位置式数字PI调节器算法课件

直流调速系统的数字控制第3章电力拖动自动控制系统直流调速系统的数字控制第3章电力拖动自动控制系统1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。模拟系统的优、缺点优点:物理概念清晰;2

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。3.1微型计算机数字控制的主要特点硬件电路标准化程3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4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。Otf(t)原信号Onf(nT)1234…采样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5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OnN(nT)Na(nT)（电压）Nd(nT)（数码）数字化离散信号经保持器保持后，还须经过数字量化，即用6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：产生量化误差，影响控制精度和平滑性。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。离散化和数字化的负面效应离散化:时间上的不连续性73.1.1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。3.1.1数字量化量化的原则是：在保证不溢83.1.2采样频率的选择Shannon采样定理:

采样频率fsam应不小于信号最高频率fmax的2倍，即

fsam

≥

2fmax。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。3.1.2采样频率的选择Shannon采样定理:9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。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10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samc为控制系统的截止频率。系统采样频率的确定在一般情况下，可以令采样周期Tmi113.1.3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。3.1.3微机数字控制系统的输入与输出变量可121.系统给定a)模拟给定

b)数字给定

图3-1 模拟给定和数字给定1.系统给定a)模拟给定b)数字给定图3-1 模拟132.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：一般用A/D转换。2.状态检测状态量检测的作用：构成反馈控制，保14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。极性转换多数状态量为双极性（大小和方向），A/153.输出变量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。3.输出变量用开关量直接控制功率器件的通断163.2微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件下标“dig”表示数字量

图3-3 微机数字控制的双闭环直流调速系统3.2微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件下173.2.1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3.2.1微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构18图3.4微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图图3.4微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图19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主回路微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的20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）。检测回路检测回路包括电压、电流、温度和转速检21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。

故障综合对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发22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。数字控制器专为电机控制设计的微处理器：233.2.2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3.2.2微机数字控制双闭环直流调速系统的控制软件24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。图3.5主程序主程序完成实时性要求不高的功能，系统初始化后，键盘25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。图3.6初始化子程序初始化子程序硬件工作方式的设定、系统运行26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）中断服务子程序实时性强，由相应的中断源提出27转速调节中断子程序转速反馈转速调节启动测速图3.7转速调节中断子程序转速调节中断子程序转速反馈图3.7转速调节中断子程序28电流调节中断子程序电流反馈电流调节PWM生成图3.8电流调节中断子程序电流调节中断子程序电流反馈图3.8电流调节中断子程序29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图3.9故障保护中断子程序故障保护中断子程序封锁PWM输出图3.9故障保护中断子程序303.3数字测速与滤波检测光电式旋转编码器与转速成正比的脉冲，然后计算转速。数字测速方法：（1）M法—脉冲直接计数法（2）T法—脉冲时间计数法（3）M/T法—脉冲时间混合计数法3.3数字测速与滤波检测光电式旋转编码31旋转编码器光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件。

图3-10增量式旋转编码器示意图

旋转编码器光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件。图32

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。3.3.1数字测速精度指标（1）分辩率33（2）测速精度测量值与实际值的相对误差来表示，的大小与测速方法有关。（2）测速精度测量值与实际值的相对误差来表示，343.3.2M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Z=倍频系数×PLG光栅数。

图3-11

测速原理与波形图Counter3.3.2M法测速PLG倍频电路BusZ记录35M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36PLG倍频电路ConterCPUINTnf03.3.3T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，则图3-12

电路与波形PLG倍频电路ConterCPUINTnf03.3.337T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。

T法测速的分辨率和误差率分辨率38

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。

3.3.4M/T法测速M/T法既检测Tc时间内PLG输出的脉39M/T法测速波形图图3-13

测速原理与波形图M/T法测速波形图图3-13测速原理与波形图40M/T法测速转速计算误差率M/T法测速转速计算误差率41M/T法测速

低速时趋向于T法，高速时M2较大，且在M1次中最多丢失一个高频时钟脉冲，故误差率小。

M/T法测速适用的转速范围宽，测速精度高。M/T法测速低速时趋向于T法，高速时M2较大，且在423.4数字PI调节器模拟PI调节器的数字化改进的数字PI算法3.4数字PI调节器模拟PI调节器的数字化433.4.1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。

3.4.1模拟PI调节器的数字化当采样44

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PI调节器的传递函数45

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46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：位置式数字PI调节器算法积分部分：比例部分：47增量式PI调节器算法PI调节器的输出增量式PI调节器算法48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。限幅值设置增量式PI调节器算法只需输出限幅49

PI调节器算法流程图3-17PI调节器算法流程图3-17503.4.2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3.4.2改进的数字PI算法微机数字控制系511.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。1.积分分离算法基本思想52谢谢!谢谢!53直流调速系统的数字控制第3章电力拖动自动控制系统直流调速系统的数字控制第3章电力拖动自动控制系统54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。模拟系统的优、缺点优点:物理概念清晰;55

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。3.1微型计算机数字控制的主要特点硬件电路标准化程56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57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。Otf(t)原信号Onf(nT)1234…采样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58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OnN(nT)Na(nT)（电压）Nd(nT)（数码）数字化离散信号经保持器保持后，还须经过数字量化，即用59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：产生量化误差，影响控制精度和平滑性。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。离散化和数字化的负面效应离散化:时间上的不连续性603.1.1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。3.1.1数字量化量化的原则是：在保证不溢613.1.2采样频率的选择Shannon采样定理:

采样频率fsam应不小于信号最高频率fmax的2倍，即

fsam

≥

2fmax。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。3.1.2采样频率的选择Shannon采样定理:62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。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63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samc为控制系统的截止频率。系统采样频率的确定在一般情况下，可以令采样周期Tmi643.1.3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。3.1.3微机数字控制系统的输入与输出变量可651.系统给定a)模拟给定

b)数字给定

图3-1 模拟给定和数字给定1.系统给定a)模拟给定b)数字给定图3-1 模拟662.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：一般用A/D转换。2.状态检测状态量检测的作用：构成反馈控制，保67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。极性转换多数状态量为双极性（大小和方向），A/683.输出变量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。3.输出变量用开关量直接控制功率器件的通断693.2微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件下标“dig”表示数字量

图3-3 微机数字控制的双闭环直流调速系统3.2微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件下703.2.1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3.2.1微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构71图3.4微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图图3.4微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图72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主回路微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的73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）。检测回路检测回路包括电压、电流、温度和转速检74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。

故障综合对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发75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。数字控制器专为电机控制设计的微处理器：763.2.2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3.2.2微机数字控制双闭环直流调速系统的控制软件77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。图3.5主程序主程序完成实时性要求不高的功能，系统初始化后，键盘78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。图3.6初始化子程序初始化子程序硬件工作方式的设定、系统运行79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）中断服务子程序实时性强，由相应的中断源提出80转速调节中断子程序转速反馈转速调节启动测速图3.7转速调节中断子程序转速调节中断子程序转速反馈图3.7转速调节中断子程序81电流调节中断子程序电流反馈电流调节PWM生成图3.8电流调节中断子程序电流调节中断子程序电流反馈图3.8电流调节中断子程序82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图3.9故障保护中断子程序故障保护中断子程序封锁PWM输出图3.9故障保护中断子程序833.3数字测速与滤波检测光电式旋转编码器与转速成正比的脉冲，然后计算转速。数字测速方法：（1）M法—脉冲直接计数法（2）T法—脉冲时间计数法（3）M/T法—脉冲时间混合计数法3.3数字测速与滤波检测光电式旋转编码84旋转编码器光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件。

图3-10增量式旋转编码器示意图

旋转编码器光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件。图85

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。3.3.1数字测速精度指标（1）分辩率86（2）测速精度测量值与实际值的相对误差来表示，的大小与测速方法有关。（2）测速精度测量值与实际值的相对误差来表示，873.3.2M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Z=倍频系数×PLG光栅数。

图3-11

测速原理与波形图Counter3.3.2M法测速PLG倍频电路BusZ记录88M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89PLG倍频电路ConterCPUINTnf03.3.3T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，则图3-12

电路与波形PLG倍频电路ConterCPUINTnf03.3.390T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。

T法测速的分辨率和误差率分辨率91

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。

3.3.4M/T法测速M/T法既检测Tc时间内PLG输出的脉92M/T法测速波形图图3-13