1、1 12 2本課內容提綱3 34.1 4.1 數字化原理數字化原理q硬件電路標準化程度高硬件電路標準化程度高，不受器件溫度漂不受器件溫度漂移的影響；移的影響；q進行邏輯判斷和復雜運算，實現不同于一進行邏輯判斷和復雜運算，實現不同于一般線性調節的控制規律，般線性調節的控制規律，q控制軟件更改靈活方便。控制軟件更改靈活方便。q具有信息存儲、數據通信和故障診斷等功具有信息存儲、數據通信和故障診斷等功能。能。 1 1、數字控制的特點、數字控制的特點4 4Otf(t)原信號Onf(nT)1 2 3 4采樣1 1）離散化）離散化 對模擬的連續對模擬的連續信號采樣形成一連信號采樣形成一連串的脈沖信號，即串的

2、脈沖信號，即離散的模擬信號，離散的模擬信號，這就是離散化。這就是離散化。4.1 4.1 數字化原理數字化原理 2 2、信號數字化、信號數字化5 52 2） 采樣與采樣頻率采樣與采樣頻率采樣過程采樣過程：在連續系統設置采樣開關，使采樣開關合上的時間遠遠小在連續系統設置采樣開關，使采樣開關合上的時間遠遠小于于斷開的時間，即可將連續的模擬信號轉變為斷續的脈沖信斷開的時間，即可將連續的模擬信號轉變為斷續的脈沖信號。號。采樣頻率采樣頻率：根據根據Shannon Shannon 采樣定理，采樣定理，f fsamsam應不小于信號最高頻率應不小于信號最高頻率 f fmax max 的的2 2倍，即倍，即 f

3、 fsamsam2 2f fmax max 這樣，經采樣及保持后，原信號的頻譜不發生明顯的畸變，這樣，經采樣及保持后，原信號的頻譜不發生明顯的畸變，系統保持原有的性能。系統保持原有的性能。6 63 3）工程上采樣頻率設置）工程上采樣頻率設置 實際系統中信號的最高頻率很難確定，實際系統中信號的最高頻率很難確定，尤其對非周期性信號（系統的過渡過尤其對非周期性信號（系統的過渡過程），其頻譜為程），其頻譜為 0 0 至至的連續函數，最的連續函數，最高頻率理論上為無窮大。高頻率理論上為無窮大。 因此，難以直接用采樣定理來確定系統因此，難以直接用采樣定理來確定系統的采樣頻率。的采樣頻率。 7 7 3 3）

4、工程上采樣頻率的設置（續）工程上采樣頻率的設置（續） 在一般情況下，可以令采樣周期在一般情況下，可以令采樣周期T Tminmin為控制對象的最小時間常數。為控制對象的最小時間常數。或用采樣角頻率或用采樣角頻率 sam sam min1041TTsam c c 為控制系統的截止頻率為控制系統的截止頻率。csam)104(8 84 4）數字化）數字化 離散信號經保持離散信號經保持器保持后，還須經器保持后，還須經過數字量化，即用過數字量化，即用一組數碼（如二進一組數碼（如二進制碼）來逼近離散制碼）來逼近離散的模擬信號的模擬信號。 保持保持OnN(nT)Na(nT)（電電壓壓）Nd(nT)（數碼數碼）

5、9 9 5 5）離散化和數字化的負面效應）離散化和數字化的負面效應q 離散化離散化: :時間上的不連續性；時間上的不連續性；q 數字化數字化: :量值上的不連續性。量值上的不連續性。 負面效應：負面效應：q A/D轉換的轉換的量化誤差量化誤差，影響控制精度和平滑性。，影響控制精度和平滑性。q D/A轉換的轉換的滯后效應滯后效應，提高控制系統傳遞函數分母，提高控制系統傳遞函數分母的階次，使系統的穩定裕量減小，甚至會破壞系統的階次，使系統的穩定裕量減小，甚至會破壞系統的穩定性。的穩定性。10104.2 4.2 11111 1）系統給定）系統給定a) 模擬給定模擬給定 b) 數字給定數字給定 121

6、22 2）數字控制器）數字控制器l PLC PLC、PACPAC（集成好的控制設備集成好的控制設備）l 微機控制：微機控制： 除了帶有除了帶有A/DA/D轉換器、通用轉換器、通用I/OI/O和通信接口；和通信接口； 還帶有一般微機并不具備的故障保護、數字還帶有一般微機并不具備的故障保護、數字測速和測速和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 微機數字控制雙閉環直流調速系統的軟微機數字控制雙閉環直流調速系統的軟件有：件有：l主程序主程序l初始化子程序初始化子程序l中斷

7、服務子程序等中斷服務子程序等2 2）數字控制器（續）數字控制器（續1 1）1414主程序主程序 完成實時性完成實時性要求不高的功能，要求不高的功能，系統初始化后，系統初始化后，鍵盤處理、刷新鍵盤處理、刷新顯示、數據通信顯示、數據通信等功能。等功能。開始系統初始化鍵處理刷新顯示數據通信有鍵按下嗎？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設定、系統運的設定、系統運行參數和變量的行參數和變量的初始化等。初始化等。系統初始化設定定時器、PWM、數字測速工作方式參數及變量初始化設定I/O、通信接口及顯示、鍵盤工作方式返回1616中斷服務子程序中斷服務子程序 實時性強，由相應的中斷

8、源提出申請，實時性強，由相應的中斷源提出申請，CPUCPU實時響應。實時響應。 q轉速調節中斷子程序（中斷級別最低）轉速調節中斷子程序（中斷級別最低）q電流調節中斷子程序（中斷級別居中）電流調節中斷子程序（中斷級別居中）q故障保護中斷子程序（優先級別最高）故障保護中斷子程序（優先級別最高）1717轉速調節中斷子程序轉速調節中斷子程序保護現場讀入轉速給定計算轉速轉速調節允許測速恢復現場中斷返回轉速反饋轉速反饋轉速調節轉速調節啟動測速啟動測速1818故障保護中斷子程序故障保護中斷子程序封鎖封鎖PWMPWM輸出輸出分析故障原因分析故障原因顯示故障并報警顯示故障并報警封鎖PWM輸出分析、判斷故障原因顯

9、示故障原因故障報警等待系統復位19193 3）檢測反饋）檢測反饋 輸出量檢測的作用：構成反饋控制，保護和故障診斷信息的來源。1 1）轉速檢測：）轉速檢測：模擬和數字檢測方法。2 2）電流和電壓檢測）電流和電壓檢測：檢測后由檢測后由 A/D A/D 轉換通道變為數字量送入微機轉換通道變為數字量送入微機。2020 轉速檢測轉速檢測有模擬和數字兩種檢測方法：有模擬和數字兩種檢測方法： （1 1）模擬測速一般采用測速發電機，其輸出電）模擬測速一般采用測速發電機，其輸出電壓不僅表示了轉速的大小，還包含了轉速的方向。壓不僅表示了轉速的大小，還包含了轉速的方向。 （2 2）對于要求精度高、調速范圍大的系統，

10、往）對于要求精度高、調速范圍大的系統，往往需要采用旋轉編碼器測速，即數字測速。往需要采用旋轉編碼器測速，即數字測速。2121電流和電壓檢測電流和電壓檢測 電流和電壓檢測除了用來構成相應電流和電壓檢測除了用來構成相應的反饋控制外，還是各種保護和故障的反饋控制外，還是各種保護和故障診斷信息的來源。診斷信息的來源。電流、電壓信號也電流、電壓信號也存在幅值和極性的問題，需經過一定存在幅值和極性的問題，需經過一定的處理后，經的處理后，經A/DA/D轉換送入微機轉換送入微機，其，其處理方法與轉速相同。處理方法與轉速相同。2222霍爾效應電流變換器霍爾效應電流變換器 UH = KH B IclKH為霍爾常數

11、；lB為與被測電流Id成正比的磁通密度；lIc為控制電流。R1R0A1R0R1UHIdIcUi2323234.3 4.3 數字測速與濾波數字測速與濾波n數字測速精度指標n數字測速方法nM/T 法測速軟件框圖2424244.3.1 數字測速精度指標數字測速精度指標（1 1）分辯率）分辯率 改變一個計數字所對應的轉速變化量改變一個計數字所對應的轉速變化量來表示分辨率來表示分辨率Q Q。 Q Q 越小，測速裝置的分辯能力越強越小，測速裝置的分辯能力越強。12nnQ252525（2 2）測速誤差率）測速誤差率 測量值與實際值的相對誤差來表示，測量值與實際值的相對誤差來表示，%100nn 的大小與測速方

12、法和測速元件的制造精度有關。2626264.3.2 4.3.2 數字測速方法數字測速方法1）旋轉編碼器旋轉編碼器 在數字測在數字測速中，常用速中，常用光電式旋轉光電式旋轉編碼器作為編碼器作為轉速或轉角轉速或轉角的檢測元件。的檢測元件。光電轉換光電轉換272727旋轉編碼器旋轉編碼器 光電式光電式旋轉編碼旋轉編碼器是轉速器是轉速或轉角的或轉角的檢測元件。檢測元件。 碼盤軸發光裝置接收裝置CCV增量式旋轉編碼器示意圖增量式旋轉編碼器示意圖 282828兩對發光與接收裝置，錯開光柵節距的兩對發光與接收裝置，錯開光柵節距的1/4，兩，兩組脈沖序列組脈沖序列A和和B的相位相差的相位相差90圖3-11 區

13、分旋轉方向區分旋轉方向的A、B兩組脈沖序列若碼盤光柵數為N，則轉速分辨率為1/N；常見光柵數1024、2048、4096采用倍頻電路可以有效地提高轉速分辨率四倍頻電路2929292）測速原理）測速原理 由光電式旋轉編碼器產生與被測轉速成正比的脈沖，測速裝置將輸入脈沖轉換為以數字形式表示的轉速值。 脈沖數字轉換方法： （1）M法脈沖直接計數方法； （2）T法脈沖時間計數方法； （3）M/T法脈沖時間混合計數方法。3030303.3.3 M法測速PLG倍頻電路BusZ 記錄Tc時間內旋轉編碼器PLG發出的脈沖數M1，則c160ZTMn Z=倍頻系數PLG光柵數 測速原理與波形圖CountercT1

14、M313131M法測速的分辨率和誤差率M M法測速適用于高速。法測速適用于高速。%1001%10060 )1(60 601c1c1c1maxMZTMZTMZTMcc1c16060) 1(60ZTZTMZTMQ分辨率:誤差率:323232PLG倍頻電路ConterCPUINTnf03.3.4 T法測速 記錄PLG一個脈沖間的高頻脈沖個數M2，f0為高頻脈沖頻率，則電路與波形2060ZMfn 2M02fMTt333333T法測速的分辨率和誤差率 分辨率:誤差率: T T法測速適用于低速段。法測速適用于低速段。 %10011%10060 60 ) 1(602202020maxMZMfZMfMZf)

15、1(6060) 1(602202020MZMfZMfMZfQ343434lM法測速在高速段分辨率強；lT法測速在低速段分辨率強； 因此，可以將兩種測速方法相結合，取長補短。n 兩種測速方法的比較353535 M/TM/T法既檢測法既檢測 T Tc c 時間內時間內PLGPLG輸出輸出的脈沖個數的脈沖個數M M1 1，又檢測相同時間間，又檢測相同時間間隔的高頻時鐘脈沖個數隔的高頻時鐘脈沖個數M M2 2。 應保證高頻時鐘脈沖計數器與應保證高頻時鐘脈沖計數器與PLGPLG輸出脈沖計數器同時開啟與關閉，輸出脈沖計數器同時開啟與關閉，以減小誤差以減小誤差。 4.3.5 M/T4.3.5 M/T法測速法

16、測速363636M/TM/T法測速波形圖法測速波形圖cT1M2M編碼器輸出脈沖高頻時鐘脈沖允許計數時間高速時，相當于M法測速最低速時，M1 =1，自動進入T法測速373737M/TM/T法測速法測速轉速計算轉速計算101c26060 M fMnZTZM%1001M1%100ZMfM60 ZMfM60) 1M(ZfM602201201201max誤差率誤差率383838M/TM/T法測速法測速 誤差率在誤差率在低速時趨向于低速時趨向于T T法，法，在高速段在高速段M/TM/T法相當于法相當于T T法的法的 M M1 1次平均，而在這次平均，而在這 M M1 1 次中最多產生一個高頻時鐘脈沖的誤差

17、。次中最多產生一個高頻時鐘脈沖的誤差。故誤差率小。故誤差率小。 M/TM/T法測速適用的轉速范圍寬，測法測速適用的轉速范圍寬，測速精度高速精度高。393939M/TM/T法測速軟件法測速軟件 允許/禁止測速開放捕捉中斷保護現場中斷返回恢復現場適用于8X196MC或TMS320X240捕捉中斷4040404.3.6 4.3.6 數字濾波數字濾波 l算術平均值濾波算術平均值濾波l中值濾波中值濾波l中值平均濾波中值平均濾波414141(1). 算術平均值濾波 優點：算法簡單。優點：算法簡單。 缺點：需要較多的采樣次數才能有明顯缺點：需要較多的采樣次數才能有明顯的平滑效果。的平滑效果。NiiXNY11

18、424242加權算術平均值濾波加權算術平均值濾波其中，其中，NiiiXaY1121NaaaNaaa210在一般情況下434343(2)中值濾波將最近連續三次采樣值排序，使得將最近連續三次采樣值排序，使得321XXX 取中值取中值X X2 2為有效信號，舍去為有效信號，舍去X X1 1和和X X3 3。 中值濾波能有效地濾除偶然型干擾脈沖中值濾波能有效地濾除偶然型干擾脈沖（作用時間短、幅值大），當干擾信號作（作用時間短、幅值大），當干擾信號作用時間相對較長（大于采樣時間）則無能用時間相對較長（大于采樣時間）則無能為力。為力。444444(3)中值平均濾波設有設有N N次采樣值，排序后得次采樣值，

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，剩下的取算術，剩下的取算術平均值即為濾波后的值，平均值即為濾波后的值， 中值平均濾波是中值濾波和算術平均值濾波的中值平均濾波是中值濾波和算術平均值濾波的結合，既能濾除偶然型干擾脈沖，又能平滑濾波結合，既能濾除偶然型干擾脈沖，又能平滑濾波，但程序較為復雜，運算量較大，但程序較為復雜，運算量較大。4545454.4 數字PI調節器l 模擬模擬PIPI調節器的數字化調節器的數字化l 改進的數字改進的數字PIPI算法算法l 智能型智能型PIPI調節器調節器 4646464.4.1 4.4.1 模擬

20、模擬PIPI調節器的數字化調節器的數字化 當采樣頻率足夠高時，可以當采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統的設計方法設計調先按模擬系統的設計方法設計調節器，然后再離散化，得到數字節器，然后再離散化，得到數字控制器的算法，這就是模擬調節控制器的算法，這就是模擬調節器的數字化。器的數字化。 474747 PIPI調節器的傳遞函數調節器的傳遞函數PIPI調節器時域表達式調節器時域表達式其中其中 K KP P= = K Kpipi 為比例系數為比例系數 K KI I =1/=1/ 為積分系數為積分系數 ssKsEsUsW1)()()(pipitteKteKtteteKtud )()(d )(1)()(IP

21、pi484848 PIPI調節器的差分方程調節器的差分方程將上式離散化成差分方程，其第將上式離散化成差分方程，其第 k k 拍輸出為拍輸出為其中，其中，T Tsamsam為采樣周期為采樣周期 ) 1()()()()()()()(IsamIPIP1samIPkukeTKkeKkukeKieTKkeKkuki494949位置式位置式數字數字PIPI調節器算法原理調節器算法原理積分部分：積分部分： ) 1()()(IsamIkukeTKkuI比例部分：比例部分： PIPI調節器的輸出調節器的輸出)()()(kukukuIP)()(PkeKkuP505050位置式位置式數字數字PIPI調節器算法缺陷調

22、節器算法缺陷 位置式位置式PIDPID控制算法的缺點：當前采樣時刻控制算法的缺點：當前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態有關，計算時要的輸出與過去的各個狀態有關，計算時要對對e(k)e(k)進行進行累加，運算量大累加，運算量大；而且控制器；而且控制器的輸出的輸出u(k)u(k)對應的是對應的是執行機構的實際位置執行機構的實際位置，如果計算機出現故障，如果計算機出現故障，u(k)u(k)的大幅度變化的大幅度變化會引起執行機構位置的大幅度變化。會引起執行機構位置的大幅度變化。515151增量式增量式PIPI調節器算法調節器算法lPI調節器的輸出調節器的輸出)() 1()()() 1()()() 1()

23、()(samIP11samIP1samIPkeTKkekeKieTKkeKieTKkeKkukukukiki)() 1()(kukuku525252增量式增量式PIPI調節器算法優點調節器算法優點算式中不需要累加。控制增量算式中不需要累加。控制增量u(k)u(k)的確的確定僅與最近定僅與最近3 3次的采樣值有關，容易通過加次的采樣值有關，容易通過加權處理獲得比較好的控制效果；計算機權處理獲得比較好的控制效果；計算機每次只輸出控制增量，即對應執行機構位每次只輸出控制增量，即對應執行機構位置的變化量，故機器發生故障時影響范圍置的變化量，故機器發生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產過程；手動小、不會

24、嚴重影響生產過程；手動自自動切換時沖擊小。當控制從手動向自動切動切換時沖擊小。當控制從手動向自動切換時，可以作到無擾動切換。換時，可以作到無擾動切換。535353 限幅值設置限幅值設置 增量式增量式PIPI調節器算法只需調節器算法只需輸出輸出限幅；限幅； 位置式算法必須設置位置式算法必須設置積分限幅積分限幅和和輸出限幅輸出限幅，缺一不可缺一不可。不考慮限幅時，位置式和增量式兩種算法完全等同545454 PIPI調節器算法流程（位置式）調節器算法流程（位置式）5555553.4.2 3.4.2 改進的數字改進的數字PIPI算法算法 微機數字控制系統具有很強的邏輯判微機數字控制系統具有很強的邏輯判

25、斷和數值運算能力，充分應用這些能力，斷和數值運算能力，充分應用這些能力，可以衍生出多種改進的可以衍生出多種改進的PIPI算法，提高系統算法，提高系統的控制性能。的控制性能。l積分分離算法積分分離算法l分段分段PIPI算法算法565656(1)(1)積分分離算法積分分離算法l基本思想 在微機數字控制系統中，把P和I分開: 當偏差大時，只讓比例部分起作用，以快速減少偏差； 當偏差降低到一定程度后，再將積分作用投入，既可最終消除穩態偏差，又能避免較大的退飽和超調。575757 積分分離算法積分分離算法l積分分離算法表達式為積分分離算法表達式為kiieTKCkeKku1samIIP)()()(其中 )

26、(, 0)(, 1IieieC為一常值。 積分分離法能有效抑制振蕩，或減小積分分離法能有效抑制振蕩，或減小超調超調，常用于轉速調節器。，常用于轉速調節器。 585858(2)(2)分段分段PIPI算法算法 分段分段PIPI算法可以解決動態跟隨性和算法可以解決動態跟隨性和穩定性的矛盾，分段穩定性的矛盾，分段PIPI算法的表達式與算法的表達式與離散離散PIPI算法完全一樣，算法完全一樣， 但有兩套或多套但有兩套或多套PIPI參數，可根據轉參數，可根據轉速偏差的大小，在不同套的參數中進行速偏差的大小，在不同套的參數中進行切換。切換。 595959設計思想設計思想 在雙閉環直流調速系統中，電流調節在雙

27、閉環直流調速系統中，電流調節器的作用之一是克服反電動勢的擾動。在器的作用之一是克服反電動勢的擾動。在轉速變化過程中，必須依靠積分作用抑制轉速變化過程中，必須依靠積分作用抑制反電動勢，使電樞電流快速跟隨給定值，反電動勢，使電樞電流快速跟隨給定值，以保證最大的起動電流。以保證最大的起動電流。 在轉速偏差大時，電流調節器應選用較在轉速偏差大時，電流調節器應選用較大的大的K KP P和和K KI I參數；參數；使實際電流能迅速跟隨使實際電流能迅速跟隨給定值。給定值。 在轉速偏差較小時，過大的在轉速偏差較小時，過大的K KP P和和K KI I又將又將導致輸出電流的振蕩，導致輸出電流的振蕩，增加轉速調節

28、器的增加轉速調節器的負擔，嚴重時還將導致轉速的振蕩。負擔，嚴重時還將導致轉速的振蕩。60603.4.3 智能型PI調節器 由上述對數字PI算法的改進可以使我們得到啟發，利用計算機豐富的邏輯判斷和數值運算功能，數字控制器不僅能夠實現模擬控制器的數字化，而且可以突破模擬控制器只能完成線性控制規律的局限，完成各類非線性控制、自適應控制乃至智能控制等等，大大拓寬了控制規律的實現范疇。 6161l主要的智能控制方法：主要的智能控制方法：l專家系統l模糊控制l神經網絡控制l智能控制特點智能控制特點： 控制算法不依賴或不完全依賴于對象模型，控制算法不依賴或不完全依賴于對象模型，因而系統具有較強的因而系統具有

29、較強的魯棒性魯棒性和和對環境的適應對環境的適應性性。 返回目錄返回目錄6262624.5 4.5 故障檢測、保護與自診斷故障檢測、保護與自診斷 對實時采樣的數據進行處理對實時采樣的數據進行處理和分析，利用故障診斷模型或專和分析，利用故障診斷模型或專家知識進行推理，對故障類型或家知識進行推理，對故障類型或故障發生處作出正確的判斷，這故障發生處作出正確的判斷，這就是就是故障自診斷故障自診斷。636363故障檢測、保護與自診斷故障檢測、保護與自診斷 故障檢測、保護與自診斷的前提是故障檢測、保護與自診斷的前提是計算機能可靠地工作，檢測元件也正確計算機能可靠地工作，檢測元件也正確無誤，無誤，而對于計算機

30、和檢測元件本身的而對于計算機和檢測元件本身的故障只能依靠人工來檢查。故障只能依靠人工來檢查。6464643.6.1 3.6.1 故障檢測故障檢測 1.1.供電電源故障檢測供電電源故障檢測 三相供電電源常見的故障為過電壓、三相供電電源常見的故障為過電壓、欠電壓和缺相。欠電壓和缺相。 由三相供電電源經電壓互感器、三相由三相供電電源經電壓互感器、三相不可控整流橋和濾波環節，得到與供電電不可控整流橋和濾波環節，得到與供電電壓幅值成正比的直流電壓，經壓幅值成正比的直流電壓，經A/DA/D轉換輸入轉換輸入至計算機。至計算機。數字控制系統定時采樣該直流數字控制系統定時采樣該直流電壓，并與上、下限值進行比較電壓，并與上、下限值進行比較，即可判，即可判斷是否出現過電壓或欠電壓故障。斷是否出現過電壓或欠電壓故障。656565 缺相檢測缺相檢測 缺相檢測采用缺相檢測采用缺相繼電器缺相繼電器:正常時，繼電器常開觸點打開，缺相輸正常時，繼電器常開觸點打開，缺相輸出信號為低電平；出信號為低電平；缺相時，繼電器常開觸點閉合，缺相輸缺相時，繼電器常開觸點閉合，缺相輸出信號呈高電平。定時檢測缺相檢測輸出出信號呈高電平。定時檢測缺相檢測輸出電路電平，即可判斷是否出現缺相故障。電路電平，即可判斷是否出現缺相故障。66