丁 兰二o ) 或( i ) ，2 u ( 2 1 6 ) z 信号e ( t ) 可以完满地从采样信号p + ( t ) 中恢复过来。 采样定理给出r 采样周期选择的基本原则，但并未给出选择采样周期的具体 计算公式。显然，采样周期t 选得越小，划控制过程的信息便获得越多，控制效 果也会越好。但采样周期t 选得太小，将增加计算机的计算工作量，不利于充分 发挥计算机的功能，对复杂的控制规律在实时处理时难以实现；另。方面，两次 采样间偏差变化太小，控制系统的输出变化不大，而且采样周期t 在d , n 一定程 度后，再减小就没自多大实际意义了。反之，采样周期t 选得过长，会给控制过 程带来较大的误差，降低控制系统的动态性能，甚至有可能使整个控制系统失去 稳定。 数字控制系统从其本质上来说是一种采样控制系统。由于连续生产过程的控 制回路般都有较大的时问常数，在大多数情况- - ，采样蒯期与控制系统的时间 常数相比往往要小得多，因此，数字控制系统中数字控制器的参数选择可以利用 模拟调节器的各种整定方法。 采样周期的最大值7 j 。是受控制系统的稳定性限制的，。刈由稳定条件求 出。采样剧期的最小值l 。为微机执行控制程序所耗费的最小时间，采样周期只 能在瓦，。和瓦。之问选择。实际应用中，常按一定的原则，结合使用经验来选择 采样周期r l 。浸我们以采样周期瓦，去试探控制系统的效果，若系统可以稳定【： 作，但控制效果很差，说明采样周期太长了，丢失r 部分信息，不满足采样定理， 采样周期应在一。和z 。之问选择，继续下去，直到满足控制系统的要求为止。 2 4 2p i d 参数整定 在连续控制系统中，模拟调节器的参数整定方法 2 3 2 5 h e 常多，但常用的还 是简单易行的：r 程整定方法。其优点是整定参数时不必依赖控制对象的数学模 型。此外，这种方法也是由经典频率法简化而来的，虽然粗造一点，但很适合现 场应用。 湖南人学硕士学位论文 微机挣制技术在原动机仿真系统中的应用石j f 究 24 2 1 扩充临界比例度法 浚法的具体用法是： ( 1 ) 选择一个足够短的采样周期咒选择采样周期为被控对象纯滞后时间的 十分之一以下。 ( 2 ) 将上述的选定的采样周期l 。输入到训算机，去掉积分和微分的作用，只 保留比例作用，使系统闭环工作。逐渐增大比例系数k p ( k p ：1 r t ) ，即逐渐缩小比 例度，直到系统产生等幅振荡。记f 使系统发生振荡的临界比例度o k 和临界振 荡周期t k 。 ( 3 ) 选择控制度，就是以模拟调节器为基准，将d d c 的控制效果与模拟调节 器的控制效果相比较。控制效果的评价函数通常用误差平方面积广e2 ( t ) d t 表示。 控制度：坚! 竺坠 ( 2 1 7 ) j 82 ( 咖f 模拟 表2 i 按扩充临界比测度法整定p i d 参数 控制度控制姗 t k p r ， p l o0 珥 0 5 取0 8 8 取 10 5 p i d00 1 4 0 6 36 0 4 9 又 0 1 4 p 1 0 0 5 k 0 4 9 8 t 0 9 1 砭 12 p i d 0 0 4 3 瓦 04 76e 0 4 7 又 0 1 6t p 1 0 0 1 4 & 0 4 26 0 9 9 又 15 p l o 00 9t k 0 3 4 6 k04 3r 。 02 0t k 晟后，选择一定的控制度，查表21 ，求得t 、k 。、巧和? _ 之值。 2 42 2 扩充响应曲线法 图2 3 被控对象飞升曲线 湖南人学砸上学位论文 微机控制技术在缘动机仿真系统中的心用矾究 ( 1 ) 数字控制器不接入控制系统让系统处于手动操作状态，将被调量调节到 给定值附近，并使之稳定下来，此时，突然改变手动值，给对象一个阶跃输入信号值。 ( 2 ) 用仪表记录被调量在阶跃输入下的变化过程曲线如图2 3 所示。 ( 3 ) 在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间e ，对象时问常数t ，以及 者比值t 0 。 ( 4 ) 根据o 、t 和t 0 ，查表2 2 即可得数字控制器的t 、k ，五和之值。 表2 2 按扩充响应曲线法整矗乎i d 参数 控制生控制规律 t k pt r d p 工 o 1 0 0 8 4 t e 0 3 4 0 l0 5 p 1 d 0 0 5 01 1 5 t 02 0 0 0 a 5 0 p 1 0 2 00 7 8 t 03 6 e j 2 p i d 0 1 6 01 0 r 01 0 00 5 5 0 2 4 2 3 简化扩充比例度法 对p i d 输出中的积分项采用梯形积分逼近，得到增量式输出表达式 酬t ) = k p “砸) 叫) + 嘉 毗) 州】+ 争啪) 地( ) 州女删】) ( 2 1 8 ) 根据z i g l e r - n i c h l e 条件，令t = o 1 瓦，t = 0 5 t ，= o 1 2 5 t ，瓦为纯比 例作用下，i 晒界振荡过程的周期，有 a u ( k ) = k p 【2 4 5 e ( k ) 一3 5 e ( k 一1 ) + 1 2 5 e ( k 一2 ) 】 ( 2 1 9 ) 这样，整个问题简化为只要整定一个参数k 。，改变k 。观察控制效果，直到 满意为止。 2 4 3 现场参数调节 按求得的参数值在控制系统中运行，并观察控制效果，如达不到控制要求， 可基f 以f 原则，根据经验法对参数作适当调整。 ( 1 ) 增大比例系数k p ，将加大系统的响应速度，但过大会使系统产生较大超 调，麒：至产生振荡。 ( 2 ) 增大积分时问r ，有利于减少超凋，减少振荡，使系统更加稳定，但 会增加系统过渡过程时间。 一 塑塑查羔塑! 兰垡堕苎 堂些丝型垫查塑：堕垫! ! 堕皇墨堕! 塑生旦型 塑 ( 3 ) 增大微分时间常数巧，有利于加快系统的响应，使超调减少，稳定性 增加，但系统对扰动有比较敏感的响应。 基于卜| 述原则，调节p i d 参数时，应该先比例，再积分，最后微分进行调整。 2 5 用z 变换求解差分方程及算法实现 偏 e ( 输出i j ( z ) ：i 、叫 ，+ 了、 、1 7 _ _ l x 7 一、j z - n 卜f nh lj 、，j 陶2 4 冉接程序设计法原理图 在控制系统数学模型、各个环节的传递函数已经确定的情况下，采用数字控 制方式，利用计算机软件去实现模拟电路的功能，必须将连续控制系统中的传递 函数转化为脉冲传递函数，进而得到便于计算机运算的差分方程。 有两种方法去实现数字控制器算法，其是采用硬件模拟电路去实现，这不 是本文的出发点。另一种是采用计算机软件去实现，这是原动机仿真系统采用数 字化方案的出发点，也是本文的主题。从数字控制器脉冲传递函数不同的表达式 出发，r 叮以得到各种4 i 同的程序实现方案。 2 5 1 解差分方程 由z 变换求解差分方程的一般步骤为： 首先，利用初始条件，运用z 变换，将差分方程变为以z 为变量的代数方程 湖南人学顺士学位论文 微机拄制技术在原动机仿真系统中的心用1 i j 究 coz 小+ c 1 ：州一1 + + 6 埘 x ( z ) = “oz ”+ 1z ”一1 + + dh 其次，根据x ( k ) = z1 x ( z ) ，即运用逆z 变换，求出它的时间响应解。 入口 0 初始化 + 分别计算偏差die ( ki ) i = 0 ，1 ，2 m 求总d ，e ( 尼一i ) i = 0 逐级向j 二计算历史输出 fiu ( ki ) i = 0 ，1 ，2 n 求总 f ，u ( k f ) 仁0 求u ( k ) ：yderk i ) _ 一 f 7 i = 0 + f i u ( 尼一i ) ，= 0 l 返回 2 52 直接程序设计法 图25 程序流程图 5 佗2 0 ) 湖南人学坝卜学位论文微机控制技术稿源动机仿真系统中的应用研究 设数字控制系统的脉冲传递函数可以化为 乙i z ) d o + d l z1 + d 2 三一2 + + d m z 一州 d ( z ) 2 取：) 一l + f l z1 + 厂2 z 一2 + + 厶z 一” j ，z 户o ( 2 2 1 1 式中d i 和( i = 0 ，1 ，2 ，m ，n ) 为常系数m s n ，u ( z ) 、e ( z ) 分别为控制系统的偏差 序列和输出序列的z 变换。 由式( 21 9 ) 可得 u ( z ) 2 = d i e ( z ) 一= ：u ( = ) ( 2 2 2 ) 对上式逆z 变换，得到差分方程 u ( k ) 2 d , e ( k 仁o ( 22 3 ) 式( 2 2 3 ) 就是我们用计算机软件编制控制程序的依据，实现该控制功能的算 法称为直接程序设计法。 根据式( 2 2 3 ) 得到实现d ( z ) 的原理框图如图2 4 和程序流程图如图2 5 。 2 5 3 串行程序设计法 我们把控制系统的脉冲传递函数化为零点和极点的表达形式： u ( z )k ( z + z 1 ) ( z + z z ) ( z + z 。) 其中令 d ( z ) = e ( z ) = ( z + p 1 ) ( 三+ p 2 ) ( 三+ 三。) d 。( ：) u ( z ) e r 扪 三+ 互 z + p ， 州= 鬻= 曩 州= 渊= 羔 偿：s ， 心) = 篇2 瓦1 啪，= 等= 去 湖南人学倾 1 学位论文微机控制技术在原动机仿真系统中的应用研究 把d ( z ) 看成是由d ，( z ) ，d ：( z ) ，d 。( z ) 等n 个子脉冲传递函数串连组成的 如图2 6 所示，这种分析方法为串行程序没计法。 为了求出u ( k ) ，首先求出个子脉冲传递函数的输出u ，( k ) ，u ：( k ) ，i 。一 ( k ) ，最后再求u ( k ) 。 荆竺删竺睁 图2 6 串行程序设计原理图 对d ( z ) ，有 讹，= 等= 等= 等 u 1 ( z ) = 一p l z + e ( z ) + z i ：1 e ( z ) 逆z 变换得 u i ( k ) = 一p 】u l ( k 一1 ) + e ( k ) + z l f ( k 一1 ) 同样，可以求得其它n 一1 个输出的表达式 u 2 ( k ) = 一p 2 u 2 ( k i ) + u 1 ( k ) + z 2 u l ( 女一1 ) u 3 ( k ) = 一与u 3 ( k 一1 ) + u2 ( k ) + 2 3 u 2 ( 女一1 f 2 2 6 ) f 2 2 7 ) f 2 2 8 ) u 。( k ) = 一巴u 。( k 一1 ) 十u ，一i ( k ) + z u 】( k 一1 ) ( 2 2 9 ) u 。( k + i ) = 一p 。u ，+ 1 ( 一1 ) + u 。( k ) u ( k ) = 一p 。u ( k 一1 ) + k u 。l ( k 一1 ) 根据上式可以编制计算机程序，如图2 7 ，可求得u ( k ) 。 2 5 4 并行程序设计法 若数控系统的脉冲传递函数可以分解成部分分式的形式，则可将它视为各个 子脉冲传递函数之和，如图2 8 ，9 k i 系n n4 c j j ：看，相当于各个子脉冲传递函数 的并联。 诈，2 鬻2 等+ 毒h + 告 晓，。、 = d ( ：) + d 2 ( z ) + + d 。( z ) = d 。( z ) 湖南大学硕 学位论文微机捧制技术扯原动机仿真系统中的应用研究 逐级向上计算输出 u i ( k ) i = l ，2 1 1 直至e j u ( k ) j i 退凹 i 图2 7 串行程疗流程图 yu 型 厶u ( k ) ( 互 爿 图2 8 并行程序设计法示意图 其中各子脉冲传递函数为 卟等= 带ie ( z )+ p 三一1 d：旦艘：竺：2 e ( z )1 + p 2 z d ：堡盟： ” e ( z )1 + p 。z ( 2 3 1 ) 学 湖南人学硕士学位论文 微机控制技术在腺动机仿真系统中的出j = j 研究 入口 初始化 分别计算i j i ( k ) i = 1 2 n ；意u ( 七) = 兰u 舭) f _ 1 返回 图2 9 并行程序设计程序流程图 通过逆z 变换，求得各子脉冲传递函数对应的差分方程 u ，( k ) = a ，f ( k 一1 ) 一，u - ，( k 一1 ) i 2 1 ，2 ，n ( 2 3 2 ) u ( t ) = u ；( t ) 十u ：( 女) + + 女) = u ，( 女) 忙l 掘此可以利用计算机程编程，如图2 9 所示。 19 f 23 3 ) 湖南人学坝卜学位论义 微目l 控制技术托原动机仿真系统中的心j j j f 究 第三章仿真原理及仿真系统数学模型 3 1 仿真技术简介 系统仿真是近几卜年来发展起来的一门综合性技术学科，它是利用模型对实 际系统进行实验研究的过程。当在实际系统上进行实验比较困难甚至很危险时， 仿真技术就成了十分必要、甚至必不可少的工具。它为对系统进行设计、研究和 决策提供了一个先进而有效的手段，可以缩短设计周期和降低费用等。近年来， 随着计算机技术的不断向前突破，应用计算机对实际系统进行仿真的技术正_ _ 1 益 受到人们的重视。仿真技术已广泛心用于航天、航空、原予反应堆、电力、冶金、 机械等领域和工业部门”1 。 3 1 1 仿真的定义和原则 仿真是指用模型( 物理模型或数学模型) 代替实际系统进行实验和研究。为 了使仿真的结果能被证实叮靠，仿真应该遵循几何相似、环境相似和性能相似的 基本原则。 3 1 2 仿真的分类及特色 ( 1 ) 按照仿真模型的性质分，可分为物理仿真、数学仿真和数学物理混合仿 真。 物理仿真是指采用了物理模型，制作一个与实际结构相似但几何尺寸较小的 模型，在相似的条件下，进行实验研究，再用所得的实验分析结果去指导实际的 设计和生产。 数学仿真是指应用性能相似、环境相同的原理，按照真实系统的数学模型， 构造系统的数学模型，并在数学模型上进行实验。 数学物理混合仿真是指，在对某些系统的研究中，将系统的一部分建立数学 模型，放到计算机l ，另一部分构造其物理模型或南接采用实物，然后将它们连 接成系统进行实验。 ( 2 ) 按照仿真实验时间标尺t 与实际系统的时间标尺t 比例来分，叮分为实 时仿真和非实时仿真。 将t t = 。1 的仿真称为实时仿真，其它仿真称为非实时仿真。 ( 3 ) 按照仿真系统所采用的计算机种类，可分为模拟计算机仿真、数字计算 湖南夫学硕j 二学位论文微机控制技术在j 泉动机仿真系统中的应用研究 机仿真、数字一模拟混合仿真。 模拟仿真中的计算设备为模拟计算机，是一种连续计算装置，它把实际系统 的各物理量用电压表示，通过各种电了运算部件来求解描述系统的数学模型，输 入和输出都是连续的电压量，因此各物理量“连续”变化是模拟仿真的突出特点， 模拟仿真更接近于实际连续系统。模拟汁算机各运算部件是同时工作的，所以运 算速度很快，其主要缺点是模拟计算机的运算精度低，仿真的自动化程度低。 数字仿真是利用数字计算机作为仿真工具。它最大的优点是计算精度高，可 以克服模拟计算机仿真计算精度低的缺点，其