《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》教案

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1、教學(xué)內(nèi)容 1. 微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的主要特點(diǎn) 2. 微機(jī)數(shù)字控制雙閉壞直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟件 教學(xué)目的 掌握微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，熟悉數(shù)字量化及采樣 頻率的設(shè)計(jì)方法、狀態(tài)檢測(cè)的基本方法。 了解微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件和硬件的結(jié)構(gòu)。 教學(xué)重點(diǎn) 微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，數(shù)字量化及采樣頻率的選 擇。 微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件和硬件的結(jié)構(gòu) 建議學(xué)時(shí) 2學(xué)時(shí) 教學(xué)教具與方法 PPT演示軟件 教 案 3.1微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的主要特點(diǎn) 模擬系統(tǒng)具有物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀等優(yōu)點(diǎn)，但控制規(guī)律體現(xiàn) 在碩件電路和所用的器件上，因而線(xiàn)路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件的 性能

2、、溫度等因素的影響。 微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫 度漂移的影響：其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，更改起來(lái)靈活方便。 微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是離散化和數(shù)字化： 1） 在具有一定周期的采樣時(shí)刻對(duì)模擬的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，形成一 連串的脈沖信號(hào)，即離散的模擬信號(hào)，這就是離散化。 2） 經(jīng)過(guò)數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的 幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這就是數(shù)字化。 離散化和數(shù)字化的結(jié)負(fù)面效應(yīng)：時(shí)間上和量值上的不連續(xù)性。 1） 產(chǎn)生量化誤差，影響控制精度和平滑性。 2） 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

3、量減小，甚至?xí)?破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 3.1.1數(shù)字量化 量化的原則：在保證不溢出的前提下，精度越高越好?？捎么鎯?chǔ)系數(shù)K來(lái) 顯示量化的精度 例題3-1。 3.1.2采樣頻率的選擇 香農(nóng)（Shannon）采樣定理。 實(shí)際信號(hào)的最高頻率很難確定，對(duì)非周期性信號(hào)（系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程）來(lái)說(shuō)， 其頻譜為0至8的連續(xù)函數(shù)，最高頻率九^理論上為無(wú)窮大。因此，難以直接 用采樣定理來(lái)確定系統(tǒng)的采樣頻率。在一般情況卞，可以令采樣周期 Txam 幾山為控制對(duì)象的最小時(shí)間常數(shù)。 (4 ~ 10) 3.1.3微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的輸入與輸出變量 可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。 1. 系統(tǒng)給定 系統(tǒng)給

4、定有兩種方式：模擬給定和數(shù)字給定。 2. 狀態(tài)檢測(cè) 系統(tǒng)運(yùn)行中的實(shí)際狀態(tài)量，例如轉(zhuǎn)速、電壓和電流等，在閉壞控制時(shí)，應(yīng) 該反饋給微機(jī)，因此必須首先檢測(cè)出來(lái)。 轉(zhuǎn)速檢測(cè)：模擬和數(shù)字兩種檢測(cè)方法，包含了轉(zhuǎn)速的大小和方向。 電流和電壓檢測(cè)：電流和電壓檢測(cè)除了用來(lái)構(gòu)成相應(yīng)的反饋控制外，還是 各種保護(hù)和故障診斷信息的來(lái)源。 極性轉(zhuǎn)換：由于多數(shù)AQ轉(zhuǎn)換電路只是單極性的，必須將雙極性的電壓信 號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到以偏移碼表示的數(shù)字量送入微 機(jī)。但偏移碼不能直接參與運(yùn)算，必須用軟件將偏移碼變換為原碼或補(bǔ)碼，然 后進(jìn)行閉環(huán)控制。 3. 輸出變量 用開(kāi)關(guān)量直接控制功率器件的通斷，

5、也可以用經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到的模擬量去 控制功率變換器。隨著電機(jī)控制專(zhuān)用單片微機(jī)的產(chǎn)生，前者逐漸成為主流。 3.2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟 件 微機(jī)數(shù)字控制的雙閉壞直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖3-3。  3.2.1微機(jī)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(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PVM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，圖3-4o 1.0 生 逋fu按H 保 護(hù) A D 敦.動(dòng)電K5 1. 主回路 三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過(guò)直流 PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動(dòng)機(jī)供電。 2. 檢測(cè)回路 檢測(cè)回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測(cè)，其

6、中電壓、電流和溫度檢測(cè) 由A/D轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)，轉(zhuǎn)速檢測(cè)用數(shù)字測(cè)速。 3. 故障綜合 對(duì)電壓、電流、溫度等信號(hào)進(jìn)行分析比較，若發(fā)生故障立即通知微機(jī)，以 便及時(shí)處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。 4. 數(shù)字控制器 專(zhuān)為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列單片微機(jī)， 本身都帶有AQ轉(zhuǎn)換器、通用DO和通信接II,還帶有一般微機(jī)并不具備的故 障保護(hù)、數(shù)字測(cè)速和PWM生成功能。 3.2.2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件框圖 微機(jī)數(shù)字控制雙閉壞直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件有主程序、初始化子程序和中斷 服務(wù)子程序等。 1. 主程序：主程序完成實(shí)時(shí)性要求不高的功

7、能，完成系統(tǒng)初始化后，實(shí) 現(xiàn)鍵盤(pán)處理、刷新顯示、與上位計(jì)算機(jī)和其它外設(shè)通信等功能。 主程序框圖，圖3-5。 開(kāi)始 2. 初始化子程序：完成碩件器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量 的初始化等。 初始化子程序框圖，圖3-6。 中斷服務(wù)子程序：完成實(shí)時(shí)性強(qiáng)的功能，如故障保護(hù)、PWM生成、狀態(tài) 檢測(cè)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(qǐng)，CPU實(shí)時(shí)響 應(yīng)。三種中斷服務(wù)中，故障保護(hù)中斷優(yōu)先級(jí)別最高，電流調(diào)節(jié)中斷次之，轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)中斷級(jí)別最低。 教學(xué)內(nèi)容 數(shù)字測(cè)速 教學(xué)目的 掌握三種基本的數(shù)字測(cè)速方法，各自的特點(diǎn)、性能指 標(biāo)及應(yīng)用場(chǎng)合。

8、教學(xué)重點(diǎn) 數(shù)字測(cè)速指標(biāo)：分辨率、誤差率。 M法測(cè)速，T法測(cè)速，M，T法測(cè)速 建議學(xué)時(shí) 1.5學(xué)時(shí) PPT演示軟件 教學(xué)教具與方法 3.3數(shù)字測(cè)速 檢測(cè)光電式旋轉(zhuǎn)編碼器與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，然后計(jì)算轉(zhuǎn)速，有三種數(shù)字 測(cè)速方法：即H法、T法和M/T法。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測(cè)元 件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電機(jī)相連，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn) 角信號(hào)，圖3-10o - 3.3.1數(shù)字測(cè)速指標(biāo) 1. 分辨率 改變一個(gè)計(jì)數(shù)字所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化童來(lái)表示分辨率，用符號(hào)Q表示。轉(zhuǎn)速 由心變?yōu)樾臅r(shí)，引起記數(shù)值改變了一個(gè)字，則該測(cè)速方法的分辨率

9、是 Q = n2-nl. Q越小，說(shuō)明該測(cè)速方法的分辨能力越強(qiáng)。 2. 測(cè)速誤差率 轉(zhuǎn)速實(shí)際值和測(cè)量值之差山與實(shí)際值〃之比定義為測(cè)速誤差率， <^% = —xlOO%,測(cè)速誤差率反映了測(cè)速方法的準(zhǔn)確性，5%越小，準(zhǔn)確度 n 越高。 3.3.2 M法測(cè)速 測(cè)取7；時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)用以計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)的平 均轉(zhuǎn)速，稱(chēng)作M法測(cè)速，圖3-llo nLnLnLnmLnb；-nmLnLnL 電機(jī)的轉(zhuǎn)速為〃二 60M] ZTc m法測(cè)速的分辨率：e=60(A/i+1)-60Mi -60 ZTc ZTc M法測(cè)速誤差率: 60M] 60(M] —1) 7T

10、 zr i =——’廠 — X100% =——X100% max 60冏 A/】 ZTC M法測(cè)速適用于高速段, 3.3.3 T法測(cè)速 記錄編碼器兩個(gè)相鄰輸出脈沖的間的高頻脈沖個(gè)數(shù)M2, f0為高頻脈沖頻 率，圖3-12o IV m2 Tt=M2/fQ >1 1 ?! |一 Tc ?! 電機(jī)轉(zhuǎn)速 "竺=如r/mm ZT； ZM2 T法測(cè)速的分辨率: 60人 60九一 60人 _靳 ZM 60/。-％ T法測(cè)速誤差率: 6O/o x 0/_ Z(M2-1)" max 0 w 60/。 7M2 max 。必

11、 T法測(cè)速適用于低速段。 3?3?4 M/T法測(cè)速 把M法和T法結(jié)合起來(lái)，既檢測(cè)Tc時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)Mi, 又檢測(cè)同一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)業(yè),用來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速,稱(chēng)作M/T法測(cè)速。 釆用M./T法測(cè)速時(shí)，應(yīng)保證高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計(jì)數(shù)器 同時(shí)開(kāi)啟與關(guān)閉以減小誤差。 電機(jī)轉(zhuǎn)速心沁=皿詭n zrt zm2 圖3T3 r 教學(xué)內(nèi)容 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器 教學(xué)目的 掌握數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法及其軟件的實(shí)現(xiàn)，數(shù)字 PI的改進(jìn)的方法。 教學(xué)重點(diǎn) 模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化，位置式和增量式算法。 改進(jìn)的數(shù)字PI算法：積分分離算法。 建議學(xué)時(shí) 1

12、.5學(xué)時(shí) PPT演示軟件 教學(xué)教具與方法 3.4 [字PI調(diào)節(jié)器 3.4.1模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化 在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 方法設(shè)計(jì)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。 U(s) K 刃査+ 1 PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)=云彳=七一 時(shí)域表達(dá)式口J寫(xiě)成"(/) = K,(/) +— = Kpe(t) + K11e(t)dt, Kp = S 為比例系數(shù)，K產(chǎn)％為積分系數(shù)。 離散化成差分方程，人“”,為采樣周期，其第拍輸出為 "(燈=K peg + K “sam 丫曲)=K

13、peg + u{ (k) Z=1 =KPe(k) + K i Tsame(k ) + uI(k-1) 上式為位置式算法：比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng) 過(guò)去所有偏差的累積。 增量式PI調(diào)節(jié)器算法： △訛)=u(k) - ”伙 -1) = Kp[e(k) - e(k-1)]+ K,Tsame(k) u(k) = u(k -1) + Au(k) 增量式算法只需要當(dāng)前的和上一拍的偏差即可計(jì)算輸出的偏差量、 增屋式pi調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，而位置式算法必須同時(shí)設(shè)枳分限幅和 輸出限幅，缺一不可。 帶有積分限幅和輸出限幅的位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)程序框圖，圖3-17o 益  微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的邏輯判斷和數(shù)值運(yùn)算能力，充分應(yīng)用這些能 力，可以衍生出多種改進(jìn)的PI算法，提高系統(tǒng)的控制性能。 1.積分分離算法 把P和I分開(kāi)。當(dāng)偏差大時(shí)，只讓比例部分起作用，以快速減少偏差；當(dāng) 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)。這就是積分分離算法的基本思想。 積分分離算法表達(dá)式為"（燈=K/（燈+ C]=< &為一常值。 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。