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計算機控制技術.ppt
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沈陽建筑大學信息與控制工程學院 馬斌計算機控制技術 第八章 微機控制系統設計實例§8.1微機控制系統的工程設計方法§8.2微機控制系統的設計與實現過程§8.3變頻調速恒壓供水控制系統設計§8.4加熱爐控制系統設計與分析§8.5雙閉環直流數字調速系統設計第八章 微機控制系統設計實例§8.5雙閉環直流數字調速系統設計 直流傳動系統廣泛地應用于軋鋼機、造紙機、金屬切削機床等許多領域的自動控制系統中。 設計一個直流傳動系統，首先應熟悉加工工藝要求，根據生產機械對傳動系統所提出的拖動功率及系統的靜態、動態性能指標的要求，綜合考慮各種因素，提出系統技術方案，進行硬件、算法、軟件設計。 以晶閘管采用三相全控整流供電的雙閉環直流數字調速系統為例討論系統的設計過程。第八章 微機控制系統設計實例§8.5雙閉環直流數字調速系統設計 一、已知的系統參數 二、確定整體方案： 三、電流環、速度環控制器設計： 四、晶閘管觸發數字控制器設計： 五、系統的總體設計：第八章 微機控制系統設計實例§8.5雙閉環直流數字調速系統設計 一、已知的系統參數直流電動機：Z2-41型， Ped=3Kw,Ued=220v,Ied=17.3A,ned=1500r/mis電樞回路總電阻：R=2.5Ω；電動機回路電磁時間常數：TL=0.017s；電動機機電時間常數：TM=0.152s；電動機電勢時間常數：Ceφ=0.1352V/(r· mis-1);晶閘管整流電路滯后時間：Ts=0.0017s。同步信號產生整流濾波互感器三相交流電 UGN速度給定Ufn隔離放大器A/D轉換數字電流控制器LT數字晶閘管觸發器數字速度控制器ST晶閘管M+-UgiUfi主軸脈沖發生器單片機數字系統第八章 微機控制系統設計實例§8.5雙閉環直流數字調速系統設計 二、確定整體方案 采用內環為電流環，外環為速度環的雙閉環數字調速系統，結構如下：第八章 微機控制系統設計實例 二、確定整體方案電流環設計方案： 電流內環要獲取電流反饋信號，采用交流電流互感器作為電流檢測元件，檢測的電流信號經整流分壓濾波后，變成與負載電流成比例的0－5V直流電壓，再經A/D轉換輸入計算機。為此：①電流環反饋系數：β＝5V/17.3A＝0.289V/A②每V電壓為：17.3A/5V＝3.46A③每數值1代表的電壓：5/255＝0.0196V④數值1代表的電流：17.3A/255＝0.068A⑤加入分壓比后：β＝5V/(17.3A×1.5)＝0.19V/A⑥電流環反饋濾波時間常數：Tfi＝0.0024s＝2.4ms 由互感器及濾波電路參數決定。第八章 微機控制系統設計實例 二、確定整體方案速度環設計方案： 速度環要獲取轉速反饋信號。采用主軸脈沖發生器作為速度反饋的檢測元件。它將角度位移信號轉換成脈沖序列，通過計數器即可得到轉速反饋的數字信號。當然也可以采用測速發電機經分壓整流濾波A/D轉換送入計算機。選定每轉產生1024個脈沖的主軸脈沖發生器。 當電機轉速為1轉時，即主軸脈沖發生器每分鐘產生1024個脈沖，為此有：600000ms/1024＝58.6ms。即：計數器每間隔58.6ms的計數值正好為電機的每分鐘轉速。第八章 微機控制系統設計實例 二、確定整體方案速度環設計方案： 根據速度環控制器在穩態時，給定數字與反饋數字(即每個采樣周期內脈沖計數)相平衡的特點，來計算速度反饋系數。 采用8位二進制數為給定值,則當其最大時Ugnm=255,電機轉速應達到最高Nmax，因此有反饋系數α： Ugnm=αNmax 即： α＝Ugnm/Nmax＝255/1500＝0.17 脈沖/r mis-1 反過來講：1/α＝5.88， 即每一數值代表的轉速Nmax/Ugnm第八章 微機控制系統設計實例 二、確定整體方案速度環設計方案： 估算采樣周期TN: 為使反饋系數α與采樣周期TN有關聯，設當轉速穩定在某一轉速n時有： n*α＝n*1024*TN即：TN＝α/1024 ＝0.17/1024＝0.000166mis＝9.96ms≈10ms 從速度環給定與反饋系數配合的角度來看，速度環采樣周期TN取10ms比較合適。第八章 微機控制系統設計實例§8.5雙閉環直流數字調速系統設計 三、電流環、速度環控制器設計： 對于雙閉環數字直流調速系統一部可采用PI控制調節規律。這里用直接數字控制器設計方法。則有： u(n) = u(n－1)+Δu(n) =u(n-1)+kp[e(n)-e(n-1)]+kie(n)第八章 微機控制系統設計實例三、電流環、速度環控制器設計：1、電流環控制器參數的整定：① 首先用擴充響應曲線法， 作飛升曲線如圖：設測試結果為：τ/Tτ =0.8因Tτ=TL=0.017s(電機時間常數)則：τ＝0.8*0.017=0.0136sτYtTτ第八章 微機控制系統設計實例三、電流環、速度環控制器設計：1、電流環控制器參數的整定：② 選擇控制度為1.5時，查表P46頁表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 得出電流環數字控制器： 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 微機控制系統設計實例三、電流環、速度環控制器設計：2、速度環控制器參數的整定：① 首先用擴充響應曲線法， 作飛升曲線如圖：設測試結果為：τ/Tτ =0.95因Tτ=TM* Ceφ=0.152*0.1352 =0.0206則：τ＝0.95*0.0206=0.01957sτYtTτ第八章 微機控制系統設計實例三、電流環、速度環控制器設計：2、速度環控制器參數的整定：② 選擇控制度為1.5時，查表P46頁表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 得出速度環數字控制器： 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 微機控制系統設計實例§8.5雙閉環直流數字調速系統設計 四、晶閘管觸發數字控制器設計：1、數字。省略部分。八章 微機控制系統設計實例 五、系統的總體設計： 1、數字觸發器的設計： 數字觸發器有2個輸入量：同步脈沖信號和控制角α的給定值；1個輸出量：晶閘管觸發信息。 其中：控制角α的給定值，是由速度環、電流環經運算后給出，它可由軟件程序來實現。 同步脈沖信號：由線電壓Uac取來，經單相同步變壓器降壓、隔離后，由過零比較器和單穩電路處理，可得到Uac從負半波到正半波的過零點處的同步脈沖。 為保證同步觸發，同步脈沖信號必須作為中斷輸入。第八章 微機控制系統設計實例 五、系統的總體設計： 1、數字觸發器的設計： 對于晶閘管觸發輸出信息，可由P1.0～P1.5輸出，為提高可靠性增加一級單穩觸發器，形成1ms的脈寬，再經光隔驅動脈沖變壓器去觸發SCR，其觸發脈沖由定時器T1定時。INT0P1.0┇P1.5占用定時器1光隔變壓器單穩┇┇┇┇單穩零比較器MA B C同步變壓器數字觸發器硬件電路原理圖第八章 微機控制系統設計實例 五、系統的總體設計： 2、電流環數字控制器的設計： 電流環數字控制器有2個輸入量：電流給定Ugi和電流檢測反饋信號Ufi；1個輸出量：晶閘管的控制角α的給定。 其中：Ugi和α的均可由軟件程序來實現。 硬件僅做電流檢測反饋信號輸入的設計。 電流環采樣周期，前面已計算為6.8mS，按與速度環匹配考慮，可選為5ms，由定時器T0實現。定時中斷時，起動ADC0809讀取電流值。 第八章 微機控制系統設計實例 五、系統的總體設計： 2、電流環數字控制器的設計： 電流檢測反饋信號的輸入設計，一般可由交流互感器、整流、分壓、濾波處理而形成0～5V的直流電壓信號，再經ADC0809將其轉換成數字信號送CPU。電流環控制器硬件電路原理圖CLK IN0AB ADC0809C START IN1ALEOED7-D0交流互感器整流分壓濾波+5V速度給定二分頻器89C51 ALEP2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P0.0-P0.7380V占用定時器０速度環使用第八章 微機控制系統設計實例 五、系統的總體設計： 3、速度環數字控制器的設計： 速度環數字控制器有2個輸入量：速度給定Ugn和速度反饋信號Ufn；1個輸出量：電流給定值Ugi。 其中：控制器輸出可由軟件程序來實現。 速度給定有兩種方式實現：一是采用鍵盤輸入；二是采用多圈電位器，將0～5V電壓信號送到ADC0809進行轉換，但需要顯示器配合。 速度檢測由主軸脈沖發生器作為傳感元件，需要由計數器接收脈沖信號，前面分析已知需要58.6ms為間隔讀取轉數。第八章 微機控制系統設計實例 五、系統的總體設計： 3、速度環數字控制器的設計： 速度的采樣周期確定為10ms。為此，可將得到的計數脈沖值乘以5.86，即可得到實際轉數。 速度環需要一個計數器和一個定時器，而CPU的T0和T1已被占用，只有擴充定時/計數器接口。 8253芯片是具有三個功能完全相同、相互獨立的16位定時/計數器與51系列CPU不同的是減計數器。CLKOUT3210第八章 微機控制系統設計實例 五、系統的總體設計： 3、速度環數字控制器的設計：8253的6種工作方式： 1．方式0——計數結束時中斷方式 2．方式1——程序可控單穩方式 3．方式2——分頻方式 4．方式3——發生方波方式 5．方式4——軟件觸發的選通信號方式 6．方式5——硬件觸發選通方式第八章 微機控制系統設計實例 五、系統的總體設計： 3、速度環數字控制器的設計：8253的計數通道結構第八章 微機控制系統設計實例 五、系統的總體設計： 3、速度環數字控制器的設計： 當向8253寫入方式控制字后，計數器輸出立即變為低電平，計數器開始減計數，計數結束時，輸出變為高電平，并一直保持到再次置入初值。計數器0計數器1計數器2CLK0GATE0OUT0CLK2GATE2OUT2CLK1GATE1OUT18253內部結構數據總線緩沖器控制字寄存器D7-D0讀/寫控制邏輯RDWRA0A1CSGATE為控制端：1計數，0停止。第八章 微機控制系統設計實例 五、系統的總體設計： 3、速度環數字控制器的設計： 定時/計數器8253組成的速度環硬件電路原理圖如下，速度給定電路在電流環的電路圖中。D7-D0A0 CLK0A1CS 8253WR RD GATE0OUT1主軸脈沖序列89C51 P0.0-P0.7P2.0P2.1P2.5P2.6P2.7INT1第八章 微機控制系統設計實例89C51組成的雙閉環直流調速系統總體電路原理圖光隔變壓器單穩┇┇┇┇單穩零比較器MA B C同步變壓器CLK IN0AB ADC0809C START IN1ALEOED7-D0交流互感器整流分壓濾波+5V速度給定二分頻器D7-D0A0 CLK0A1CS 8253WR RD GATE0OUT1主軸脈沖序列INT0P1.0P1.589C51 ALEP2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P0.0-P0.7P2.5P2.6P2.7INT1第八章 微機控制系統設計實例§8.5雙閉環直流數字調速系統設計 六、接口功能器件的地址分配：0809地址： 起動P2.3，讀取P2.4 ,PO口數據線 讀取電流值：P2.0-P2.2＝“000” 讀取轉速給定值：P2.0-P2.2=“001”8253地址： PO口數據線 ，P2.5片選 起動定時器1：P2.6,P2.0-P2.2=“000” 讀取轉速脈沖值：P2.7,P2.0-P2.2=“001”CPU中斷設置：INTO_同步脈沖到來 INT1_速度采樣周期到來(10ms) TO_電流采樣周期到來(5ms) T1_觸發脈沖輸出優先級：同步脈沖，電流采樣，觸發脈沖，速度采樣第八章 微機控制系統設計實例§8.5雙閉環直流數字調速系統設計 七、系統軟件功能模塊設計：初始化部分：0809、8253、中斷優先級、觸發脈沖輸出同步脈沖中斷處理程序：計算偏差Tσ(間隔20ms)電流采樣處理程序：起動0809讀取電流反饋值(5ms)觸發脈沖中斷處理程序：輸出脈沖分配字(5ms)速度采樣處理程序：讀取轉速，計算電流環給定(10ms)PI控制器算法程序：依偏差計算輸出(5ms)主控制程序：電流環控制計算，觸發控制計算等監控管理公共服務程序：顯示、濾波、看門狗、通信、打印、 自檢、故障報警等。謝謝！祝同學們成績好！一切順利！ 關?鍵?詞： 控制 技術 計算機
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總結
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