电力拖动自动控制系统第4课

1、1 12 2本课内容提纲3 34.1 4.1 数字化原理数字化原理q硬件电路标准化程度高硬件电路标准化程度高，不受器件温度漂不受器件温度漂移的影响；移的影响；q进行逻辑判断和复杂运算，实现不同于一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，般线性调节的控制规律，q控制软件更改灵活方便。控制软件更改灵活方便。q具有信息存储、数据通信和故障诊断等功具有信息存储、数据通信和故障诊断等功能。能。 1 1、数字控制的特点、数字控制的特点4 4Otf(t)原信号Onf(nT)1 2 3 4采样1 1）离散化）离散化 对模拟的连续对模拟的连续信号采样形成一连信号采样形成一连串的脉冲信号，即串的

2、脉冲信号，即离散的模拟信号，离散的模拟信号，这就是离散化。这就是离散化。4.1 4.1 数字化原理数字化原理 2 2、信号数字化、信号数字化5 52 2） 采样与采样频率采样与采样频率采样过程采样过程：在连续系统设置采样开关，使采样开关合上的时间远远小在连续系统设置采样开关，使采样开关合上的时间远远小于于断开的时间，即可将连续的模拟信号转变为断续的脉冲信断开的时间，即可将连续的模拟信号转变为断续的脉冲信号。号。采样频率采样频率：根据根据Shannon Shannon 采样定理，采样定理，f fsamsam应不小于信号最高频率应不小于信号最高频率 f fmax max 的的2 2倍，即倍，即 f

3、 fsamsam2 2f fmax max 这样，经采样及保持后，原信号的频谱不发生明显的畸变，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。系统保持原有的性能。6 63 3）工程上采样频率设置）工程上采样频率设置 实际系统中信号的最高频率很难确定，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（系统的过渡过尤其对非周期性信号（系统的过渡过程），其频谱为程），其频谱为 0 0 至至的连续函数，最的连续函数，最高频率理论上为无穷大。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因此，难以直接用采样定理来确定系统的采样频率。的采样频率。 7 7 3 3）

4、工程上采样频率的设置（续）工程上采样频率的设置（续） 在一般情况下，可以令采样周期在一般情况下，可以令采样周期T Tminmin为控制对象的最小时间常数。为控制对象的最小时间常数。或用采样角频率或用采样角频率 sam sam min1041TTsam c c 为控制系统的截止频率为控制系统的截止频率。csam)104(8 84 4）数字化）数字化 离散信号经保持离散信号经保持器保持后，还须经器保持后，还须经过数字量化，即用过数字量化，即用一组数码（如二进一组数码（如二进制码）来逼近离散制码）来逼近离散的模拟信号的模拟信号。 保持保持OnN(nT)Na(nT)（电电压压）Nd(nT)（数码数码）

5、9 9 5 5）离散化和数字化的负面效应）离散化和数字化的负面效应q 离散化离散化: :时间上的不连续性；时间上的不连续性；q 数字化数字化: :量值上的不连续性。量值上的不连续性。 负面效应：负面效应：q A/D转换的转换的量化误差量化误差，影响控制精度和平滑性。，影响控制精度和平滑性。q D/A转换的转换的滞后效应滞后效应，提高控制系统传递函数分母，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，甚至会破坏系统的阶次，使系统的稳定裕量减小，甚至会破坏系统的稳定性。的稳定性。10104.2 4.2 11111 1）系统给定）系统给定a) 模拟给定模拟给定 b) 数字给定数字给定 121

6、22 2）数字控制器）数字控制器l PLC PLC、PACPAC（集成好的控制设备集成好的控制设备）l 微机控制：微机控制： 除了带有除了带有A/DA/D转换器、通用转换器、通用I/OI/O和通信接口；和通信接口； 还带有一般微机并不具备的故障保护、数字还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和测速和PWMPWM生成功能。生成功能。如：如：Intel 8X196MCIntel 8X196MC系列或系列或TMS320X240TMS320X240系列等。系列等。1313 微机数字控制双闭环直流调速系统的软微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有：件有：l主程序主程序l初始化子程序初始化子程序l中断

7、服务子程序等中断服务子程序等2 2）数字控制器（续）数字控制器（续1 1）1414主程序主程序 完成实时性完成实时性要求不高的功能，要求不高的功能，系统初始化后，系统初始化后，键盘处理、刷新键盘处理、刷新显示、数据通信显示、数据通信等功能。等功能。开始系统初始化键处理刷新显示数据通信有键按下吗？YN1515初始化子程序初始化子程序 硬件工作方式硬件工作方式的设定、系统运的设定、系统运行参数和变量的行参数和变量的初始化等。初始化等。系统初始化设定定时器、PWM、数字测速工作方式参数及变量初始化设定I/O、通信接口及显示、键盘工作方式返回1616中断服务子程序中断服务子程序 实时性强，由相应的中断

8、源提出申请，实时性强，由相应的中断源提出申请，CPUCPU实时响应。实时响应。 q转速调节中断子程序（中断级别最低）转速调节中断子程序（中断级别最低）q电流调节中断子程序（中断级别居中）电流调节中断子程序（中断级别居中）q故障保护中断子程序（优先级别最高）故障保护中断子程序（优先级别最高）1717转速调节中断子程序转速调节中断子程序保护现场读入转速给定计算转速转速调节允许测速恢复现场中断返回转速反馈转速反馈转速调节转速调节启动测速启动测速1818故障保护中断子程序故障保护中断子程序封锁封锁PWMPWM输出输出分析故障原因分析故障原因显示故障并报警显示故障并报警封锁PWM输出分析、判断故障原因显

9、示故障原因故障报警等待系统复位19193 3）检测反馈）检测反馈 输出量检测的作用：构成反馈控制，保护和故障诊断信息的来源。1 1）转速检测：）转速检测：模拟和数字检测方法。2 2）电流和电压检测）电流和电压检测：检测后由检测后由 A/D A/D 转换通道变为数字量送入微机转换通道变为数字量送入微机。2020 转速检测转速检测有模拟和数字两种检测方法：有模拟和数字两种检测方法： （1 1）模拟测速一般采用测速发电机，其输出电）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。压不仅表示了转速的大小，还包含了转速的方向。 （2 2）对于要求精度高、调速范围大的系统，

10、往）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。往需要采用旋转编码器测速，即数字测速。2121电流和电压检测电流和电压检测 电流和电压检测除了用来构成相应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的反馈控制外，还是各种保护和故障诊断信息的来源。诊断信息的来源。电流、电压信号也电流、电压信号也存在幅值和极性的问题，需经过一定存在幅值和极性的问题，需经过一定的处理后，经的处理后，经A/DA/D转换送入微机转换送入微机，其，其处理方法与转速相同。处理方法与转速相同。2222霍尔效应电流变换器霍尔效应电流变换器 UH = KH B IclKH为霍尔常数

11、；lB为与被测电流Id成正比的磁通密度；lIc为控制电流。R1R0A1R0R1UHIdIcUi2323234.3 4.3 数字测速与滤波数字测速与滤波n数字测速精度指标n数字测速方法nM/T 法测速软件框图2424244.3.1 数字测速精度指标数字测速精度指标（1 1）分辩率）分辩率 改变一个计数字所对应的转速变化量改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率来表示分辨率Q Q。 Q Q 越小，测速装置的分辩能力越强越小，测速装置的分辩能力越强。12nnQ252525（2 2）测速误差率）测速误差率 测量值与实际值的相对误差来表示，测量值与实际值的相对误差来表示，%100nn 的大小与测速方

12、法和测速元件的制造精度有关。2626264.3.2 4.3.2 数字测速方法数字测速方法1）旋转编码器旋转编码器 在数字测在数字测速中，常用速中，常用光电式旋转光电式旋转编码器作为编码器作为转速或转角转速或转角的检测元件。的检测元件。光电转换光电转换272727旋转编码器旋转编码器 光电式光电式旋转编码旋转编码器是转速器是转速或转角的或转角的检测元件。检测元件。 码盘轴发光装置接收装置CCV增量式旋转编码器示意图增量式旋转编码器示意图 282828两对发光与接收装置，错开光栅节距的两对发光与接收装置，错开光栅节距的1/4，两，两组脉冲序列组脉冲序列A和和B的相位相差的相位相差90图3-11 区

13、分旋转方向区分旋转方向的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2929292）测速原理）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。3030303.3.3 M法测速PLG倍频电路BusZ 记录Tc时间内旋转编码器PLG发出的脉冲数M1，则c160ZTMn Z=倍频系数PLG光栅数 测速原理与波形图CountercT1

14、M313131M法测速的分辨率和误差率M M法测速适用于高速。法测速适用于高速。%1001%10060 )1(60 601c1c1c1maxMZTMZTMZTMcc1c16060) 1(60ZTZTMZTMQ分辨率:误差率:323232PLG倍频电路ConterCPUINTnf03.3.4 T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2060ZMfn 2M02fMTt333333T法测速的分辨率和误差率 分辨率:误差率: T T法测速适用于低速段。法测速适用于低速段。 %10011%10060 60 ) 1(602202020maxMZMfZMfMZf)

15、1(6060) 1(602202020MZMfZMfMZfQ343434lM法测速在高速段分辨率强；lT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。n 两种测速方法的比较353535 M/TM/T法既检测法既检测 T Tc c 时间内时间内PLGPLG输出输出的脉冲个数的脉冲个数M M1 1，又检测相同时间间，又检测相同时间间隔的高频时钟脉冲个数隔的高频时钟脉冲个数M M2 2。 应保证高频时钟脉冲计数器与应保证高频时钟脉冲计数器与PLGPLG输出脉冲计数器同时开启与关闭，输出脉冲计数器同时开启与关闭，以减小误差以减小误差。 4.3.5 M/T4.3.5 M/T法测速法

16、测速363636M/TM/T法测速波形图法测速波形图cT1M2M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373737M/TM/T法测速法测速转速计算转速计算101c26060 M fMnZTZM%1001M1%100ZMfM60 ZMfM60) 1M(ZfM602201201201max误差率误差率383838M/TM/T法测速法测速 误差率在误差率在低速时趋向于低速时趋向于T T法，法，在高速段在高速段M/TM/T法相当于法相当于T T法的法的 M M1 1次平均，而在这次平均，而在这 M M1 1 次中最多产生一个高频时钟脉冲的误差

17、。次中最多产生一个高频时钟脉冲的误差。故误差率小。故误差率小。 M/TM/T法测速适用的转速范围宽，测法测速适用的转速范围宽，测速精度高速精度高。393939M/TM/T法测速软件法测速软件 允许/禁止测速开放捕捉中断保护现场中断返回恢复现场适用于8X196MC或TMS320X240捕捉中断4040404.3.6 4.3.6 数字滤波数字滤波 l算术平均值滤波算术平均值滤波l中值滤波中值滤波l中值平均滤波中值平均滤波414141(1). 算术平均值滤波 优点：算法简单。优点：算法简单。 缺点：需要较多的采样次数才能有明显缺点：需要较多的采样次数才能有明显的平滑效果。的平滑效果。NiiXNY11

18、424242加权算术平均值滤波加权算术平均值滤波其中，其中，NiiiXaY1121NaaaNaaa210在一般情况下434343(2)中值滤波将最近连续三次采样值排序，使得将最近连续三次采样值排序，使得321XXX 取中值取中值X X2 2为有效信号，舍去为有效信号，舍去X X1 1和和X X3 3。 中值滤波能有效地滤除偶然型干扰脉冲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（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）则无能用时间相对较长（大于采样时间）则无能为力。为力。444444(3)中值平均滤波设有设有N N次采样值，排序后得次采样值，

19、排序后得 NXXX211221NiiXNY 去掉最大值去掉最大值X XN N和最小值和最小值X X1 1，剩下的取算术，剩下的取算术平均值即为滤波后的值，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，但程序较为复杂，运算量较大。4545454.4 数字PI调节器l 模拟模拟PIPI调节器的数字化调节器的数字化l 改进的数字改进的数字PIPI算法算法l 智能型智能型PIPI调节器调节器 4646464.4.1 4.4.1 模拟

20、模拟PIPI调节器的数字化调节器的数字化 当采样频率足够高时，可以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，这就是模拟调节控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。器的数字化。 474747 PIPI调节器的传递函数调节器的传递函数PIPI调节器时域表达式调节器时域表达式其中其中 K KP P= = K Kpipi 为比例系数为比例系数 K KI I =1/=1/ 为积分系数为积分系数 ssKsEsUsW1)()()(pipitteKteKtteteKtud )()(d )(1)()(IP

21、pi484848 PIPI调节器的差分方程调节器的差分方程将上式离散化成差分方程，其第将上式离散化成差分方程，其第 k k 拍输出为拍输出为其中，其中，T Tsamsam为采样周期为采样周期 ) 1()()()()()()()(IsamIPIP1samIPkukeTKkeKkukeKieTKkeKkuki494949位置式位置式数字数字PIPI调节器算法原理调节器算法原理积分部分：积分部分： ) 1()()(IsamIkukeTKkuI比例部分：比例部分： PIPI调节器的输出调节器的输出)()()(kukukuIP)()(PkeKkuP505050位置式位置式数字数字PIPI调节器算法缺陷调

22、节器算法缺陷 位置式位置式PIDPID控制算法的缺点：当前采样时刻控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要的输出与过去的各个状态有关，计算时要对对e(k)e(k)进行进行累加，运算量大累加，运算量大；而且控制器；而且控制器的输出的输出u(k)u(k)对应的是对应的是执行机构的实际位置执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，如果计算机出现故障，u(k)u(k)的大幅度变化的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。会引起执行机构位置的大幅度变化。515151增量式增量式PIPI调节器算法调节器算法lPI调节器的输出调节器的输出)() 1()()() 1()()() 1()

23、()(samIP11samIP1samIPkeTKkekeKieTKkeKieTKkeKkukukukiki)() 1()(kukuku525252增量式增量式PIPI调节器算法优点调节器算法优点算式中不需要累加。控制增量算式中不需要累加。控制增量u(k)u(k)的确的确定仅与最近定仅与最近3 3次的采样值有关，容易通过加次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；计算机权处理获得比较好的控制效果；计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；手动小、不会

24、严重影响生产过程；手动自自动切换时冲击小。当控制从手动向自动切动切换时冲击小。当控制从手动向自动切换时，可以作到无扰动切换。换时，可以作到无扰动切换。535353 限幅值设置限幅值设置 增量式增量式PIPI调节器算法只需调节器算法只需输出输出限幅；限幅； 位置式算法必须设置位置式算法必须设置积分限幅积分限幅和和输出限幅输出限幅，缺一不可缺一不可。不考虑限幅时，位置式和增量式两种算法完全等同545454 PIPI调节器算法流程（位置式）调节器算法流程（位置式）5555553.4.2 3.4.2 改进的数字改进的数字PIPI算法算法 微机数字控制系统具有很强的逻辑判微机数字控制系统具有很强的逻辑判

25、断和数值运算能力，充分应用这些能力，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可以衍生出多种改进的PIPI算法，提高系统算法，提高系统的控制性能。的控制性能。l积分分离算法积分分离算法l分段分段PIPI算法算法565656(1)(1)积分分离算法积分分离算法l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。575757 积分分离算法积分分离算法l积分分离算法表达式为积分分离算法表达式为kiieTKCkeKku1samIIP)()()(其中 )

26、(, 0)(, 1IieieC为一常值。 积分分离法能有效抑制振荡，或减小积分分离法能有效抑制振荡，或减小超调超调，常用于转速调节器。，常用于转速调节器。 585858(2)(2)分段分段PIPI算法算法 分段分段PIPI算法可以解决动态跟随性和算法可以解决动态跟随性和稳定性的矛盾，分段稳定性的矛盾，分段PIPI算法的表达式与算法的表达式与离散离散PIPI算法完全一样，算法完全一样， 但有两套或多套但有两套或多套PIPI参数，可根据转参数，可根据转速偏差的大小，在不同套的参数中进行速偏差的大小，在不同套的参数中进行切换。切换。 595959设计思想设计思想 在双闭环直流调速系统中，电流调节在双

27、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，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。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在转速偏差大时，电流调节器应选用较大的大的K KP P和和K KI I参数；参数；使实际电流能迅速跟随使实际电流能迅速跟随给定值。给定值。 在转速偏差较小时，过大的在转速偏差较小时，过大的K KP P和和K KI I又将又将导致输出电流的振荡，导致输出电流的振荡，增加转速调节

28、器的增加转速调节器的负担，严重时还将导致转速的振荡。负担，严重时还将导致转速的振荡。60603.4.3 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。 6161l主要的智能控制方法：主要的智能控制方法：l专家系统l模糊控制l神经网络控制l智能控制特点智能控制特点： 控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，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因而系统具有

29、较强的鲁棒性鲁棒性和和对环境的适应对环境的适应性性。 返回目录返回目录6262624.5 4.5 故障检测、保护与自诊断故障检测、保护与自诊断 对实时采样的数据进行处理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，这故障发生处作出正确的判断，这就是就是故障自诊断故障自诊断。636363故障检测、保护与自诊断故障检测、保护与自诊断 故障检测、保护与自诊断的前提是故障检测、保护与自诊断的前提是计算机能可靠地工作，检测元件也正确计算机能可靠地工作，检测元件也正确无误，无误，而对于计算机

30、和检测元件本身的而对于计算机和检测元件本身的故障只能依靠人工来检查。故障只能依靠人工来检查。6464643.6.1 3.6.1 故障检测故障检测 1.1.供电电源故障检测供电电源故障检测 三相供电电源常见的故障为过电压、三相供电电源常见的故障为过电压、欠电压和缺相。欠电压和缺相。 由三相供电电源经电压互感器、三相由三相供电电源经电压互感器、三相不可控整流桥和滤波环节，得到与供电电不可控整流桥和滤波环节，得到与供电电压幅值成正比的直流电压，经压幅值成正比的直流电压，经A/DA/D转换输入转换输入至计算机。至计算机。数字控制系统定时采样该直流数字控制系统定时采样该直流电压，并与上、下限值进行比较电压，并与上、下限值进行比较，即可判，即可判断是否出现过电压或欠电压故障。断是否出现过电压或欠电压故障。656565 缺相检测缺相检测 缺相检测采用缺相检测采用缺相继电器缺相继电器:正常时，继电器常开触点打开，缺相输正常时，继电器常开触点打开，缺相输出信号为低电平；出信号为低电平；缺相时，继电器常开触点闭合，缺相输缺相时，继电器常开触点闭合，缺相输出信号呈高电平。定时检测缺相检测输出出信号呈高电平。定时检测缺相检测输出电路电平，即可判断是否出现缺相故障。电路电平，即可判断是否出现缺相故障。66