电力拖动自动控制系统(陈伯时)第3章直流调速系统的数字控制.ppt

1,直流调速系统的数字控制,电力拖动自动控制系统,第3章,2,主要内容,3.1微型计算机数字控制的主要特点3.2微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件3.3数字测速与滤波3.4数字PI调节器*3.5按离散控制系统设计数字控制器*3.6故障检测、保护与自诊断,3,学习要点：,1.介绍：离散化、数字化；2.数字量化和采样频率选择；3.控制系统的输入、输出变量;4.介绍数字控制双闭环直流调速系统的硬件电路和软件。重点：数字控制双闭环直流调速系统的硬件电路和软件的结构。,4,模拟系统的优、缺点,优点:物理概念清晰;控制信号流向直观。缺点:控制规律体现在硬件电路上，线路复杂、通用性差;控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。,5,3.1微型计算机数字控制的主要特点,硬件电路标准化程度高，不受器件温度漂移的影响；进行逻辑判断和复杂运算，实现不同于一般线性调节的控制规律，控制软件更改灵活方便。具有信息存储、数据通信和故障诊断等功能。,6,微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。,离散化和数字化,7,O,n,f(nT),离散化,对模拟的连续信号采样形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。,8,数字化,离散信号经保持器保持后，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散的模拟信号。,保持,Na(nT)（电压）Nd(nT)（数码）,9,离散化和数字化的负面效应,离散化:时间上的不连续性；数字化:量值上的不连续性。负面效应：A/D转换的量化误差，影响控制精度和平滑性。D/A转换的滞后效应，提高控制系统传递函数分母的阶次，使系统的稳定裕量减小，甚至会破坏系统的稳定性。,10,3.1.1数字量化,量化的原则是：在保证不溢出的前提下，精度越高越好。存储系数显示量化的精度，其定义为,微机数字控制系统中的存储系数相当于模拟控制系统中的反馈系数。,11,微机数字控制数字化示例：,在微机数字控制系统中，将模拟量数字量化的原则是：在保证不溢出的前提下，精度越高越好。,定义存储系数K来显示量化精度，其定义为：,存储系数K与物理量的变化范围和计算机内部定点数的长度有关。,例：某直流电动机的额定电枢电流为136A，允许过载倍数1.5，额定速度1460r/min，计算机内部定点数占一个字的位置（16位），试确定电枢电流和转速存储系数。,解：定点数长度为一个字（16位），但最高位用于符号位，只有15位可表示量化数值，故最大存储值Dmax=215-1=32767。,电枢电流允许过载倍数1.5，考虑到调节过程中瞬时值可能超过该值，故实际取值为1.8倍的额定电枢电流,因此，电枢电流的存储系数：,额定转速为1460r/min，取nmax=1.3倍的额定转速，则转速的存储系数为：,12,3.1.2采样频率的选择,Shannon采样定理:fsam应不小于信号最高频率fmax的2倍，即fsam2fmax这样，经采样及保持后，原信号的频谱不发生明显的畸变，系统保持原有的性能。,13,采样频率,实际系统中信号的最高频率很难确定，尤其对非周期性信号（系统的过渡过程），其频谱为0至的连续函数，最高频率理论上为无穷大。因此，难以直接用采样定理来确定系统的采样频率。,14,系统采样频率的确定,在一般情况下，可以令采样周期,Tmin为控制对象的最小时间常数。或用采样角频率sam,c为控制系统的截止频率。,15,3.1.3微机数字控制系统的输入与输出变量,可以是模拟量，也可以是数字量:模拟输入量必须经过A/D转换为数字量，而模拟输出量必须经过D/A转换才能得到。数字量是量化了的模拟量，可以直接参加运算。,16,(1).系统给定,a)模拟给定,b)数字给定,17,(2).状态检测,状态量检测的作用：构成反馈控制，保护和故障诊断信息的来源。1）转速检测：模拟和数字检测方法。2）电流和电压检测：一般需要A/D转换。,18,转速检测,转速检测有模拟和数字两种检测方法：（1）模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压不仅表示了转速的大小，还包含了转速的方向，在调速系统中（尤其在可逆系统中），转速的方向也是不可缺少的。因此必须经过适当的变换，将双极性的电压信号转换为单极性电压信号，经A/D转换后得到的数字量送入微机。,（2）对于要求精度高、调速范围大的系统，往往需要采用旋转编码器测速，即数字测速。,19,测速基本方式,20,极性转换,多数状态量为双极性（大小和方向），A/D转换电路一般是单极性的，必须进行极性转换。经A/D转换后得到以偏移码表示的数字量，再用软件将偏移码变换为原码或补码。,21,原码、补码和偏移码,22,(3).输出变量,可以用开关量直接控制功率器件的通断，也可以用经D/A转换得到的模拟量去控制功率变换器。,23,3.2微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件,3.2.0系统组成方式数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种：1.数模混合控制系统2.数字电路控制系统3.微型计算机控制系统,24,1).数模混合控制系统,U*n,Un,U*i,Uc,Ui,-,数字电路,-,功率放大电路,25,数模混合控制系统特点：,转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器；电流调节器采用数字调节器；脉冲触发装置则采用模拟电路。,26,2).数字电路控制系统,数字电路,主电路,-,Uc,特点：除主电路和功放电路外，转速、电流调节器，以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成,27,3).微机数字控制系统,28,在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能，即为计算机控制系统。系统的特点：,双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节,29,3.2.1微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构,微机数字控制双闭环直流调速系统硬件系统组成：主电路检测电路控制电路给定与显示电路,30,下标“dig”表示数字量,微机数字控制的双闭环直流调速系统,31,微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图,电容串联提高耐压等级,32,主回路,微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE有两种方式：直流PWM功率变换器晶闸管可控整流器,33,检测回路,检测回路包括电压、电流、温度和转速检测（数字测速）,其中：,转速检测用数字测速；电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数字量送入微机。,34,电流和电压检测,电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外，还是各种保护和故障诊断信息的来源。电流、电压信号也存在幅值和极性的问题，需经过一定的处理后，经A/D转换送入微机，其处理方法与转速相同。,35,电流检测方法,（1）电流互感器,电流检测电路TA电流互感器,U0,36,（2）霍尔效应电流变换器,UH=KHBIcKH为霍尔常数；B为与被测电流Id成正比的磁通密度；Ic为控制电流。,37,故障综合,对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即通知微机，以便及时处理，避免故障进一步扩大。,38,数字控制器,专为电机控制设计的微处理器：除了带有A/D转换器、通用I/O和通信接口；还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能。如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等。,（见“电机控制专用集成电路”相关资料）,39,3.2.2微机数字控制双闭环直流调速系统的控制软件,微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有：主程序初始化子程序中断服务子程序等,40,主程序,完成实时性要求不高的功能，系统初始化后，键盘处理、刷新显示、数据通信等功能。,41,初始化子程序,硬件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。,42,中断服务子程序,实时性强，由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。转速调节中断子程序（中断级别最低）电流调节中断子程序（中断级别居中）故障保护中断子程序（优先级别最高）,43,转速调节中断子程序,转速反馈转速调节启动测速,44,电流调节中断子程序,电流反馈电流调节PWM生成,45,故障保护中断子程序,封锁PWM输出分析故障原因显示故障并报警,46,作业：,3-1,47,47,主要内容,微型计算机数字控制的主要特点微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件数字测速与滤波数字PI调节器*故障检测、保护与自诊断,48,48,学习要点：,1、数字测速方法：M法、T法、M/T法；2、比较测速方法的精度；3、数字PI调节器的实现，软件算法；重点、难点：数字PI调节器的设计、实现。,49,49,3.3数字测速与滤波,数字测速精度指标数字测速方法M/T法测速软件框图,50,50,3.3.1数字测速精度指标,（1）分辩率改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率Q。Q越小，测速装置的分辩能力越强。,51,51,（2）测速误差率,测量值与实际值的相对误差来表示，,的大小与测速方法和测速元件的制造精度有关。,52,52,3.3.2数字测速方法,1）旋转编码器在数字测速中，常用光电式旋转编码器作为转速或转角的检测元件。,光电转换,53,53,旋转编码器,光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件。,增量式旋转编码器示意图,54,54,两对发光与接收装置，错开光栅节距的1/4，两组脉冲序列A和B的相位相差90,图3-11区分旋转方向的A、B两组脉冲序列,若码盘光栅数为N，则转速分辨率为1/N；常见光栅数1024、2048、4096采用倍频电路可以有效地提高转速分辨率四倍频电路,55,55,2）测速原理,由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。脉冲数字转换方法：（1）M法脉冲直接计数方法；（2）T法脉冲时间计数方法；（3）M/T法脉冲时间混合计数方法。,56,56,3.3.3M法测速,PLG,倍频电路,Bus,Z,记录Tc时间内旋转编码器PLG发出的脉冲数M1，则,Z=倍频系数PLG光栅数,测速原理与波形图,Counter,57,57,M法测速的分辨率和误差率,M法测速适用于高速。,分辨率:,误差率:,58,58,PLG,倍频电路,Conter,CPU,INTn,f,0,3.3.4T法测速,记录PLG一个脉冲间的高频脉冲个数M2，f0为高频脉冲频率，则,电路与波形,59,59,T法测速的分辨率和误差率,分辨率:误差率:T法测速适用于低速段。,60,60,M法测速在高速段分辨率强；T法测速在低速段分辨率强；因此，可以将两种测速方法相结合，取长补短。,两种测速方法的比较,61,61,M/T法既检测Tc时间内PLG输出的脉冲个数M1，又检测相同时间间隔的高频时钟脉冲个数M2。应保证高频时钟脉冲计数器与PLG输出脉冲计数器同时开启与关闭，以减小误差。,3.3.5M/T法测速,62,62,M/T法测速波形图,编码器输出脉冲,高频时钟脉冲,允许计数时间,高速时，相当于M法测速最低速时，M1=1，自动进入T法测速,63,63,M/T法测速,转速计算,误差率,64,64,M/T法测速,误差率在低速时趋向于T法，在高速段M/T法相当于T法的M1次平均，而在这M1次中最多产生一个高频时钟脉冲的误差。故误差率小。M/T法测速适用的转速范围宽，测速精度高。,65,65,3.3.6M/T法测速软件,适用于8X196MC或TMS320X240,捕捉中断,66,66,3.3.7数字滤波,算术平均值滤波中值滤波中值平均滤波,67,67,(1).算术平均值滤波,优点：算法简单。缺点：需要较多的采样次数才能有明显的平滑效果。,68,68,加权算术平均值滤波,其中，,在一般情况下,69,69,(2)中值滤波,将最近连续三次采样值排序，使得,取中值X2为有效信号，舍去X1和X3。中值滤波能有效地滤除偶然型干扰脉冲（作用时间短、幅值大），当干扰信号作用时间相对较长（大于采样时间）则无能为力。,70,70,(3)中值平均滤波,设有N次采样值，排序后得,去掉最大值XN和最小值X1，剩下的取算术平均值即为滤波后的值，,中值平均滤波是中值滤波和算术平均值滤波的结合，既能滤除偶然型干扰脉冲，又能平滑滤波，但程序较为复杂，运算量较大。,71,71,3.4数字PI调节器,模拟PI调节器的数字化改进的数字PI算法智能型PI调节器,72,72,3.4.1模拟PI调节器的数字化,当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。,73,73,PI调节器的传递函数,PI调节器时域表达式其中KP=Kpi为比例系数KI=1/为积分系数,74,74,PI调节器的差分方程,将上式离散化成差分方程，其第k拍输出为其中，Tsam为采样周期,75,75,位置式数字PI调节器算法,积分部分：,比例部分：PI调节器的输出,76,76,增量式PI调节器算法,PI调节器的输出,77,77,限幅值设置,增量式PI调节器算法只需输出限幅；位置式算法必须设置积分限幅和输出限幅，缺一不可。,不考虑限幅时，位置式和增量式两种算法完全等同,78,78,PI调节器算法流程（位置式）,79,79,3.4.2改进的数字PI算法,微机数字控制系统具有很强的逻辑判断和数值运算能力，充分应用这些能力，可以衍生出多种改进的PI算法，提高系统的控制性能。积分分离算法分段PI算法,80,80,(1)积分分离算法,基本思想在微机数字控制系统中，把P和I分开:当偏差大时，只让比例部分起作用，以快速减少偏差；当偏差降低到一定程度后，再将积分作用投入，既可最终消除稳态偏差，又能避免较大的退饱和超调。,81,81,积分分离算法,积分分离算法表达式为,其中,为一常值。,积分分离法能有效抑制振荡，或减小超调，常用于转速调节器。,82,82,(2)分段PI算法,分段PI算法可以解决动态跟随性和稳定性的矛盾，分段PI算法的表达式与离散PI算法完全一样，但有两套或多套PI参数，可根据转速或（和）电流偏差的大小，在不同套的参数中进行切换。,83,83,设计思想,在双闭环直流调速系统中，电流调节器的作用之一是克服反电动势的扰动。在转速变化过程中，必须依靠积分作用抑制反电动势，使电枢电流快速跟随给定值，以保证最大的起动电流。在转速偏差大时，电流调节器应选用较大的KP和KI参数；使实际电流能迅速跟随给定值。在转速偏差较小时，过大的KP和KI又将导致输出电流的振荡，增加转速调节器的负担，严重时还将导致转速的振荡。,84,(3).积分量化误差的消除,积分部分是偏差的积累，当采样周期TSAM较小，且偏差e(k)也较小时，当前的积分项KITSAM(K)可能很小，在运算时被计算机整量化而舍掉，从而产生积分量化误差。一种减少积分量化误差方法。a)扩大运算变量的字长，提高计算精度和分辨率。但会使存储空间和运算复杂程度成倍增加。为了解决这个矛盾，可以只增加积分项的有效字长，并将它分为整数和尾数两部分，整数与比例部分构成调节器输出，尾数保留下来作为下一拍累加的基数值。,85,3.4.3智能型PI调节器,由上述对数字PI算法的改进可以使我们得到启发，利用计算机丰富的逻辑判断和数值运算功能，数字控制器不仅能够实现模拟控制器的数字化，而且可以突破模拟控制器只能完成线性控制规律的局限，完成各类非线性控制、自适应控制乃至智能控制等等，大大拓宽了控制规律的实现范畴。,86,主要的智能控制方法：专家系统模糊控制神经网络控制智能控制特点：控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，因而系统具有较强的鲁棒性和对环境的适应性。,87,88,89,90,3.5按离散控制系统设计数字控制器,系统数学模型数字调节器设计控制软件设计,91,3.5.1系统数学模型,92,系统模型中：转速、电流调节器均采用数字式PI调节器；采样环节可表示为带放大的零阶保持器式中Tsam为系统采样时间。,（3-25）,93,系统简化,如果采用工程设计法，将电流内环矫正为典型I系统，则可将系统简化如下图所示：,94,电流内环的等效传递函数其中电流反馈系数换成电流存储系数K转速反馈通道传递函数其中K为转速存储系数,（3-23）,（3-24）,95,3.5.2数字控制系统分析和设计方法,（1）连续系统设计方法在微机数字控制调速系统的设计中，当采样频率足够高时，可以把它近似地看成是模拟系统，先按模拟系统理论来设计调节器的参数，然后再离散化，得到数字控制算法，这就是按模拟系统的设计方法，或称间接设计法。,96,采样定理用法,在直流调速系统中，电枢电流的时间常数较小，电流内环必须有足够高的采样频率，而电流调节算法一般比较简单，采用较高的采样频率是可能的。因此电流调节器一般都可以采用间接方法设计，即先按连续控制系统设计，然后再将得到的调节器数字化。,97,至于转速环，由于系统的动态性能往往对转速环截止频率的大小有一定要求，不能太低。但转速控制有时比较复杂，占用的机时较长，因而转速环的采样频率又不能很高。如果所选择的采样频率不够高，按连续系统设计误差较大时，就应按照离散控制系统来设计转速调节器。,98,（2）数字系统设计方法：先将系统对象离散化，按数字系统直接设计数字调节器。数字系统分析方法有：Z变换方法W变换方法扩展W变换方法,99,Z变换方法,连续系统,离散系统,Z平面,100,W变换方法,Z平面,离散系统,离散系统,注意：W平面与S平面之间的频率响应发生了畸变。,101,扩展W变换方法,离散系统,离散系统,W平面与S平面之间的频率响应在高采样频率和低角频率时相似。,102,3.5.3控制对象传递函数的离散化,控制对象连续传递函数,(3-27),其中,将两个小惯性环节合并，Tn=Ton+2Ti,103,则其中,(3-28),104,z变换过程,应用z变换线性定理得再应用z变换平移定理，得,(3-29),105,控制对象离散传递函数上式展开成部分分式，对每个分式查表求z变换，再化简后得,(3-30),106,其中,107,控制对象性能分析,控制对象的脉冲传递函数具有两个极点，p1=1；还有一个零点z1，位于负实轴上。,108,3.5.4数字调节器设计,模拟系统的转速调节器一般为PI调节器，比例部分起快速调节作用，积分部分消除稳态偏差。数字调节器也应具备同样的功能，因此仍选用PI型数字调节器。这里，设计方法采用数字频域法。,109,数字频域法设计步骤,（1）通过Z变换，将连续的被控对象模型转换成离散系统模型；（2）通过W变换和W变换，将离散系统的z域模型转换成频域模型；（3）采用频域设计方法，进行系统设计。这时，可利用s域的经典频域设计法，比如，Bode图等系统分析和设计工具。,110,离散系统z域数学模型,转速调节器脉冲传递函数离散系统的开环脉冲传递函数,（3-35）,（3-36）,111,w变换过程,如果要用利用连续系统的对数频率法来设计调节器参数，应先进行w变换，即令则,（3-37）,112,系统w域模型虚拟频率传递函数,再令为虚拟频率，则开环虚拟频率传递函数为,（3-37）,113,其中，开环放大系数,114,当控制对象及采样频率确定后，Kz、2、3、4均为已知常数，但1和K0待定。现需要通过设计转速调节器参数，以确定系统的开环参数1和K0，并满足给定的系统性能指标。,115,数字频域设计方法,由于，经过w变换和w变换后，离散系统在w平面上的数学模型与连续系统有相似的表达形式，而且在一定条件下，其虚拟频率与s平面的系统角频率相近。即w平面相对于s平面，不仅在几何上相似，而且在数值上相近。因此，可以在w平面进行类似的频域分析和设计。,116,系统的开环虚拟对数频率特性为,（3-39a）,（3-39b）,117,根据系统期望虚拟对数频率特性的中频段宽度和相角裕量，可以解出1和K0，再进一步得出调节器的比例系数和积分系数。在具体参数下的开环系统虚拟对数频率特性可参看例题3-2中的图3-21。,118,118,3.6故障检测、保护与自诊断,对实时采样的数据进行处理和分析，利用故障诊断模型或专家知识进行推理，对故障类型或故障发生处作出正确的判断，这就是故障自诊断。,119,119,故障检测、保护与自诊断,故障检测、保护与自诊断的前提是计算机能可靠地工作，检测元