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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)。
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原理结构
2.3.1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,即可求得输出的离散化算式。例如已知
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
(2)部分分式法。若D(S)可以写成部分分式的形式,即
则可根据拉氏变换与Z变换的关系查表求得D(z),即
式中T是采样周期。由D(Z)即可求得离散算式。例如已知
则
故得
(3)零极点匹配法
时间域的采样操作,其效应是直接将S域函数的极点根据公式映射到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
根据上式将D(S)的零极点映射到Z平面,其转换关系是:
或
或
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。用解析法对离散系统进行设计是50年代发
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