電力拖動自動控制系統(tǒng)第

3

章直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制本章主要內(nèi)容n

微型計算機數(shù)字控制的主要特點n

微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟件n

數(shù)字測速與濾波n

數(shù)字PI調(diào)節(jié)器n

用離散控制系統(tǒng)設(shè)計數(shù)字控制器23.0

為什么研究數(shù)字實現(xiàn)？前兩章中論述了直流調(diào)速系統(tǒng)的基本規(guī)律和設(shè)

計方法，所有的調(diào)節(jié)器均用運算放大器實現(xiàn)，屬

模擬控制系統(tǒng)。模擬系統(tǒng)的特點：n

物理概念清晰；n

控制信號流向直觀；n

靠硬件線路和器件實現(xiàn)各種控制規(guī)律；n

線路復(fù)雜、通用性差，n

控制效果受到器件的性能、溫度等因素的影響。3數(shù)字化－－現(xiàn)代技術(shù)的大趨勢以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)n

硬件電路的標準化程度高；n

制作成本低；n

不受器件溫度漂移的影響；n

利用軟件能夠進行邏輯判斷和復(fù)雜運算，

可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律；n

更改起來靈活方便。43.

1微型計算機數(shù)字控制的主要特點微機數(shù)字控制系統(tǒng)：n

穩(wěn)定性好；n

可靠性高；n

可以提高控制性能；n

擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制

系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。由于計算機只能處理數(shù)字信號，因此，與模擬控制系統(tǒng)相比，微機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點是

離散化和數(shù)字化：5n

離散化：為了把模擬的連續(xù)

信號輸入計算機，必

須首先在具有一定周

期的采樣時刻對它們

進行實時采樣，形成

一連串的脈沖信號，

即離散的模擬信號，

這就是離散化。O

原信號

tO

1

2

34

…

nf(nT)采樣f(t)6n

數(shù)字化：采樣后得到的離散

信號本質(zhì)上還是模擬

信號，還須經(jīng)過數(shù)字

量化，即用一組數(shù)碼

（如二進制碼）來逼

近離散模擬信號的幅

值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字

信號，這就是數(shù)字化。O

n數(shù)字化N(nT)7n

離散化和數(shù)字化的負面效應(yīng)離散化和數(shù)字化的結(jié)果導(dǎo)致了時間上和量值上的不連續(xù)

性，從而引起下述的負面效應(yīng)：（1）A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差：模擬信號可以有無窮多的數(shù)值，

而數(shù)碼總是有限的，會產(chǎn)生量化誤差，影響控制精度和平

滑性。（2）

D/A轉(zhuǎn)換的滯后效應(yīng)：經(jīng)過計算機運算和處理后輸出的數(shù)字信號必須由數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A和保持器將它轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬量，再經(jīng)放大后驅(qū)動被控對象。但是，保持器會提高

控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母的階次，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量減小，甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性。8隨著微電子技術(shù)的進步，微處理器技術(shù)的發(fā)展：n8031

（CISC復(fù)雜指令集計算機）8位nPICRISC(精簡指令集計算機)8位nDSP

16位，32位n

ARM

32位微處理器的運算速度不斷提高，其位數(shù)也不斷增加，上述兩

個問題的影響已經(jīng)越來越小。但微機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點及其負面效應(yīng)需要在系統(tǒng)分

析中引起重視，并在系統(tǒng)設(shè)計中予以解決。93.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟件3.2.0系統(tǒng)組成方式數(shù)字控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成方式大致可分為三種：1.數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)2.數(shù)字電路控制系統(tǒng)3.計算機控制系統(tǒng)10數(shù)字電路UiM--A/P1.數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)A/DD/AA/DASRACRACTAU*iU*n/

3UnUc11TG~-_數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)特點：n

轉(zhuǎn)速采用模擬調(diào)節(jié)器，也可采用數(shù)字調(diào)節(jié)器；n

電流調(diào)節(jié)器采用數(shù)字調(diào)節(jié)器；n

脈沖觸發(fā)裝置則采用模擬電路。12D/fD~主電路數(shù)字電路控制系統(tǒng)特點：n

除主電路和功放電路外，轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器，以

及脈沖觸發(fā)裝置等全部由數(shù)字電路組成。2.數(shù)字電路控制系統(tǒng)PLGUc數(shù)字電路

U*i

,U*nOTAUiUnAACC13-DPM3.計算機控制系統(tǒng)ASRACR微機控制電路主電路火U*n火U*iUiUnUcPLC14~在數(shù)字裝置中，由計算機軟硬件實現(xiàn)其功

能

，即為計算機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點：n

雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機控制；n

全數(shù)字電路，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測；n

采用數(shù)字PI算法，由軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)。153.2.1微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件

結(jié)構(gòu)如圖3-4所示，系統(tǒng)由以下部分組成

主電路

檢測電路

控制電路

給定電路

顯示電路16圖3-4微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖17n

主回路——微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電

路中的UPE有兩種方式：l直流PWM功率變換器l

晶閘管可控整流器n

檢測回路——檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢

測，其中：l

電壓、電流和溫度檢測由

A/D轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量

送入微機；l轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速。181.

轉(zhuǎn)速檢測轉(zhuǎn)速檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法：（1）模擬測速一般采用測速發(fā)電機，其輸出電壓表示了轉(zhuǎn)速的大小和方向。經(jīng)過適當?shù)淖儞Q，將

雙極性的電壓信號轉(zhuǎn)換為單極性電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量送入微機。但偏移碼不

能直接參與運算，必須用軟件將偏移碼變換為原

碼或補碼，然后進行閉環(huán)控制。（2）對于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，往往

需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測速，即數(shù)字測速。19邏輯控制?測速基本方式TG

一電壓隔CPLJcplJ+5\V202.

電流和電壓檢測n

電流和電壓檢測除了用來構(gòu)成相應(yīng)的反饋

控制外，還是各種保護和故障診斷信息的

來源。n

電流、電壓信號也存在幅值和極性的問

題，需經(jīng)過一定的處理后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送

入微機，其處理方法與轉(zhuǎn)速相同。21~B

CU?

電流檢測方法（1）電流互感器22UUH

=KH

BIcn

KH

為霍爾常數(shù)；n

B為與被測電流

成正比的磁通密度；n

Ic

為控制電流。（2）霍爾效應(yīng)電流變換器UHA1UiR0R1IdIc23RoA/D?信號隔離與轉(zhuǎn)換R4

UiaBR3

,R5+15VUBUiR6R1R2+5\24Un

故障綜合——利用微機擁有強大的邏輯判斷功能，對電壓、電流、溫度等信號

進行分析比較，若發(fā)生故障立即進行故

障診斷，以便及時處理，避免故障進一

步擴大。這也是采用微機控制的優(yōu)勢所在。25n

數(shù)字控制器——數(shù)字控制器是系統(tǒng)的核心，

可選用單片微機或數(shù)字信號處理器（DSP）

比如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系

列等專為電機控制設(shè)計的微處理器，本身都

帶有A/D轉(zhuǎn)換器、通用I/O和通信接口，還帶

有一般微機并不具備的故障保護、數(shù)字測速

和PWM生成功能，可大大簡化數(shù)字控制系

統(tǒng)的硬件電路。26n系統(tǒng)給定——系統(tǒng)給定有兩種方式：（1）模擬給定：模擬給定是以模擬量表示的給定值，例如給定電位器的輸出電壓。

模擬給定須經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再參與

運算；（2）數(shù)字給定：數(shù)字給定是用數(shù)字量表示的給定值，可以是撥盤設(shè)定、鍵盤設(shè)定或

采用通信方式由上位機直接發(fā)送見下圖。27通

信

接

a)模擬給定

b)數(shù)字給定A/DLLL+V28A0-3INT8279D0-7CLKR0-7S0-3BCD/7段碼7LED顯示器鍵盤矩陣?人機界面：鍵盤與顯示電路8選1譯碼器8選1譯碼器CPU29883n

輸出變量——微機數(shù)字控制器的控制對象是功率

變換器，可以n

開關(guān)量直接控制功率器件的通斷，n

經(jīng)

D/A轉(zhuǎn)換得到的模擬量去控制功率變換器。隨著電機控制專用單片微機的產(chǎn)生，前者逐漸成為主流，例如Intel公司8X196MC系列和TI公司

TMS320X240系列單片微機可直接生成PWM驅(qū)動信號，經(jīng)過放大環(huán)節(jié)控制功率器件，從而控制功

率變換器的輸出電壓。303.2.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件框圖微機數(shù)字控制系統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件

來實現(xiàn)的，所有的硬件也必須由軟件實施

管理。微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

的軟件有：n主程序n初始化子程序n

中斷服務(wù)子程序等。311.主程序——完成實時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實現(xiàn)n

鍵盤處理、n

刷新顯示、n

與上位計算機和其他外設(shè)通信等功能。

主程序框圖見圖3-5。2.初始化子程序——完成硬件器件工作方式

的設(shè)定、系統(tǒng)運行參數(shù)和變量的初始化

等。初始化子程序框圖見圖3-6。32Y圖3-5主程序框圖

圖3-6初始化子程序框圖33PWM

、全米對初始化序N3

．中斷服務(wù)子程序中斷服務(wù)子程序完成實時性強的功能，

如故障保護、PWM生成、狀態(tài)檢測和數(shù)字

PI調(diào)節(jié)等,

中斷服務(wù)子程序由相應(yīng)的中斷源

提出申請，CPU實時響應(yīng)。n

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序n

電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序n

故障保護中斷服務(wù)子程序34圖3-8

電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖圖3-7轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖圖3-9故障保護中斷服務(wù)子程序框圖口人二中反

中反PWN1生成35當故障保護引腳的電平發(fā)生跳變時申請

故障保護中斷，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)均采用定時中斷。三種中斷服務(wù)中，n

故障保護中斷優(yōu)先級別最高，n

電流調(diào)節(jié)中斷次之，n

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷級別最低。363.3數(shù)字測速與濾波n

數(shù)字測速指標n

數(shù)字測速方法n

M/T法測速電路373.3.1數(shù)字測速指標（1）分辯率：設(shè)被測轉(zhuǎn)速由

n1

變?yōu)?/p>

n2

時，引起測量計數(shù)值改變了一個字，則測速裝置的分辯率定義為Q=n1

-

n2

（轉(zhuǎn)/分）Q越小，測速裝置的分辯能力越強；Q越小，系統(tǒng)控制精度越高。38（2）測速精度測速精度是指測速裝置對實際轉(zhuǎn)速測量

的精確程度，常用測量值與實際值的相對

誤差來表示，即×

100%

（3-7）nn

測量誤差

δ越小，測速精度越高，系統(tǒng)控制

精度越高。n

δ

的大小取決于測速元件的制造精度和測速

方法。39（3）檢測時間

Tc

：檢測時間是指兩次轉(zhuǎn)速采樣之間的時間間

隔。檢測時間對系統(tǒng)的控制性能有很大影響。檢測時間越短，系統(tǒng)響應(yīng)越快，對改善系統(tǒng)

性能越有利。403.3.2數(shù)字測速方法1.

旋轉(zhuǎn)編碼器在數(shù)字測速中，常用光電式旋轉(zhuǎn)編碼器作為轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測元件。旋轉(zhuǎn)編碼器測速原理如下圖所示41?光電轉(zhuǎn)換42?增量式旋轉(zhuǎn)編碼器——帶Z1軌道的園刻度43?旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測原理44?旋轉(zhuǎn)編碼器檢測信號的處理452.

測速原理由光電式旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生與被測轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，測速裝置將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為

以數(shù)字形式表示的轉(zhuǎn)速值。脈沖數(shù)字（P/D）轉(zhuǎn)換方法：（1）M法—脈沖直接計數(shù)方法；（2）T

法—脈沖時間計數(shù)方法；（3）M/T法—脈沖時間混合計數(shù)方法。46工作原理：?由計數(shù)器記錄PLG發(fā)出的

脈沖信號；?

定時器每隔時間Tc

向CPU

發(fā)出中斷請求INTt；?CPU響應(yīng)中斷后，讀出計

數(shù)值

M1，并將計數(shù)器清零

重新計數(shù)；?根據(jù)計數(shù)值

M計算出對

應(yīng)的轉(zhuǎn)速值

n。counter0

·3.M法測速測速原理與波形圖\

BU:STcCLK47tt式中Z為PLG每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個數(shù)；n

M法測速的分辨率

cc

c48

n

計算公式（3-1）n

M法測速誤差率60

M

1

60

(M

1

?1)

ZTc在上式中，Z和

Tc

均為常值，因此轉(zhuǎn)速n

正比于脈沖個數(shù)。高速時Z大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時將小于1

，

測速裝置便不能正常工作。所以，M法測速只適用于高速段。49工作原理：n

計數(shù)器記錄來自CPU

的高頻脈沖f0；n

PLG每輸出一個脈沖，中斷電路向CPU

發(fā)出一次中斷請求；n

CPU

響應(yīng)

INTn

中斷，

從計數(shù)器中讀出計數(shù)

值

M2，并立即清零，

重新計數(shù)。CPJ4.

T

法測速中斷電路電路與波形fINTn502n

計算公式

n

T法測速的分辨率

（3-2）51n

T法測速誤差率60

f0

60

f0

ZM

2低速時，編碼器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2

多，所以誤差率小，測

速精度高，故T法測速適用于低速段。52n兩種測速方法的比較l

M法測速在高速段分辨率強；l

T法測速在低速段分辨率強；因此，可以將兩種測速方法相結(jié)合，取長補短。

既檢測

Tc

時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器

輸出的脈沖個數(shù)M1

，又檢測同一時間間

隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2

，用來計算轉(zhuǎn)

速，稱作M/T法測速。53SETJ

Q

K

QCGC2G2J

Q

kkounQ5.M/T法測速n

電路結(jié)構(gòu)：fostalrtPLC54Cn

工作原理：n

T0定時器控制采樣

時間；n

M1計數(shù)器記錄PLG

脈沖；n

M2計數(shù)器記錄時鐘

脈沖。n

波形圖：PL(GstartTnm255ATGG2器Tc

并介許3斷恢復(fù)現(xiàn):場M/T法數(shù)字測速軟件器!

2禁止:測速嗎?保護現(xiàn)場中斷近允許:測速嗎?Y56NNY?n

檢測精度：低速時M/T法趨向于T法，在高速段

M/T法相當于T法的

M1

次平均，而在這

M1

次中

最多產(chǎn)生一個高頻時鐘脈沖的誤差。因此，M/T法測速可在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，具

有較高的測速精度。57

r/min

（3-3）

n

計算公式n

分辨率小

結(jié)由于M/T法的計數(shù)值M1和M2都隨著轉(zhuǎn)

速的變化而變化，高速時，相當于M法

測速，最低速時，

M1=1，自動進入T法

測速。因此M/T法測速能適用的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩種。是目前廣泛應(yīng)用的一種

測速方法。返回目錄583.4數(shù)字PI調(diào)節(jié)器n模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化n改進的數(shù)字PI算法n智能型PI調(diào)節(jié)器593.4.1模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化PI調(diào)節(jié)器是電力拖動自動控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，在微機數(shù)字控制系統(tǒng)

中，當采樣頻率足夠高時，可以先按模擬

系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器，然后再離散

化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就

是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。60?PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)

=

Kpi

（3-13）n

PI調(diào)節(jié)器時域表達式

其中

Kp=Kpi

為比例系數(shù)KI

=1/τ為積分系數(shù)61?PI調(diào)節(jié)器的差分方程將上式離散化成差分方程，其第

k拍輸出為

=KPe(k)

+

KITsame(k)

+

uI

(k?1)（3-15）式中

Tsam

為采樣周期62?數(shù)字PI調(diào)節(jié)器算法有位置式和增量式兩種算法：n

位置式算法——即為式(3-15)表述的差分方

程，算法特點是：

比例部分只與當前的偏

差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏

差的累積。位置式PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)清晰，

P和I兩部分作用分明，參數(shù)調(diào)整簡單明了，但需要

存儲的數(shù)據(jù)較多。63n

增量式PI調(diào)節(jié)器算法Δu(k)=u(k)

?

u(k?1)=KP

[e(k)

?

e(k?1)]+

KITsam

e(k)（3-17）PI調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得u(k)=u(k?1)+Δu(k)（3-18）64?

限幅值設(shè)置與模擬調(diào)節(jié)器相似，在數(shù)字控制算法中，

需要對

u

限幅，這里，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值um

，當

u(k)

>um

時，便以限幅值

um作為輸出。不考慮限幅時，位置式和增量式兩種算法完全等同，考慮限幅則兩者略有差異。增量

式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，而位置式算

法必須同時設(shè)積分限幅和輸出限幅，缺一不

可。65計算當前時刻的控制量設(shè)置PID參數(shù)，計算控制參數(shù)輸出控制值輸入采樣值保存偏差值?

算法流程計算偏差值開始

)返回663.4.2改進的數(shù)字PI算法PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)直接影響著系統(tǒng)的性能指標。在高性能的調(diào)速系統(tǒng)中，有時僅僅靠

調(diào)整PI參數(shù)難以同時滿足各項靜、動態(tài)性

能指標。采用模擬PI調(diào)節(jié)器時，由于受到

物理條件的限制，只好在不同指標中求其

折衷。67而微機數(shù)字控制系統(tǒng)具有很強的邏輯判斷和數(shù)值運算能力，充分應(yīng)用這些能力，可以衍生出多種改進的PI算法，提高系統(tǒng)的控制性能。?積分分離算法?分段PI算法?積分量化誤差的消除681.積分分離算法基本思想：在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，把

P和

I

分開。n

當偏差大時，只讓比例部分起作用，以快

速減少偏差；n

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(wěn)態(tài)偏差，又能避免

較大的退飽和超調(diào)。692.積分分離算法n

積分分離算法表達式為

?積分分離法能有效抑制振蕩，或減小

超調(diào)，常用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。70

δ為一常值。（3-19）其中3.4.3智能型PI調(diào)節(jié)器由上述對數(shù)字PI算法的改進可以使我

們得到啟發(fā)，利用計算機豐富的邏輯判斷

和數(shù)值運算功能，

數(shù)字控制器不僅能夠?qū)?/p>

現(xiàn)模擬控制器的數(shù)字化，而且可以突破模

擬控制器只能完成線性控制規(guī)律的局限，

完成各類非線性控制、

自適應(yīng)控制乃至智

能控制等等，大大拓寬了控制規(guī)律的實現(xiàn)

范疇。71n

主要的智能控制方法：?

專家系統(tǒng)?

模糊控制?

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制n

智能控制特點：控制算法不依賴或不完全依賴于對象模型，因

而系統(tǒng)具有較強的魯棒性和對環(huán)境的適應(yīng)性。723.5按離散控制系統(tǒng)設(shè)計數(shù)字控制器n

系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型n

數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計n

控制軟件設(shè)計73RT

smIdIdLE1/

RTls

+13.5.1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型1CeWAACcFr(Z)1

?

e

?TsamsWAaSsFr(Z)

Ui

*

U*nUd0TsamUiUn74l式中Tsam

為系統(tǒng)采樣時間。

（3-25）75系統(tǒng)模型中：n轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器均采用數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器；n

采樣環(huán)節(jié)可表示為帶放大的零階保持器

?

系統(tǒng)簡化如果采用工程設(shè)計法，將電流內(nèi)環(huán)矯正為典

型

I

系統(tǒng)，則可將系統(tǒng)簡化如下圖所示：

1

Kβ

2TΣis

+11

?

e

?Tsam

ssKαT

s

+

1onRC

T

se

mASRIdLTsamTsam+?*KαnId

76n?n

電流內(nèi)環(huán)的等效傳遞函數(shù)

（3-23）其中

電流反饋系數(shù)

β?lián)Q成電流存儲系數(shù)Kβn

轉(zhuǎn)速反饋通道傳遞函數(shù)

（3-24）其中Kα

為轉(zhuǎn)速存儲系數(shù)773.5.2數(shù)字控制系統(tǒng)分析和設(shè)計方法（1）連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計方法在微機數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計中，當采樣頻率足夠高時，可以把它近

似地看成是模擬系統(tǒng)，先按模擬系統(tǒng)理

論來設(shè)計調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后再離散化，得到數(shù)字控制算法，這就是按模擬

系統(tǒng)的設(shè)計方法，

或稱間接設(shè)計法。78?

Shannon

采樣定理根據(jù)

Shannon

采樣定理，采樣頻率

f

sam

應(yīng)不小于信號最高頻率fmax

的2倍，即f

sam

≥

2fmax這時，經(jīng)采樣及保持后，原信號的頻

譜可以不發(fā)生明顯的畸變，系統(tǒng)可保持原

有的性能。79問題：但實際系統(tǒng)中信號的最高頻率很難確

定，尤其對非周期性信號（系統(tǒng)的過渡過

程）來說，其頻譜為

0至∞的連續(xù)函數(shù)，

最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(tǒng)的采樣頻率。80?

系統(tǒng)采樣頻率的確定在一般情況下，可以令采樣周期1

Tmin

為控制對象的最小時間常數(shù)；或用采樣角頻率

ωsamωsam

≥(4~10)ωcωc

為控制系統(tǒng)的截止頻率。81?采樣定理用法n

在直流調(diào)速系統(tǒng)中，電樞電流的時間常數(shù)

較小，電流內(nèi)環(huán)必須有足夠高的采樣頻率，而電流調(diào)節(jié)算法一般比較簡單，采用

較高的采樣頻率是可能的。n

電流調(diào)節(jié)器一般都可以采用間接方法設(shè)計，即先按連續(xù)控制系統(tǒng)設(shè)計，然后再將

得到的調(diào)節(jié)器數(shù)字化。82對于轉(zhuǎn)速環(huán)：n

由于系統(tǒng)的動態(tài)性能往往對轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻

率的大小有一定要求，不能太低。但轉(zhuǎn)速

控制有時比較復(fù)雜，占用的機時較長，因

而轉(zhuǎn)速環(huán)的采樣頻率又不能很高。n

當所選擇的采樣頻率不夠高，按連續(xù)系統(tǒng)

設(shè)計誤差較大，就應(yīng)按照離散控制系統(tǒng)來

設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。83（2）數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法先將系統(tǒng)對象離散化，按數(shù)字系統(tǒng)直接設(shè)計數(shù)字調(diào)節(jié)器。數(shù)字系統(tǒng)分析方法有：?

Z變換方法?

W變換方法?擴展W變換方法84S平面ReZ平面-11Re?Z變換方法sTz

=

e連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)Z變換ImIm85Z平面-11ReW平面Re?W變換方法離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)注意：W平面與S平面之間的頻率響應(yīng)發(fā)生了畸變。861+

w1

?

wW變換ImImz

=W平面ReW’平面Re?擴展W變換方法離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)W’平面與S平面之間的頻率響應(yīng)在高采樣頻率和低角頻

率時相似。87w

=

j

λW’變換ImIm3.5.3控制對象傳遞函數(shù)的離散化n

控制對象連續(xù)傳遞函數(shù)

RK其中

將兩個小慣性環(huán)節(jié)合并，

T∑n

=

Ton

+2T∑i88則

(3-28)

其中89Z[Gobj(s)]=Z[Gsub(s)?e?TsamsGsub(s)]=Z[Gsub(s)]?Z[e?TsamsGsub(s)]Gobj(z)

=Z[Gobj(s)]=Z[Gsub(s)]?z?1

.Z[Gsub(s)]=(1?z?1)Gsub(z)?z變換過程應(yīng)用z變換線性定理得再應(yīng)用z變換平移定理，得(3-29)90n

控制對象離散傳遞函數(shù)上式展開成部分分式，對每個分式查表求z變

換，再化簡后得

(3-30)

91控制對象的脈沖傳

遞函數(shù)具有兩個極點，p1=

1；?Tsam

/

TΣnp2

=

e還有一個零點z1，位于負實軸上。?控制對象性能分析Im

z平面單位圓p2

p1

Re0

1-1z1923.5.4數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計n

模擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一般為PI調(diào)節(jié)器，比例部分起快速調(diào)節(jié)作用，積分部分消除

穩(wěn)態(tài)偏差。n

數(shù)字調(diào)節(jié)器也應(yīng)具備同樣的功能，因此仍

選用PI型數(shù)字調(diào)節(jié)器。這里，設(shè)計方法采用數(shù)字頻域法。93?數(shù)字頻域法設(shè)計步驟（1）通過Z變換，將連續(xù)的被控對象模型轉(zhuǎn)

換成離散系統(tǒng)模型；（2）通過W變換和W’變換，將離散系統(tǒng)的z

域模型轉(zhuǎn)換成頻域模型；（3）采用頻域設(shè)計方法，進行系統(tǒng)設(shè)計。這

時，可利用s域的經(jīng)典頻域設(shè)計法，比如，Bode圖等系統(tǒng)分析和設(shè)計工具。94?離散系統(tǒng)

z

域數(shù)學(xué)模型n

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器脈沖傳遞函數(shù)

n

離散系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)