《第二章下直流提升机调速系统控制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章下直流提升机调速系统控制（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2.3直流提升机调速系统计算机控制算法对于一个具体的直流提升机系统来说， 通常总存在着一些不可变部分，例如 直流电动机、晶闸管供电电路、机械传动等，都是事先已确定了的，不可能随意 改变。要实现直流提升机调速系统的计算机控制，首先遇到的就是设计问题。计 算机控制系统的设计包括两个任务： 其一是设计系统的硬件，其二是设计控制算 法，即软件设计。前者是指选择系统各环节的电路和参数值， 选择输入量的检测 装置以及控制计算机的机种和接口等，使其与不可变部分（或称固有部分），组成一个完整的控制系统。后者则主要指确定采用的控制规律，选择各控制参数， 并以程序的形式输入计算机。有关硬件设计内容在2.2小节中已
2、经作了详细讨论，本节将以电枢电流单向、 励磁电流换向的直流提升机调速系统为例（如图 2-3-1所示），讨论如何用计算 机程序来实现直流提升机调速系统中电枢电流、转速、励磁电流的控制、可逆系统无环流控制以及触发脉冲的产生（即图2-3-1虚框里的功能）。电枢同步信号电枢电流反馈电枢同步信号速度给定速度调节器流给定* 1号脉冲放大零电流检测斜率调节器绝对值调节器电流调节器二,到到相器程序控制调节器脉冲_ 产2号脉冲放大程序控制调节器脉中形成比例放大器磁场切磁场永冲放大I切换器电流调节器逻辑无环流f磁场脉冲放大T磁场换器磁场电流反馈磁场同步信号图2-3-1电枢电流单向、励磁电流换向的直流提升机调速系统
3、原理结构直流提升机控制软件设计概述关于软件设计，即选择控制规律和控制参数，与模拟连续系统综合校正方法的步骤基本相似。在对连续系统进行综合时，设计者根据对控制系统稳态和动 态性能提出的要求，在时域中即是对动态误差(或误差系数)、阶约响应的调节时间、超调量和振荡次数等的要求，在已知不可变部分的情况下，设计出系统的 校正，使系统的实际性能指标达到预期的要求。 对于计算机控制系统，模拟校正 装置由数字计算机代替，模拟校正装置担负的计算和控制任务将由计算机来完 成。因此，选择校正装置的结构和参数的工作就转变为设计由计算机实现的控制 算法和控制程序。在用模拟调节器对直流提升机进行控制时， 各项控制是同时进
4、 行的。在用数字计算机实现上述控制时，由于计算机在任一时刻只能做一项工作， 所以各项控制是分时进行的。计算机控制系统在实际上是一个混合系统，既可以在一定的条件下近似的 看成一个模拟系统，用模拟系统的分析方法进行分析和综合， 再将设计结果离散 化，转变为数字计算机的控制算法。 也可以把系统经过适当的变换，变为纯粹的 离散系统，用Z变换等工具进行分析和综合，直接设计出控制算法。下面简要 叙述一下两种方法的基本设计思想。1、“模拟系统”设计法当采样频率足够高时，采样系统中物理量的变化特性接近于连续变化的模 拟量，就可以忽略采样开关和保持器，把实际的采样系统看成是一个连续系统。 这时就可以直接引用模拟
5、系统的设计方法在S域中设计校正装置，在利用 S域到Z域离散化方法求得校正装置的离散传递函数 D(Z).采用“模拟系统”设计方法的根据是shannon采样定理：当采样频率大于或 等于原信号中所含最高频率的二倍时，才能够通过理想的滤波器把原信号无畸变 地恢复系统的特性。在实际的控制系统中，考虑到其他因素的影响，通常把采样 频率选为原信号中最高频率的4- 10倍，否则很难得到理想效果。用“模拟系统”设计方法求出校正装置以后还必须进行离散化处理，求得离散算式，由计算机实现控制运算。通常有下列几中离散化处理方法：(1) 由传递函数D(S)求出对应的输出量和输入量的微分方程式，再用差分 方程式代替微分方程
6、，即可求得输出的离散化算式。例如已知D(S)U (S)E7S)其对应的微分方程为用U(n)-U(n-1)/T 代替 u(t),并设 u(0)=0,则有U(1)U(0)-E(1)U(2)U(1)匚E(2) tE(1)E(2)nU(n) tE(1)E(2). E( n)工 E(i)i 1(2) 部分分式法。若D(S)可以写成部分分式的形式，即D(s)nAiPi则可根据拉氏变换与Z变换的关系查表求得D(z),即nD(Z) 严开i 1 Z eD(S)囂)a11S(Sa)SS a则 D(Z)ZZ(11e )zZ 1aT1 (1aT1aT2Z ee)z e z故得aTaTU(n) (1e)U(n1)eU(
7、n 2)aT(1 e )E( n 1)s域函数的极点根据公式z eaT映射式中T是采样周期。由D(Z)即可求得离散算式。例如已知(3) 零极点匹配法时间域的采样操作，其效应是直接将 到Z域。通常D(S)_的极点个数多于零点个数，我们可以把 D(S)看成除有m个 有限零点外，还具有n-m个无限零点，无限零点映射到Z平面时就位于Z=-1处。D(S)总可以通过因式分解成下面的形式，即r2K (s aj) b2j D(S) -;/s Ci) (s Ci) di根据上式将D(S)的零极点映射到Z平面，其转换关系是:2n T2 a T 、(s a jbj)(Z 2eaj cosb;TZ e )或1a .T
8、(1 2z e J cosbjTe2ajTz2)在Z=-1处加上足够的零点，使零极点数相等。2、“离散系统”设计法“连续系统”设计法把实际的离散控制系统视为连续控制系统，其实际性能 指标与理论值必然存在差异，所以这种设计方法是一种近似的设计方法。而“离 散系统”设计法，即直接在离散域中进行设计，避免了上述的近似性，从而也不 再存在采样频率对设计结果的影响。有三种离散域的分析方法可以用来对系统进行综合：（1）根轨迹法。即在Z平面内配置适当的零极点位置，使系统的性能指标达到 预期的要求，从而求得 D（S）.（2） 频率法。把综合或校正问题由 S平面转换到W平面，由伯德图求得D（S）.（3）解析法。
9、用解析法对离散系统进行设计是 50年代发展起来的一种设计方法， 它的基本出发点是将期望的闭环系统的行为预先出来， 再通过解析运算求出控制 器的传递函数。电枢电流控制算法在图2-3-1所示的电枢电流单向、励磁电流换向的直流提升机调速系统中，电流给定通常是转速调节器的输出，电流反馈信号经A/D转换获得。电流调节器根据给定与反馈信号的差值对晶闸管的控制角进行控制，从而实现对电枢电流 的控制。用来实现电流控制的算法很多，下面介绍常用的PI调节算法。PI调节器的传递函数：W(S)Uk（S）E(S)Kp(s。SKpKpS其中Uk及E分别代表调节器的输出和输入，故U k(S) W(S)E(S) Kp(S)E
10、(S) KeE(S)S输出的原函数则是Uk（U心e(t)dt离散化后第n拍的输出KpT nUk( n) Kpe( n) - e(i)i 1k t令ki 4，其中T是采样周期。代入上式可得nU k(n) Kpe(n) Ki e(i)i 1n 1Kpe (n) Kie( n) Ki e(i)( 2-3-4)i 1当调节器参数Kp和 以及采样周期已知后，就可以根据每一拍的电流给定 与电流反馈之差e(n)，由上式计算这一拍的输出Uk(n).式(2-3-4)称为PI调节器的位置式算式，另外还有一种增量式算式。由式(2-34)可得n-1拍的输出是n 1U k(n 1) Kpe(n 1) Ki e(i)i
11、1将上式代入式(2-3 4)可得Uk(n)U k(n 1) (Kp Ki)e(n)Kpe(n 1)令 W(n 1) u k(n 1) Kpe(n 1),K=Kp+Ki便可得到增量式算法的算式U K(n) W(n 1) Ke(n)(2-3-5)式中，W(n-1)是上一拍计算出的一个中间变量，从而Ke(n)则是本拍的计算值。例如，已知 Kp=1,0.01 秒,T=0.002 秒，Ki Kp*T/2根据式(2-3 4)可得位置式算法为n 1U K (n) e(n) 0.2e(n) 0.2 e(i)i 11.2e( n) 0.2 (n 1)根据式(2-3-5)可得增量式算法的算式为U K(n) U K
12、(n 1)e(n 1) 1.2e(n)(1) PI调节运算的实现图2-3-2是利用单片机按式（2-3- 4）进行位置式PI调节运算的程序流程图。 其中Ugi是电流给定量，Ufi是电流反馈量，Uk代表调节器的输出，P代表的比 例部分，代表Uk的积分部分，FOH和00H分别代表上限幅值和下限幅值， 分别对应于晶闸管控制角a的最大值和最小值。（2）采样周期选择选择采样周期的依据是Sha nnon采样定理。对于一个闭环系统来说，它能够响应的输入信号中的最高频率就是它的闭环截止频率。设系统的闭环截止角频率为3 c,按照Shannon采样定理采样周期T应该是TW0.5/ c （秒）（2-3 6）其中3 c
13、的单位是周/秒。电流环通常校正成二阶系统，由参考文献 8可知二阶系统的闭环截止角 频率等于c n U4 44 22）（2 21）其中称为无阻尼自然振荡角频率,K0是系统的开环放大数，T刀i是电流环的小时间常数之和，Z是阻尼系数。如果令Z = 0.707,即校正成最佳二阶系统，则有K。2T i12T2 i.22T i代入式（2-3 6）则可求得采样周期为TT(秒)0.00372.9 10 3（秒）2T存U K图2-3-2位置式PI调节运算的程序流程图(3) 调节器参数选择1) PI调节器参数对控制性能的影响 比例控制Kp对系统性能的影响对动态特性的影响：比例控制K p加大，使系统的动作灵敏、速度
14、加快； Kp偏大时，震荡次数加多，调节时间加长；当 Kp太大时，系统会趋于不稳定。 若Kp太小，又会使系统的动作缓慢。对稳态特性的影响：加大比例控制 Kpo在系统稳定的情况下，可以减少稳 态误差，提高控制精度，但加大 Kp只减少误差，却不能完全消除稳态误差。 积分控制Ki对控制性能的影响对动态特性的影响：积分控制 Ki通常使系统的稳定性下降，Ki太小，系统 将不稳定；Ki偏小，系统震荡次数较多；Ki太大，对系统性能的影响减少。当 Ki太大，积分作用太弱，以至不能减少稳态误差。2）PI参数整定调节器的整定乃是一项烦琐而又费时的工作。由于用“模拟系统”设计法， 所以动态参数的选择方法与模拟系统相同。电流环的动态结构如图2-3 3所示图2-3 3电流环动态方框图图中Tf是反馈回路的滤波时间参数。当用计算机进行PI运算时，从读入给 定信号和反馈信号到输出Uk需要一定的时间（包括A/D转换时间和数据处理计 算时间）。这相当于在前向通道中增加了一个延迟环节。通常延迟时间远小于控 制对象的大时间参数Ta，因此在计算TE i时应增加一项，其值等于采样周期T图2-3 4电流环等效方框图对图2-3 3进行一些变化，可得到图2-3
