计算机控制技术.ppt

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沈阳建筑大学信息与控制工程学院 马斌计算机控制技术 第八章 微机控制系统设计实例§8.1微机控制系统的工程设计方法§8.2微机控制系统的设计与实现过程§8.3变频调速恒压供水控制系统设计§8.4加热炉控制系统设计与分析§8.5双闭环直流数字调速系统设计第八章 微机控制系统设计实例§8.5双闭环直流数字调速系统设计 直流传动系统广泛地应用于轧钢机、造纸机、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。 设计一个直流传动系统，首先应熟悉加工工艺要求，根据生产机械对传动系统所提出的拖动功率及系统的静态、动态性能指标的要求，综合考虑各种因素，提出系统技术方案，进行硬件、算法、软件设计。 以晶闸管采用三相全控整流供电的双闭环直流数字调速系统为例讨论系统的设计过程。第八章 微机控制系统设计实例§8.5双闭环直流数字调速系统设计 一、已知的系统参数 二、确定整体方案： 三、电流环、速度环控制器设计： 四、晶闸管触发数字控制器设计： 五、系统的总体设计：第八章 微机控制系统设计实例§8.5双闭环直流数字调速系统设计 一、已知的系统参数直流电动机：Z2-41型， Ped=3Kw,Ued=220v,Ied=17.3A,ned=1500r/mis电枢回路总电阻：R=2.5Ω；电动机回路电磁时间常数：TL=0.017s；电动机机电时间常数：TM=0.152s；电动机电势时间常数：Ceφ=0.1352V/(r· mis-1);晶闸管整流电路滞后时间：Ts=0.0017s。同步信号产生整流滤波互感器三相交流电 UGN速度给定Ufn隔离放大器A/D转换数字电流控制器LT数字晶闸管触发器数字速度控制器ST晶闸管M+-UgiUfi主轴脉冲发生器单片机数字系统第八章 微机控制系统设计实例§8.5双闭环直流数字调速系统设计 二、确定整体方案　　采用内环为电流环，外环为速度环的双闭环数字调速系统，结构如下：第八章 微机控制系统设计实例 二、确定整体方案电流环设计方案：　　电流内环要获取电流反馈信号，采用交流电流互感器作为电流检测元件，检测的电流信号经整流分压滤波后，变成与负载电流成比例的0－5V直流电压，再经A/D转换输入计算机。为此：①电流环反馈系数：β＝5V/17.3A＝0.289V/A②每V电压为：17.3A/5V＝3.46A③每数值1代表的电压：5/255＝0.0196V④数值1代表的电流：17.3A/255＝0.068A⑤加入分压比后：β＝5V/(17.3A×1.5)＝0.19V/A⑥电流环反馈滤波时间常数：Tfi＝0.0024s＝2.4ms 由互感器及滤波电路参数决定。第八章 微机控制系统设计实例 二、确定整体方案速度环设计方案：　　 速度环要获取转速反馈信号。采用主轴脉冲发生器作为速度反馈的检测元件。它将角度位移信号转换成脉冲序列，通过计数器即可得到转速反馈的数字信号。当然也可以采用测速发电机经分压整流滤波A/D转换送入计算机。选定每转产生1024个脉冲的主轴脉冲发生器。 当电机转速为1转时，即主轴脉冲发生器每分钟产生1024个脉冲，为此有：600000ms/1024＝58.6ms。即：计数器每间隔58.6ms的计数值正好为电机的每分钟转速。第八章 微机控制系统设计实例 二、确定整体方案速度环设计方案： 根据速度环控制器在稳态时，给定数字与反馈数字(即每个采样周期内脉冲计数)相平衡的特点，来计算速度反馈系数。 采用8位二进制数为给定值,则当其最大时Ugnm=255,电机转速应达到最高Nmax，因此有反馈系数α： Ugnm=αNmax 即： α＝Ugnm/Nmax＝255/1500＝0.17 脉冲/r mis-1 反过来讲：1/α＝5.88， 即每一数值代表的转速Nmax/Ugnm第八章 微机控制系统设计实例 二、确定整体方案速度环设计方案： 估算采样周期TN: 为使反馈系数α与采样周期TN有关联，设当转速稳定在某一转速n时有： n*α＝n*1024*TN即：TN＝α/1024 ＝0.17/1024＝0.000166mis＝9.96ms≈10ms 从速度环给定与反馈系数配合的角度来看，速度环采样周期TN取10ms比较合适。第八章 微机控制系统设计实例§8.5双闭环直流数字调速系统设计 三、电流环、速度环控制器设计： 对于双闭环数字直流调速系统一部可采用PI控制调节规律。这里用直接数字控制器设计方法。则有： u(n) = u(n－1)+Δu(n) =u(n-1)+kp[e(n)-e(n-1)]+kie(n)第八章 微机控制系统设计实例三、电流环、速度环控制器设计：1、电流环控制器参数的整定：① 首先用扩充响应曲线法， 作飞升曲线如图：设测试结果为：τ/Tτ =0.8因Tτ=TL=0.017s(电机时间常数)则：τ＝0.8*0.017=0.0136sτYtTτ第八章 微机控制系统设计实例三、电流环、速度环控制器设计：1、电流环控制器参数的整定：② 选择控制度为1.5时，查表P46页表3-3有： T=0.5τ＝0.5*0.0136＝0.0068s＝6.8ms kp＝0.68Tτ/τ=0.68*0.017/0.0136=0.85 Ti＝3.9τ＝3.9*0.0136=0.05304 ki=kp*T/Ti=0.85*0.0068/0.05304=0.10897③ 得出电流环数字控制器： u(k)=u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k) =u(k-1)+0.85[e(k)-e(k-1)]+0.10897e(k) =u(k-1)+0.96e(k)-0.85e(k-1)第八章 微机控制系统设计实例三、电流环、速度环控制器设计：2、速度环控制器参数的整定：① 首先用扩充响应曲线法， 作飞升曲线如图：设测试结果为：τ/Tτ =0.95因Tτ=TM* Ceφ=0.152*0.1352 =0.0206则：τ＝0.95*0.0206=0.01957sτYtTτ第八章 微机控制系统设计实例三、电流环、速度环控制器设计：2、速度环控制器参数的整定：② 选择控制度为1.5时，查表P46页表3-3有： T=0.5τ＝0.5*0.01957＝0.0097s＝9.7ms kp＝0.68Tτ/τ=0.68*0.0206/0.01957=0.716 Ti＝3.9τ＝3.9*0.01957=0.0763 ki=kp*T/Ti=0.716*0.0097/0.0763=0.091③ 得出速度环数字控制器： u(k)=u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k) =u(k-1)+0.716[e(k)-e(k-1)]+0.091e(k) =u(k-1)+0.807e(k)-0.716e(k-1)第八章 微机控制系统设计实例§8.5双闭环直流数字调速系统设计 四、晶闸管触发数字控制器设计：1、数字。省略部分。八章 微机控制系统设计实例 五、系统的总体设计： 1、数字触发器的设计： 数字触发器有2个输入量：同步脉冲信号和控制角α的给定值；1个输出量：晶闸管触发信息。 其中：控制角α的给定值，是由速度环、电流环经运算后给出，它可由软件程序来实现。 同步脉冲信号：由线电压Uac取来，经单相同步变压器降压、隔离后，由过零比较器和单稳电路处理，可得到Uac从负半波到正半波的过零点处的同步脉冲。 为保证同步触发，同步脉冲信号必须作为中断输入。第八章 微机控制系统设计实例 五、系统的总体设计： 1、数字触发器的设计： 对于晶闸管触发输出信息，可由P1.0～P1.5输出，为提高可靠性增加一级单稳触发器，形成1ms的脉宽，再经光隔驱动脉冲变压器去触发SCR，其触发脉冲由定时器T1定时。INT0P1.0┇P1.5占用定时器1光隔变压器单稳┇┇┇┇单稳零比较器MA B C同步变压器数字触发器硬件电路原理图第八章 微机控制系统设计实例 五、系统的总体设计： 2、电流环数字控制器的设计： 电流环数字控制器有2个输入量：电流给定Ugi和电流检测反馈信号Ufi；1个输出量：晶闸管的控制角α的给定。 其中：Ugi和α的均可由软件程序来实现。 硬件仅做电流检测反馈信号输入的设计。 电流环采样周期，前面已计算为6.8mS，按与速度环匹配考虑，可选为5ms，由定时器T0实现。定时中断时，起动ADC0809读取电流值。 第八章 微机控制系统设计实例 五、系统的总体设计： 2、电流环数字控制器的设计： 电流检测反馈信号的输入设计，一般可由交流互感器、整流、分压、滤波处理而形成0～5V的直流电压信号，再经ADC0809将其转换成数字信号送CPU。电流环控制器硬件电路原理图CLK IN0AB ADC0809C START IN1ALEOED7-D0交流互感器整流分压滤波+5V速度给定二分频器89C51 ALEP2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P0.0-P0.7380V占用定时器０速度环使用第八章 微机控制系统设计实例 五、系统的总体设计： 3、速度环数字控制器的设计： 速度环数字控制器有2个输入量：速度给定Ugn和速度反馈信号Ufn；1个输出量：电流给定值Ugi。 其中：控制器输出可由软件程序来实现。 速度给定有两种方式实现：一是采用键盘输入；二是采用多圈电位器，将0～5V电压信号送到ADC0809进行转换，但需要显示器配合。 速度检测由主轴脉冲发生器作为传感元件，需要由计数器接收脉冲信号，前面分析已知需要58.6ms为间隔读取转数。第八章 微机控制系统设计实例 五、系统的总体设计： 3、速度环数字控制器的设计： 速度的采样周期确定为10ms。为此，可将得到的计数脉冲值乘以5.86，即可得到实际转数。 速度环需要一个计数器和一个定时器，而CPU的T0和T1已被占用，只有扩充定时/计数器接口。 8253芯片是具有三个功能完全相同、相互独立的16位定时/计数器与51系列CPU不同的是减计数器。CLKOUT3210第八章 微机控制系统设计实例 五、系统的总体设计： 3、速度环数字控制器的设计：8253的6种工作方式： 1．方式0——计数结束时中断方式 2．方式1——程序可控单稳方式 3．方式2——分频方式 4．方式3——发生方波方式 5．方式4——软件触发的选通信号方式 6．方式5——硬件触发选通方式第八章 微机控制系统设计实例 五、系统的总体设计： 3、速度环数字控制器的设计：8253的计数通道结构第八章 微机控制系统设计实例 五、系统的总体设计： 3、速度环数字控制器的设计： 当向8253写入方式控制字后，计数器输出立即变为低电平，计数器开始减计数，计数结束时，输出变为高电平，并一直保持到再次置入初值。计数器0计数器1计数器2CLK0GATE0OUT0CLK2GATE2OUT2CLK1GATE1OUT18253内部结构数据总线缓冲器控制字寄存器D7-D0读/写控制逻辑RDWRA0A1CSGATE为控制端：1计数，0停止。第八章 微机控制系统设计实例 五、系统的总体设计： 3、速度环数字控制器的设计： 定时/计数器8253组成的速度环硬件电路原理图如下，速度给定电路在电流环的电路图中。D7-D0A0 CLK0A1CS 8253WR RD GATE0OUT1主轴脉冲序列89C51 P0.0-P0.7P2.0P2.1P2.5P2.6P2.7INT1第八章 微机控制系统设计实例89C51组成的双闭环直流调速系统总体电路原理图光隔变压器单稳┇┇┇┇单稳零比较器MA B C同步变压器CLK IN0AB ADC0809C START IN1ALEOED7-D0交流互感器整流分压滤波+5V速度给定二分频器D7-D0A0 CLK0A1CS 8253WR RD GATE0OUT1主轴脉冲序列INT0P1.0P1.589C51 ALEP2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P0.0-P0.7P2.5P2.6P2.7INT1第八章 微机控制系统设计实例§8.5双闭环直流数字调速系统设计 六、接口功能器件的地址分配：0809地址： 起动P2.3，读取P2.4 ,PO口数据线 读取电流值：P2.0-P2.2＝“000” 读取转速给定值：P2.0-P2.2=“001”8253地址： PO口数据线 ，P2.5片选 起动定时器1：P2.6,P2.0-P2.2=“000” 读取转速脉冲值：P2.7,P2.0-P2.2=“001”CPU中断设置：INTO_同步脉冲到来 INT1_速度采样周期到来(10ms) TO_电流采样周期到来(5ms) T1_触发脉冲输出优先级：同步脉冲，电流采样，触发脉冲，速度采样第八章 微机控制系统设计实例§8.5双闭环直流数字调速系统设计 七、系统软件功能模块设计：初始化部分：0809、8253、中断优先级、触发脉冲输出同步脉冲中断处理程序：计算偏差Tσ(间隔20ms)电流采样处理程序：起动0809读取电流反馈值(5ms)触发脉冲中断处理程序：输出脉冲分配字(5ms)速度采样处理程序：读取转速，计算电流环给定(10ms)PI控制器算法程序：依偏差计算输出(5ms)主控制程序：电流环控制计算，触发控制计算等监控管理公共服务程序：显示、滤波、看门狗、通信、打印、 自检、故障报警等。谢谢！祝同学们成绩好！一切顺利！ 关 键 词： 控制 技术 计算机

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