《普通高等教育十四五规划教材 电力拖动数字控制系统设计》潘月斗，李华德编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《普通高等教育十四五规划教材 电力拖动数字控制系统设计》

【作　者】潘月斗，李华德编

【丛书名】普通高等教育十四五规划教材

【页 数】 159

【出版社】 北京：冶金工业出版社 , 2021.02

【ISBN号】978-7-5024-8710-2

【分 类】电力传动-数字控制系统-系统设计

【参考文献】 潘月斗，李华德编. 普通高等教育十四五规划教材 电力拖动数字控制系统设计. 北京：冶金工业出版社, 2021.02.

图书封面：

图书目录：

《普通高等教育十四五规划教材 电力拖动数字控制系统设计》内容提要：

本书从实际应用出发，系统地介绍了电力拖动控制系统数字化设计思想和方法。在介绍了电力拖动数字控制系统的组成、基本特点及理论基础之后，重点讲述了数字控制器的设计，最后详细讲述了电力拖动自动控制系统（交、直流调速系统，交流伺服系统）数字化设计方法、步骤，以及接口、总线设计等。 本书为高等学校自动化专业教材，也可供相关领域的工程技术人员参考。

《普通高等教育十四五规划教材 电力拖动数字控制系统设计》内容试读

绪论

自动控制系统分为模拟控制系统（连续控制系统）和数字控制系统（离散控制系统或计算机控制系统)。模拟控制系统基于模拟控制器件，在这类控制系统中，所有控制量的采集（采样）、各功能块之间的信息交换，以及他们的计算，控制，输出等功能的执行都是连续的，并行进行的，故又称为连续控制系统。和模拟控制系统相对应的数字控制系统基于数字控制器件，其核心是微处理器（计算机），在这类控制系统中，一个微处理器要完成大量的任务，由于在一定时间内，微处理器只能做一件事，所以这些任务必须分时，串行执行，把原来是连续的控制量间断成为每隔一定时间（周期）执行一次，故又成为离散控制。

数字控制系统作为离散时间系统，可采用差分方程来描述，并使用z变换法和离散状态空间法来分析和设计数字控制系统。数字控制系统设计方法通常有连续域离散化设计方法（或称模拟化设计方法）、离散域直接设计法、离散状态空间设计法（如最少能量控制、离散二次型最优控制）、复杂控制系统的设计法(串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制以及多变量解耦控制)等。

两种控制系统的原理及性能基本相同，都是用稳定性、能控性、能观性、动态特性来表征，或用稳定裕量、稳态指标、动态指标和综合指标来衡量系统的性能。

“数字控制的电力拖动自动控制系统”也称为“计算机控制的电力拖动自动控制系统”。至今，在各种应用领域中，连续（模拟）控制的交、直流调速系统，以及位置自动控制系统已经被数字控制所取代。数字控制技术（计算机控制技术)在电力拖动领域中的成功应用是近代的重大科技进步。

电力拖动数字自动控制系统的优越性：

只具暗斜县前座

(1)由计算机控制的各种电力电子功率变换装置可以使电动机有接近理想的供电电源，为提高系统的性能和扩展系统的功能提供了保证。

(2)以微处理器为核心的控制装置可以完成包括复杂计算和判断在内的高精度运算、变换和控制。软件的模块化结构可以实时增加、更改、删减应用程序，当实际系统变化时也可彻底更新，软件控制的这种灵活性大大增强了控制器对被控制对象的适应能力，使各种新的控制策略和控制方法得到实现。

(3)数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响。

(4)数字控制装置体积小、重量轻、耗能少。

绪·论

(5)具有很强的通信功能，通过现场总线可以与工业控制系统上位机联机工作。

(6)可对系统运行状态进行监视、预警、故障诊断和数据采集。数字控制的电力拖动自动控制系统的问题：

(1)存在采样和量化误差。数模(D/A)、模数(A/D)转换器的位数和计

算机的字长是一定的，增加位数和字长及提高采样频率可以减少这一误差，然而不可以无限制地增加。

(2)动态响应慢于电力拖动连续（模拟）自动控制系统。由于计算机以串行方式处理信号，因此完成一个任务总是需要一定时间的，目前的措施是提高微处理器的运算速度。的同

(3)采样时间延迟可能引起系统的不稳定。

(4)软件实现的功能难以使用仪器仪表（如示波器、万用表、电流表、电压表等)直接进行观测。

控制系统数字化的新进展：

随着计算机技术的迅速发展和应用的日益普及，20世纪70年代后，随着微处理器的问世，计算机在自动控制领域得到了广泛应用，如今绝大部分控制系统都采用计算机进行控制，这些控制系统包括工业实时控制系统、伺服控制系统、各类电子装置的控制系统，甚至军事设施的控制系统或航空航天设施的控制系统等。尤其是工业计算机控制技术，在采用了冗余技术和软硬件自诊断技术等措施后，其可靠性大大提高，工业生产自动控制已进人计算机时代。

进入21世纪后，计算机控制技术正朝着微型化、智能化、网络化和规范化方向发展。

:微型化是指嵌入式计算机已渗透到控制前端和底层，如各种传感器、执行器、过程通道、交互设备、通信设备等，而由微电子机械系统(Micro Elector

Mechanical System,MEMS)所构成的微型智能传感器、执行器和控制器将使控制技术进入新的领域。

智能化是指控制具有自适应、自学习、自诊断和自修复功能，控制质量进一步提高。

网络化是指控制系统的结构中心由信息加工单元转向系统的信息传输，使用高可靠、低成本、综合化的现场总线、以太网技术以及Internet技术，使控制系统的规模不断扩大，不仅能对整个工厂的生产过程进行控制，而且也可对跨地域的公共交通进行控制。

规范化是指控制系统的硬件和软件系统用一系列的标准来规范，设备的互换

性、系统的互连性使得系统的集成更为灵活，如各种规模的编程控制器(PLC)

开放的组态软件和开发平台为构建各种控制系统带来了方便，极大地提高了系统的开发效率，降低了系统的维护成本。

电力拖动数字控制系统的

基本组成及其特点

1.1电力拖动数字控制系统的基本组成

图1-1为连续（模拟）电力拖动自动控制系统的组成情况。

电力电子变换器

(数字控制器)

运动控制器（运动控制卡）

U

机

APR

ASR

ATR

电流

SV SB

逆变桥

LOGBT

电

或

GF

变化

IGCT)

电流变

电流检

换和

测处理

链观测

单元

BQ

工作

转速检测信号处理器

BRT

机械

位置检测信号处理器

图1-1连续电力拖动自动控制系统的组成框图小大十

由于连续电力拖动自动控制系统的组成，其物理意义明确、原理容易理解，因此，对于数字化电力拖动自动控制系统的设计，往往先按连续控制系统设计，然后再进行数字化设计，数字化设计后的电力拖动自动控制系统的基本构成如图1-2所示。数字控制系统一般由基于计算机结构的数字处理系统、外围设备以及输入输出通道等构成，如图1-2所示，数字控制系统的硬件一般包括主机、输入输出通

道以及外设等，主机是系统的核心，它包括CPU、存储设备和总线等，主机通过

运行软件程序向系统的各个部分发出各种命令，对被控对象进行检测与控制。输入输出通道是主机系统与对象之间进行信息交换的桥梁。输入通道把对象的被控参数转换成系统可以接受的数字信号，输出通道则把系统输出的控制指令和数据

1电力拖动数字控制系统的基本组成及其特点

4

设计人员

交互

管理人员

设备

输入

反馈

电力

操作人员

输入、

输入

通道

单元

输出

DSP

输出

通信

接口

接口

变器

设备

输出

通道

单元

机

外围

设备

过程通道

软件系统(系统软件+应用软件)

图1-2电力拖动数字控制系统的组成框图

转换成对对象进行控制的信号。外部设备是主机系统与外界进行信息交换的设备，一般包括人机接口，输人输出设备和外部存储设备等。

数字控制系统除了硬件以外，还要有相应的软件系统，软件是指能够完成各种功能的程序。软件通常包括系统软件、应用软件和数据库等。系统软件包括操作系统、诊断系统和开发系统等。应用软件包括为用户专门开发的针对各种应用的算法程序等，数据库则是一种资料管理或存档的软件。

1.1.1电力拖动数字控制系统的硬件系统

数字电力拖动自动控制系统由广义控制对象（电力电子变换器+电动机）、信号检测器和数字控制器等组成。

数字控制器由采样保持器、A/D转换器、微处理器（数字计算机）、D/A转

换器等组成。连续信号一般通过AD转换器进行采样、量化、编码等过程变成

时间上和大小上都是离散的数字信号e(T),经过计算机的加工处理，给出数字控制信号u(kT),通过D/A转换器使数字量恢复成连续的控制量u(t),再去控

制被控对象。其中，由微处理器、AD转换器、D/A转换器等组成的部分称为

数字控制器。数字控制器的控制规律是由编制的计算机程序来实现的

1.1.1.1微处理器

微处理器是数字系统的核心，机型的选择往往直接影响系统的控制功能和控制效果的实现。通常，适用于数字控制系统的微处理器种类很多，各种类型微处理器的性能和结构也千差万别。如何选择最佳的控制核心是专业工程技术人员所必须面对的问题，所以必须对各种微处理器有一个全面的了解。

A单片机

单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)简称为单片机。它是在一块芯

1.1电力拖动数字控制系统的基本组成

片上集成了中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、

输入/输出(/0)接口、可编程定时器/计数器等，有的甚至包含有A/D转换

器。从美国仙童(Fairchild)公司1974年生产出第一块单片机(F8)开始，短短十几年的时间，单片机如雨后春笋般大量涌现出来，如Intel、Motorola、Zilog、

TI、NEC等世界上几大计算机公司，纷纷推出自己的单片机系列。其特点：

(1)集成度高，功能强：

(2)结构合理，存储容量大，速度快；

(3)抗干扰能力强：

(4)指令丰富。·其性能指标主要有：

(1)CPU指令集是否丰富。由指令助记符组成的汇编程序由编译程序转化

为单片机可以识别的数据文件，由单片机顺序执行。汇编语言的指令一般可分为以下几类：算术运算、逻辑操作、数据传送、程序分支。

(2)速度是否快，即系统时钟频率大小及指令执行周期的长短。

(3)资源是否丰富，包括RAM(SRAM、DRAM)、ROM(EPROM、PROM

E2PROM)、/O接口、AVD和D/A转换、中断等。ROM用于存放程序和常数，

RAM用于存放变量和中间结果。

(4)功耗和体积。

以下介绍高性能单片机的品种和主要特点。aMCS-51系列

MCS-5I系列单片机是Intel公司在其MCS-48系列单片机基础上推出的高性能8位单片机，如图1-3所示。

外部中断

中断

ROM

RAM

定时器1

计数器

控制

4KB

128B

定时器2

输入

CPU

总线

控制

VO接口

串行

接口

P P2 Pi

TxD RxD

图1-3MCS-51单片机框图

(1)基本型：8031、8051、8751、HMOS(高密度金属氧化物半导体)工艺，8031片内无ROM,8051片内固化4 KB ROM,8751片内有4 KB EPR0M。

】电力拖动数字控制系统的基本组成及其特点

6

(2)派生型：8032、8052、8752，在基本型的基础上增加了ROM和RAM的

容量、定时器和中断源数量。

(3)低功耗高速型：80C31、80C52、87C52,采用了HCM0S(高密度互补

金属氧化物半导体)工艺。

(4)高性能型：80C52、83C252、87C252,在派生型的基础上采用CHM0S

(混合互补金属氧化物半导体)工艺，集成了HSL/HS0(高速输人/高速输出)、

PWM口。

主要特点：

(1)硬件功能：4~8KB内部R0M,128~256BRAM,外部寻址范围为

64KB,5个中断源，2个16位定时器/计数器，32个/0接口。

(2)软件功能：丰富的指令集，内部的位处理器，特别适于逻辑处理和控制。

(3)外部晶体振荡频率为6~12MHz,指令周期为1us。bMCS-96系列

MCS-96系列（见图1-4）是性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精

度的工作控制，由Itel公司于1983年开发生产，其典型产品主要特点如下：

(1)16位CPU:改变了以往的累加器结构而采用寄存器-寄存器结构，CPU

可直接对它们进行操作，消除了累加器造成的瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。

UREF ANGND

掉电

频率基准

时钟

16KBH

控制

发生器

XRAM

ROMA

EPROM

信号

A/D

转换器

CPU

存储器

232B

队列控制器

寄存器

定时器1

16

P:

S/H

定时监视器

陈列

地址

RALU

定时器2

数据

MU☒

总线

P

PWM

行

波特率

256K

接口

发生器

XRAM

高速

/0

P,MUX

Po PI

P

HSI HSO

图1-4 Intel MCS-96单片机框图

···试读结束···