單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計

1、廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 第一章 導(dǎo)言1.1論文的選題背景及意義同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)研究的內(nèi)容包括兩個主要方面：勵磁機(jī)和勵磁調(diào)節(jié)器，對勵磁系統(tǒng)的控制是對發(fā)電機(jī)運行實現(xiàn)控制的一項重要內(nèi)容，因而勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要配套裝備。勵磁電流是同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生無功功率的重要來源，因此，在電力系統(tǒng)運行中，良好的勵磁控制系統(tǒng)對改善電力系統(tǒng)運行有著重要的意義。廣西地處西南，有豐富的水力資源，有著許多的中，小型水電站，在此基礎(chǔ)上發(fā)展的相關(guān)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也面臨著新的升級與改革，其裝備的同步發(fā)電機(jī)設(shè)備有的還在用可控硅靜止勵磁方式，采用人工手動調(diào)節(jié)，勵磁系統(tǒng)不能按照給定電壓進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，

2、直接影響同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的供電質(zhì)量及其運行的可靠性和穩(wěn)定性，因此，許多電站提出了對勵磁控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，隨著計算機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的微機(jī)控制就產(chǎn)生了，提高了電力系統(tǒng)的自動化水平。本文利用atmel公司生產(chǎn)的atmega系列單片機(jī)功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性高、精度高、運算速度快的優(yōu)點，設(shè)計出適用于中小型同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)的控制裝置，實現(xiàn)電力系統(tǒng)在正常運行情況下維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定水平，實現(xiàn)并聯(lián)運行發(fā)電機(jī)組的無功功率的合理分配以及提高同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運行的穩(wěn)定性。1.2國內(nèi)外同步發(fā)電機(jī)勵磁技術(shù)的發(fā)展縱觀同步發(fā)電機(jī)勵磁裝置的發(fā)展歷史可知，最初的勵磁調(diào)節(jié)器是以發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓偏差(

3、)為反饋量，由于當(dāng)時的機(jī)組容量不大，電網(wǎng)規(guī)模較小，所以基本能滿足安全運行的要求。調(diào)節(jié)器的執(zhí)行環(huán)節(jié)是采用電動伺服馬達(dá)。通過鏈條傳動以改變威磁帆磁場回路中的磁場電阻的方案。這就帶來了調(diào)節(jié)速度慢的問題。而且有一定的調(diào)節(jié)死區(qū)。磁放大器式的勛磁調(diào)節(jié)器克服了死區(qū)的問題。然而仍有較大的時間常數(shù)。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，70年代后，執(zhí)行環(huán)節(jié)大部分采用可控硅整流橋，目前國內(nèi)對全控橋可控硅勵磁系統(tǒng)的研究主要集中于大型機(jī)組，并與全數(shù)字式同步勵磁控制系統(tǒng)配套使用，這樣既解決了靈敏度的同題，也大幅度地提高了反應(yīng)速度。然而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，單機(jī)容量的增大，使得僅以電壓偏差()為反饋量的勵磁調(diào)節(jié)器不能滿足對電壓精度及穩(wěn)定運

4、行的要求，因此出現(xiàn)了pid 勵磁控制方式。它是從受控對象及調(diào)節(jié)器的常微分方程出發(fā)，經(jīng)過拉氏變換建立各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)進(jìn)而得到受控系統(tǒng)及調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。其調(diào)節(jié)控制算法為：,這種勵磁控制方式對發(fā)電機(jī)的運行性能有了很大的改善。進(jìn)入50年代后，隨著自動控制理論的不斷發(fā)展與成熟，電子器件，半導(dǎo)體技術(shù)的研制和應(yīng)用也取得了長足發(fā)發(fā)展，從此打開了人們研制新型調(diào)節(jié)器的思路，70年代后，最優(yōu)控制理論應(yīng)用于電力系統(tǒng)勵磁控制的研究在國外就蓬勃地展開了，這些成果進(jìn)一步促進(jìn)了勵磁控制技術(shù)的發(fā)展。國外從70年代開始研究數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器，從80年代中期世界上第一臺數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器der，問世以來，國外的德國，瑞士，英國等眾多

5、生產(chǎn)廠家紛紛研制并不斷推出新的產(chǎn)品，大大推動了der的發(fā)展和應(yīng)用，der用的硬件一般自制專用控制板，分為單cpu系統(tǒng)和多cpu系統(tǒng)以及模擬數(shù)字混合系統(tǒng)(數(shù)字部分采用plc)等三種，單cpu系統(tǒng)的特點是快速、總體集成度高，因而成本也高。多cpu系統(tǒng)兼有并行處理的特點，可滿足快速要求，調(diào)節(jié)器功能分配給不同的cpu單元，軟件編程簡化，缺點也是明顯的，多cpu需要一個多機(jī)并行的管理系統(tǒng)。但無論如何數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器己成為復(fù)雜的多功能勵磁系統(tǒng)的首選，是最新勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展方向。隨著電力電子技術(shù)和計算機(jī)工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，控制要求的不斷提高和控制理論的不斷發(fā)展，用常規(guī)模擬勵磁控制方法實現(xiàn)所要達(dá)到指標(biāo)愈來愈困

6、難，并且可靠性大大降低，因此對傳統(tǒng)的模擬式勵磁調(diào)節(jié)器提出了挑戰(zhàn)，模擬式勵磁調(diào)節(jié)器是以半導(dǎo)體元件為基礎(chǔ)，它曾對勵磁系統(tǒng)的發(fā)展起過積極的推動作用，但由于現(xiàn)代發(fā)電機(jī)組越來越大，對勵磁系統(tǒng)的要求越來越高。使得勵磁部分的電路較復(fù)雜。這就不可避免地降低了整個勵磁系統(tǒng)的可靠性，另一方面，半導(dǎo)體元件參數(shù)的分散性較大，且焊接點較多，調(diào)試及檢修工作量大。而用微機(jī)實現(xiàn)的勵磁控制系統(tǒng)可克服上述矛盾，滿足運行的要求，如采用雙散機(jī)切換可據(jù)高整個系統(tǒng)的可性。微機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，使得許多在模擬式調(diào)節(jié)器中無法實現(xiàn)的功能得以實現(xiàn)，并可以用軟件功能代替模擬式中用較復(fù)雜的硬件實現(xiàn)的功能。簡化了勵磁調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，降低了成本。而且對于一

7、些特殊要求的功能，可以在硬件電路幾乎不變的情況下，修改軟件來達(dá)到。這櫸就加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度，也使得現(xiàn)場運行人員在掌握某種功能的微機(jī)勵磁裝置的前提下，不需要花大力氣，就可以掌握另一種性能略有差別的裝置。微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定靈活方便，便于在線修改、調(diào)試工作量小，受到了人們的普遍歡迎。其改善了系統(tǒng)的阻尼，提高了系統(tǒng)運行的靜態(tài)與暫態(tài)性能，以單片機(jī)或微型計算機(jī)為核心的數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器主要分為主要有16位和32位兩個類型，控制器有多種結(jié)構(gòu)形式，如單板機(jī)結(jié)構(gòu)、單片機(jī)結(jié)構(gòu)、工控機(jī)結(jié)構(gòu)以及可編程序控制器結(jié)構(gòu)等，其中單片機(jī)結(jié)構(gòu)和工控機(jī)結(jié)構(gòu)在當(dāng)今勵磁控制裝置市場中占了絕大部分?jǐn)?shù)額。采用單片機(jī)結(jié)構(gòu)的勵磁控制器結(jié)

8、構(gòu)簡單、體積小、成本低，除控制核心外的其它硬件部分可根據(jù)自已的需要自行設(shè)計，因此這種勵磁控制器的硬件功能比較容易集成，是一種很有前途的新型調(diào)節(jié)器。1.3本課題的主要工作及研究內(nèi)容本文的主要研究內(nèi)容是單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要應(yīng)用于中小型號發(fā)電廠和企業(yè)發(fā)電機(jī)組的勵磁控制系統(tǒng)方面。在本次課題設(shè)計中，首先對發(fā)電機(jī)勵磁原理作出分析，選擇適合中小型發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的算法，適應(yīng)單片機(jī)的控制要求以及硬件配置；而后設(shè)計出基于avr微處理器的數(shù)字式勵磁裝置的硬件原理圖，再根據(jù)原理圖和該裝置的硬件平臺在相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行實驗和仿真，實現(xiàn)各項參數(shù)的正常要求。主要工作包括以atmega系列超低功

9、耗單片機(jī)為核心，輔助相應(yīng)的硬件電路和外圍設(shè)備，來實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的控制。設(shè)計出來的裝置完成對電網(wǎng)電壓，頻率，相位等參數(shù)的檢測，并進(jìn)行綜合判斷，利用移相觸發(fā)電路和整流電路來實現(xiàn)勵磁電流調(diào)節(jié)，利用單片機(jī)的抗干擾措施實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行以及同步發(fā)電機(jī)的滅磁處理。第二章 同步發(fā)電機(jī)勵磁原理分析2.1勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計原理優(yōu)良的勵磁控制系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機(jī)運行的可靠性和穩(wěn)定性，而且可以有效的提高發(fā)電機(jī)及其相連電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。勵磁控制系統(tǒng)應(yīng)承擔(dān)電力系統(tǒng)電壓控制、無功分配和提高同步發(fā)電機(jī)并列運行的穩(wěn)定性的任務(wù)。向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出勵磁電流，而獲得勵磁電流的方法一般稱之為勵磁方式，產(chǎn)生勵磁電流的裝置則稱

10、為勵磁系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)的種類很多，但主要可分為他勵系統(tǒng)自勵系統(tǒng)兩大類。自并勵方式是自勵系統(tǒng)中最簡單的一種勵磁方式，它不僅結(jié)構(gòu)簡單、效率高、維護(hù)費用省，而且有很快的勵磁電壓響應(yīng)速度。同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)一般由勵磁功率單元和勵磁調(diào)節(jié)器兩個部分組成，如圖2-1所示。勵磁功率單元向同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子提供直流電流，即勵磁電流；勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵磁功率單元的輸出。整個勵磁自動控制系統(tǒng)是由勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁功率單元和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的一個反饋控制系統(tǒng)。圖2-1 勵磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)是由勵磁機(jī)、發(fā)電機(jī)、濾波器、放大器、移相觸發(fā)單元和測量比較單元等組成的反饋控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)直接控

11、制同步發(fā)電機(jī)磁場電流，從而控制同步發(fā)電機(jī)的電勢、端電壓、無功功率和電流等參量。勵磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖中，同步發(fā)電機(jī)是控制對象，勵磁調(diào)節(jié)器是控制器。勵磁機(jī)為執(zhí)行環(huán)節(jié)，而校正裝置是為改善系統(tǒng)特性而設(shè)定的。圖2-2 自動勵磁系統(tǒng)框圖自動勵磁控制系統(tǒng)中的勵磁調(diào)節(jié)器在測量輸入信號，并與給定值作出比較、計算后，給出控制信號作用于勵磁功率單元，從而控制勵磁電流，達(dá)到勵磁系統(tǒng)應(yīng)完成的功能。通用的勵磁調(diào)節(jié)器均按一定控制規(guī)律來自動調(diào)節(jié)勵磁，故常稱自動調(diào)節(jié)勵磁裝置，漢語拼音簡寫為ztl。由于電力系統(tǒng)運行的需要及自動裝置元件與計算技術(shù)的進(jìn)展，勵磁調(diào)節(jié)器也隨之發(fā)展。從裝置的物理結(jié)構(gòu)上可分成機(jī)電型、電磁型、半

12、導(dǎo)體型與數(shù)字型。從裝置的調(diào)節(jié)原理劃分，有比例式、比例積分微分式、最優(yōu)調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)式調(diào)節(jié)器等。圖2-3即為自動勵磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)的 ztl由調(diào)差、測量比較、綜合放大，同步與移相觸發(fā)及可控整流環(huán)節(jié)組成。2.2勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的工作原理和數(shù)學(xué)模型2.2.1 同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)相當(dāng)復(fù)雜，本文只研究發(fā)電機(jī)空載起勵的過程， 因此，可對發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)描述進(jìn)行簡化。在轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時，同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)可以用一階滯后環(huán)節(jié)來表示。電壓最大值在額定電壓的附近， 因此，可以在該過程中忽略飽和現(xiàn)象，故同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)為：式中：表示其時間常數(shù)，主要為勵磁繞組ew的時間常數(shù)，其數(shù)值較小

13、，取5s，為發(fā)電機(jī)的電壓放大系數(shù)，當(dāng)忽略發(fā)電機(jī)的飽和影響時 ，可用發(fā)電機(jī)的定子電壓和發(fā)電機(jī)空載額定轉(zhuǎn)子電壓之比表示。圖2-3 自動勵磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖2.2.2電壓測量比較單元的傳遞函數(shù)電壓測量比較單元由調(diào)節(jié)器的測量變壓器、整流濾波電路、比較器和調(diào)差環(huán)節(jié)、電壓互感器組成，作用是把發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓變成與之成正比的直流電壓，在正常情況下，tv和測量變壓器均不會飽和，可近似用一個一階滯后環(huán)節(jié)來描述：總的效應(yīng)可以用一階慣性環(huán)節(jié)近似表示其動態(tài)特性。 （2-1）式中 其時間常數(shù)約為幾十毫秒，為電壓比例系數(shù)，為對應(yīng)時測量單元的輸出電壓。該環(huán)節(jié)的作用是將發(fā)電機(jī)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成比例的直流電壓，再將該直流電壓與給定基

14、準(zhǔn)電壓作比較，得出電壓偏差值號，在實際的裝置中，測量比較環(huán)節(jié)測量的是調(diào)差環(huán)節(jié)的輸出，對測量比較環(huán)節(jié)的要求是，對被測量電壓應(yīng)有高靈敏度時滯小，能及時反應(yīng)發(fā)電機(jī)電壓的變化；給定的基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定精確，并有足夠調(diào)節(jié)范圍，輸入電壓與輸出電壓之間為線性關(guān)系，輸出電壓的紋波小，整個環(huán)節(jié)不受系統(tǒng)頻率變化影響。該測量比較環(huán)節(jié)由正序電壓濾過器、多相整流、濾波及檢測橋等電路組成，如圖2-4所給框圖所示。圖2-4 測量比較環(huán)節(jié)框圖（1）正序電壓濾過器： 濾過器的輸入是調(diào)差環(huán)節(jié)的輸出，是已修正過的發(fā)電機(jī)電壓。采用正序濾過器的原因是在系統(tǒng)存在三相電壓不平衡時；濾過器只輸出一個反應(yīng)電壓水平的正序電壓，能提高檢測的靈敏度，并使

15、接于其后的測量變壓器始終處于對稱三相電壓下工作。正序電壓濾過器接線如圖2-5（a）所示，為便于說明，將接線圖改畫成圖2-5（b）所示電路。圖中，各臂對稱位置的電阻、電容相等，且參數(shù)間關(guān)系為： （2-2）即，于是 、三條支路上的電流超前相應(yīng)線電壓 且上壓降為的兩倍，據(jù)此，可畫出當(dāng)負(fù)序電壓與正序電壓分別作用于濾過器時的矢量圖。 圖2-5（a）為輸入負(fù)序電壓的矢量。由圖可見，濾過器輸出為零。圖2-5（b）為輸入正序電壓，濾過器有三相對稱電壓，及輸出。因此，當(dāng)輸入為不對稱電壓時，負(fù)序分量被濾去，只有正序電壓輸出。圖2-5 正序電壓濾過器原理接線圖(a)原理接線 （b）原理接線的另一種表示(2)多相整流

16、：由測量變壓器與多相整流電路組成多相整流單元。其作用是將發(fā)電機(jī)電壓變換成能與基準(zhǔn)電壓作比較的平滑的直流電壓。因為整流相數(shù)越多，整流電壓中所含紋波的最低頻率越高，且其幅值越小，因而直流電壓越平滑，所以一般均采用多相整流電路；由于整流電壓平穩(wěn)，其后的濾波單元可以采用較小的濾波電容而獲得滿意的直流電壓。濾波電容的減小則可提高整個測量回路的響應(yīng)速度。(3)濾波電路：濾波電路如圖2-6所示，1、2為輸入端，接至整流電路，3、4為輸出端，接至檢測電路。濾波電路由兩節(jié)組成，第一節(jié)是由，和，和組成的橋式濾波電路，a,b是輸出端。該電路利用電橋原理使電橋具有選頻濾波特性，即頻率為選頻的波形時，濾波電橋無輸出。對

17、于六相全波整流，選頻為600hz橋式濾波電路選頻特性好，對直流電壓衰減小。第二節(jié)是由，和，組成的兩級rc濾波器，其作用是濾去殘余的高次諧波分量。圖2-6 濾波電路(4)檢測電路：檢測電路是測量比較環(huán)節(jié)的核心部分。其作用是將整流濾波輸出的電壓與比較電路中的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，得到一個反映發(fā)電機(jī)電壓偏差的直流電壓信號輸出到綜合放大環(huán)節(jié)。通過調(diào)節(jié)檢測電路中的整定電位器，能改變電壓的給定值。因此，檢測電路起到比較與整定電壓的作用，故又稱比較整定電路。圖27為檢測電路，電位器w用于調(diào)整電壓定值；兩個穩(wěn)壓值相同的穩(wěn)壓管wy1，wy2與兩個阻值相等的電阻組成對稱比較電路，又稱檢測橋，m，n為電路的輸出端, 輸

18、出電壓偏差信號，圖中右邊部分為檢測橋的特性。2.2.3 綜合放大環(huán)節(jié)(1)任務(wù)及對環(huán)節(jié)的要求：該環(huán)節(jié)的任務(wù)是，將偏差電壓與其他輔助信號電壓進(jìn)行線形綜合放大，以提高整個裝置的靈敏度，并給出適合移相觸發(fā)環(huán)節(jié)需要的控制電壓，其他輔助信號包括反饋，限制以及可以反映發(fā)電機(jī)運行的各種參數(shù)變量。圖2-7 檢測電路接線及特性（a）檢測橋電路 （b）檢測橋的特性。 (2)工作原理：綜合放大環(huán)節(jié)一般均采用直流運算放大器來構(gòu)成。運算放大器原理接線如圖28所示。圖2-8 運算放大器原理接線圖運算放大器的開環(huán)（無反饋電阻時）放大系數(shù)很大（k），加入后，輸入端相加點的電位總是接近零電位，即，輸入到放大器的電流 于是有：

19、式中 可推得輸出電壓為： （23） 式（23）說明，運算放大器能對多個輸入信號進(jìn)行按不同比例相加，其比例僅與反饋電阻與各輸入電阻有關(guān)，與運算放大器本身參數(shù)無關(guān)。各比例系數(shù)可以分別進(jìn)行整定。由運算放大器構(gòu)成的綜合放大環(huán)節(jié)電路如圖29所示。電路中加上了限幅與功率放大。圖2-9 綜合放大電路在輸人端，組成雙向限幅電路，保護(hù)集成放大電路。，與，組成輸出端的雙向限幅電路，使輸出電壓的幅值限制在移相觸發(fā)電路允許范圍。為增加運算放大器帶負(fù)荷的能力，在限福電路之后，增加一級互補射極跟隨器，作功率放大。放大器上接入電位器是用來調(diào)零，當(dāng)輸入為零時，調(diào)節(jié)，使為零。與構(gòu)成消除高頻自激振蕩電路。圖2-10示出與主信號的

20、關(guān)系特性（此時設(shè)其他信號均為0）改變與的比值，可以改變特性斜率；當(dāng)|大于一定值后，輸出不再變，呈飽和狀態(tài)，這是移相電路的要求而設(shè)定的。圖210 綜合放大電路工作特性功率放大單元的輸入為uk，包括觸發(fā)電路在內(nèi)，功率放大單元也認(rèn)為是一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下： （2-4）式中kp為功率放大系數(shù)，tp為功率放大單元的時間常數(shù), iztl為勵磁調(diào)節(jié)器單元部分的電流。一般情況下，tp很小，所以把綜合放大單元和功率放大單元看作是一個一階慣性環(huán)節(jié)。2.2.4移相觸發(fā)環(huán)節(jié)(1)任務(wù)及對環(huán)節(jié)的要求：將控制信號轉(zhuǎn)換成觸發(fā)脈沖，以觸發(fā)對應(yīng)相的晶閘管，達(dá)到調(diào)節(jié)勵磁的目的。受控制的是三相整流橋，故應(yīng)有3套觸發(fā)電路。若

21、整流橋是三相全控，則晶閘管導(dǎo)通順序為a、c、b、a、c、b，則三相觸發(fā)電路按相每隔向?qū)?yīng)相發(fā)一個觸發(fā)脈沖；若是三相半控橋，則每隔發(fā)一個觸發(fā)脈沖。為保證觸發(fā)電路對整流主電路在給定的角時發(fā)出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)電路與同相主電路應(yīng)在相位上嚴(yán)格保持同步。觸發(fā)電路的移相范圍應(yīng)足夠?qū)?，移相平穩(wěn)，線性度好；觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，使晶閘管可靠導(dǎo)通；脈沖應(yīng)有一定寬度，尤其是對于勵磁系統(tǒng)這樣的大電感電路，只有當(dāng)脈沖有足夠?qū)挾?，剛?dǎo)通的晶閘管中電流逐漸上升時，觸發(fā)脈沖仍未消失，保證晶閘管不會重新熄滅；觸發(fā)脈沖的前沿要陡；整個觸發(fā)電路應(yīng)有較強(qiáng)的抗干擾能力。(2)移相觸發(fā)電路工作原理：移相觸發(fā)電路包括同步電路、觸發(fā)電路及其

22、脈沖輸出電路，圖 211為其工作示意圖。同步變壓器為y11接線，使同名相的同步電壓超前主電路電壓，圖中未單獨畫出同步電路。移相觸發(fā)電路中的觸發(fā)器可以由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或單結(jié)晶體管觸發(fā)器等電路來實現(xiàn)。現(xiàn)以單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成的移相觸發(fā)電路進(jìn)行討論。 圖 2-11 三相移相觸發(fā)電路工作示意圖2.2.5勵磁機(jī)的傳遞函數(shù)勵磁機(jī)可以是直流的也可以是交流的，直流又分為自勵式和他勵式。這里只介紹自勵式直流勵磁機(jī)的傳遞函數(shù)。勵磁機(jī)的輸入為勵磁調(diào)節(jié)器的輸出電流，輸出為勵磁機(jī)的端電壓uf ，該單元也是一個一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為： (2-5)式中kf為勵磁機(jī)放大系數(shù)，tf為勵磁機(jī)的時間常數(shù)。為一個非線性函數(shù)，在這里將不做

23、介紹。2.2.6勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 將已知單元的傳遞函數(shù)按圖2-2組成整個勵磁控制系統(tǒng)框圖，如圖2-12所示。圖中將綜合放大和功率放大合并為一個單元，并認(rèn)為未加校正裝置。圖2-12 勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖作為簡單分析，略去勵磁機(jī)的飽和特性和放大器的限幅，則直接可以寫出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下： (2-6)2.3 勵磁控制系統(tǒng)的基本任務(wù)2.3.1 系統(tǒng)電壓的控制電力系統(tǒng)正常運行時，負(fù)荷是經(jīng)常變動的，同步發(fā)電機(jī)的功率也隨之相應(yīng)變化，而勵磁系統(tǒng)最基本的任務(wù)是要求及時調(diào)節(jié)勵磁電流，以維持發(fā)電機(jī)端或系統(tǒng)某一點電壓在給定水平。要保持勵磁電流不變，發(fā)電機(jī)端電壓隨著無功電流的增大而減小，因此維持發(fā)電機(jī)端一定

24、的電壓是不可能的。要維持發(fā)電機(jī)端電壓，必須增大勵磁電流，使發(fā)電機(jī)的外特性向上移。所以，要保證供電質(zhì)量，同步發(fā)電機(jī)必須隨著無功負(fù)荷的變化不斷調(diào)節(jié)勵磁電流。在變化時，測量件測得的發(fā)電機(jī)端電壓與設(shè)定的額定基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，結(jié)果是電壓偏差。通過勵磁調(diào)節(jié)器的作用，依電壓偏差來調(diào)節(jié)三相半控橋晶閘管的導(dǎo)通角，調(diào)整勵磁電流，以保持發(fā)電機(jī)端電壓在額定給定水平，導(dǎo)通角與電壓偏差值有以下關(guān)系：u=-，當(dāng)u大于零時，系統(tǒng)減小導(dǎo)通角，勵磁電流升高，也隨升高，直到，電壓偏差等于零。當(dāng)u小于零時，系統(tǒng)將增大導(dǎo)通角，勵磁電流減小，隨之降低，直到，偏差等于零為止。u對的控制調(diào)節(jié)規(guī)律：同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)主要作用是通過給定控制

25、電壓控制三相半橋整流電路的導(dǎo)通角，從而調(diào)控勵磁電流，達(dá)到控制端電壓的目的。而同步發(fā)電機(jī)控制端電壓的波動主要體現(xiàn)為電網(wǎng)的無功功率q的不斷變化。因此，勵磁控制系統(tǒng)總的控制調(diào)節(jié)規(guī)律是依據(jù)電壓偏差u，不斷的改變勵磁控制系統(tǒng)給定控制電壓，使之跟隨電網(wǎng)的無功功率q的變化。2.3.2系統(tǒng)無功功率的分配幾臺發(fā)電機(jī)在同一母線上并聯(lián)運行時，改變?nèi)魏我慌_機(jī)組的勵磁電流不僅影響該機(jī)組的無功電流，而且還影響同一母線上并聯(lián)運行其它機(jī)組的無功電流，與此同時也引起母線電壓的變化。這些變化與機(jī)組的無功調(diào)節(jié)特性有關(guān)，為了合理而穩(wěn)定地分配組間的無功負(fù)荷，機(jī)組的無功調(diào)節(jié)特性應(yīng)有適當(dāng)?shù)恼{(diào)差系數(shù)。調(diào)差系數(shù)可由下式表示 %=100% （2

26、7）為發(fā)電機(jī)額定電壓，、分別是發(fā)電機(jī)空載電壓、額定無功電流時的電壓。當(dāng)正調(diào)差系數(shù)為0，其調(diào)節(jié)特性下傾，發(fā)電機(jī)電壓隨著無功電流增大而降低。在帶有正調(diào)差單元的自動調(diào)節(jié)勵磁裝置中，當(dāng)無功電流增大，勵磁調(diào)節(jié)器將感受到發(fā)電機(jī)電壓虛假地提高，于是調(diào)節(jié)裝置將減小發(fā)電機(jī)的勵磁電流，致使發(fā)電機(jī)電壓降低，所以得到下傾的外特性。當(dāng)0時為負(fù)調(diào)差，調(diào)節(jié)特性上翹，發(fā)電機(jī)端電壓隨著無功電流增大而上升。在帶有負(fù)調(diào)差單元的自動調(diào)節(jié)勵磁裝置中，當(dāng)無功電流增大時，勵磁調(diào)節(jié)器將感受到發(fā)電機(jī)電壓虛假地降低，有相反的調(diào)節(jié)過程，致使發(fā)電機(jī)電壓升高，于是得到上翹的外特性。=0為無差特性，這時發(fā)電機(jī)電壓為恒定值。2.3.3 同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運行

27、的穩(wěn)定性電力系統(tǒng)在運行時隨時會受到各種干擾，這就需要同步發(fā)電機(jī)具有維持或恢復(fù)同步運行的能力，即保持同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運行時的穩(wěn)定性。第三章 發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計單片機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的主要任務(wù)是：將輸入的電氣信號，經(jīng)各自的信號處理及變換電路對信號濾波、隔離放大適配到a/d轉(zhuǎn)換的量程內(nèi)。再通過軟件計算得到發(fā)電機(jī)的運行工況、勵磁系統(tǒng)參數(shù)、調(diào)節(jié)器輸出參數(shù)等全部信息。最后，將調(diào)節(jié)參數(shù)輸出并控制移相觸發(fā)電路,使得勵磁電源主回路的晶閘管導(dǎo)通角改變,從而控制發(fā)電機(jī)的勵磁。本裝置硬件系統(tǒng)總體可分為6個部分：數(shù)據(jù)采集單元，微機(jī)處理單元，開關(guān)量輸入/輸出接口單元，人機(jī)接口單元，通信系統(tǒng)、電源

28、系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集單元的功能是采集由被保護(hù)設(shè)備的電流電壓互感器輸入的模擬信號，經(jīng)過預(yù)處理后轉(zhuǎn)化為所需數(shù)字量；微機(jī)處理單元以atmega16微處理器為核心，atmega16是基于增強(qiáng)的avr risc結(jié)構(gòu)的低功耗8位cmos微控制器。atmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1mips/mhz，同時具有16k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程flash(具有同時讀寫的能力)；512字節(jié)eeprom；1k字節(jié)sram；32個通用i/o口線；開關(guān)量輸入/輸出回路由并行口、光電耦合電路及光電隔離開關(guān)等組成；人機(jī)接口部分主要包括顯示、鍵盤、各種面板開關(guān)等，通信系統(tǒng)可以完成機(jī)間通信及遠(yuǎn)動的要求；電源系統(tǒng)提供了整個裝置所需的直流穩(wěn)壓電源

29、，保證整個系統(tǒng)的可靠供電。總體設(shè)計如圖3-1所示： 圖3-1 勵磁調(diào)節(jié)裝置總體硬件框圖3.2 單片機(jī)勵磁控制系統(tǒng)主回路勵磁電源主回路：該系統(tǒng)的勵磁電源部分即為控制主回路，是一個由可控硅和二極管組成的三相半控，經(jīng)這一回路整流后的電壓就是勵磁機(jī)的勵磁繞組可變的電源電壓。如圖3-2所示。整流二極管是共陽極接法，晶閘管是共陰極接法，d為續(xù)流二極管。在電路中僅在橋的一側(cè)用可控的晶閘管，故稱為半控橋整流。三相半橋中，三個晶閘管的導(dǎo)通順序與三相電源的順序相同,從左到右依次導(dǎo)通。因為是三相電源，所以觸發(fā)脈沖間相位也依次相差120，勵磁控制回路可以根據(jù)機(jī)端電壓偏差和其他反饋信號自動調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角，從而達(dá)到自

30、動改變勵磁電流的目的。圖3-2 勵磁電源主回路3.3系統(tǒng)參數(shù)測量電路參數(shù)測量系統(tǒng)的參數(shù)測量都是由單片機(jī)系統(tǒng)來完成,檢測同步發(fā)電機(jī)端電壓和勵磁電流，將它們經(jīng)過整流變送后輸入單片機(jī)的a/d口；同時將測得的端電壓和勵磁電流通過比較器、光電隔離器等環(huán)節(jié)得到頻率和相位角的脈沖方波信號，并且取得系統(tǒng)的同步信號。系統(tǒng)測量環(huán)節(jié)的總體框圖如圖3-3所示。發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓ud經(jīng)電壓互感器后，經(jīng)三相整流濾波電路后經(jīng)過atmega16的一路a/d送入單片機(jī)，與對應(yīng)的給定值進(jìn)行比較。經(jīng)過程序運算，把電壓偏差輸出到d/a（pwm），經(jīng)過觸發(fā)電路，控制晶閘管導(dǎo)通角。勵磁電流if 經(jīng)電流互感器將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)放大

31、電路得到0-5v電壓信號輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。圖3-3 系統(tǒng)參數(shù)測量電路結(jié)構(gòu)框圖3.3.1電壓和電流參數(shù)采集同步發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)過電壓互感器取樣后，由測量變壓器降壓得到5v按正弦波變化的電壓，再送入精密整流電路整流便可以得到整形后的電壓。整流后的電壓信號經(jīng)電容濾波后便可以通過atmega16的一路a/d送入單片機(jī)，經(jīng)過程序運算，便可以得到我們所要顯示的電壓值。另外，還可以由程序?qū)⑵渑c對應(yīng)的給定值進(jìn)行比較，得到我們想要的電壓偏差，把電壓偏差送至d/a，通過觸發(fā)電路可以控制晶閘管導(dǎo)通角，從而控制勵磁電流。由于普通橋式整流電路存在兩個二極管pn結(jié)的門檻電壓(二極管有0.7v左右的電壓降),輸出電壓的有

32、效值并不是vm。這是一個非線性整流電路，存在兩個二極管pn結(jié)的門檻電壓，整流后的電壓有損失，不利于發(fā)電機(jī)的起勵控制。故我們采用精密整流濾波電路，以克服普通橋式整流電路的不足,克服二極管死區(qū)電壓現(xiàn)象，從而提高了測量精度。全波精密整流電路如圖3-4所示。圖3-4 全波精密整流電路圖3-4中為半波精密整流電路，為反相加法器電路。，對，當(dāng)0的時候，放大器輸出為負(fù)，導(dǎo)通，截止，則，當(dāng)0時有 0時有 (3-2)所以 (3-3)由此可以看到經(jīng)過精密整流電路后，經(jīng)過調(diào)整的交流電壓、電流變成a/d轉(zhuǎn)換可以接受的單向脈動電，且幅值為正，從波形上無法分辨哪個半波為原波形的正半周，因此，需附加判斷翻轉(zhuǎn)之后的正負(fù)半周，

33、可通過增加一個比較器來判定，該比較器輸出的上升沿對應(yīng)著原波形的正半周。同時，該比較器的輸出的上升沿也為ad轉(zhuǎn)換開始提供依據(jù)。圖3-5 精密整流后的波形圖電流采樣與電壓采樣類似。只需在電流互感器的二次側(cè)加一個電阻就可以變?yōu)殡妷骸?.3.2發(fā)電機(jī)頻率的檢測通過avr單片機(jī)軟件設(shè)計可以準(zhǔn)確求得頻率。其軟件實現(xiàn)原理為：將前面測量電壓時采集到的正弦信號通過過零比較電路，將其轉(zhuǎn)換為只有正值和負(fù)值的方波，將方波通過反相光電隔離芯片，可以屏蔽外部干擾，還可以濾除方波中的低電平，得到系統(tǒng)的頻率信號接入到avr單片機(jī)的一個外部中斷引腳int0，icp1端口。信號轉(zhuǎn)換電路如圖3-6所示。 圖3-6 頻率測量信號轉(zhuǎn)換

34、電路avr單片機(jī)設(shè)定為上升沿觸發(fā)，當(dāng)?shù)谝粋€上升沿到來時，定時器開始計時，一直到第二個上升沿到來，此時讀取定時器數(shù)值，再用這兩次的數(shù)值差乘以定時器單次計數(shù)間隔時間，即可得到交流電壓或電流的周期：，其倒數(shù)即為頻率f，如圖3-7所示。圖3-7 頻率的計算3.3.3功率因數(shù)角與功率因數(shù)的計算要計算功率因數(shù)，首先要獲取功率因數(shù)角。在本文中，利用avr單片機(jī)的硬件特性，通過一次采集獲得頻率及相位角（功率因數(shù)角），并可判斷電壓和電流在時間上的超前滯后關(guān)系，僅占用單片機(jī)的一個外部中斷，一個輸入捕獲引腳icp和一個定時器/計數(shù)器，實現(xiàn)起來較為方便。icp引腳的功能為捕捉邊沿信號，當(dāng)該引腳有信號邊沿觸發(fā)時，可以將

35、此時的定時器值放入寄存器。將整形后的電壓信號輸入avr的外部中斷引腳int0，上升沿觸發(fā)中斷。單片機(jī)接收到上升沿觸發(fā)中斷后，將定時器/計數(shù)器1清零并開始計數(shù)，直到下一個上升沿中斷的到來，該時間間隔即為一個周期t，其倒數(shù)即為頻率f。將整形后的電流信號輸入avr單片機(jī)的icp引腳，當(dāng)外部中斷引腳int0觸發(fā)的同時也將icp引腳設(shè)置為上升沿觸發(fā)，當(dāng)電流信號的上升沿到來時，定時器1的數(shù)值t保存到單片機(jī)內(nèi)部的寄存器, 這樣就測得了電壓和電流的過零時間差，即可求得功率因數(shù)角，并推斷出電壓和電流之間的時間關(guān)系如下： (3-4) （3-5）當(dāng)小于即時，可判斷電流滯后于電壓；當(dāng)大于即時，則判斷電流超前于電壓，如

36、圖3-8所示。 圖3-8 功率因數(shù)角采集及判斷計算出功率因數(shù)角后，就可以得到功率因數(shù) 。設(shè)計方法可以在一個周期內(nèi)便計算出功率因數(shù)角，并可判斷出電流和電壓之間的相互關(guān)系，具有較好的實時性和準(zhǔn)確性，同時避免了對單片機(jī)引入過多中斷，使程序的跳轉(zhuǎn)更加清晰。3.3.4移相觸發(fā)電路同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)主要作用是通過給定控制電壓控制三相半橋整流電路的導(dǎo)通角，從而調(diào)控勵磁電流，達(dá)到控制端電壓的目的。由晶閘管構(gòu)成的三相全橋半控整流是勵磁系統(tǒng)的功率單元，為使半控橋正常工作，需要使晶閘管元件按照一定的次序?qū)?，這就需要按照一定的次序?qū)чl管的門極施加觸發(fā)脈沖。勵磁系統(tǒng)移相觸發(fā)電路原理圖見圖3-9。圖3-9 移相觸

37、發(fā)電路原理移相觸發(fā)單元產(chǎn)生可調(diào)相位的脈沖，由來觸發(fā)晶閘管，使其觸發(fā)角能夠隨著主控制器單元輸出的控制數(shù)據(jù)而改變，以控制晶閘管整流電路的輸出，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電流。觸發(fā)電路的調(diào)制波是由如圖3-9左邊部分所示，由ne555芯片構(gòu)成的多諧振蕩器，其可控制端5腳電壓的高低，改變其振蕩頻率和占空比，使5腳輸出方波。此方波與ua進(jìn)入的信號相與，得到電壓、電流三相參數(shù)的相位值，并送入推挽電路，進(jìn)行放大，最后通過兩個二級管整流得到正向觸發(fā)脈沖。觸發(fā)電路的同步信號取自晶閘管整流裝置的主回路，保證觸發(fā)脈沖在晶閘管陽極電壓為正半周時發(fā)出，使觸發(fā)脈沖與主回路同步。同步信號和觸發(fā)信號圖如圖3-10示。圖3-10 同步信

38、號和觸發(fā)信號3.4 外圍電路設(shè)計3.4.1開關(guān)量輸入電路微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)裝置的開關(guān)量輸入指的是觸點狀態(tài)（接通或斷開）的輸入，可以分為兩類：(1)安裝在裝置面板上的觸點，例如鍵盤上的按鍵、復(fù)位按鈕等。這類開關(guān)量輸入與cpu主系統(tǒng)使用共同電源，無需電氣隔離，可直接接cpu端口，如圖3-11所示。 圖3-11 裝置內(nèi)部觸點開關(guān)回路(2)從裝置外部經(jīng)過端子排引入裝置的觸點，例如在運行中可切換的各種壓板、轉(zhuǎn)換開關(guān)、斷路器等。這類開關(guān)量輸入與cpu主系統(tǒng)使用不同電源，需要電氣隔離。在本微機(jī)裝置中一般采用光電隔離措施，通用的原理電路如圖3-12所示。圖3-12裝置外部觸點開關(guān)回路3.4.2 開關(guān)量輸出電路開關(guān)量

39、輸出除了cpu主系統(tǒng)的端口輸出、信號線、晶閘管驅(qū)動等低壓輸出外，還包括保護(hù)的跳閘出口、合閘出口、中央信號繼電器驅(qū)動等與強(qiáng)電有關(guān)的電路。為提高抗干擾能力，本設(shè)計采用了光電隔離電路，圖中cpu主系統(tǒng)發(fā)出動作信號后，同一回路的led指示燈立即點亮，表示光電隔離芯片的出口端已經(jīng)導(dǎo)通，此時繼電器便發(fā)生動作，使裝置的com端子和outj1端子導(dǎo)通，完成勵磁系統(tǒng)的相應(yīng)輸出動作進(jìn)行調(diào)控。如圖3-13所示。圖3-13裝置開關(guān)量輸出回路3.4.3 鍵盤顯示電路在鍵盤程序的設(shè)計中，掃描鍵盤要有合適的去抖動時間。去抖動時間短，會造成連續(xù)按鍵；去抖動時間長，會使按鍵遲鈍。在實際設(shè)計中，去抖動時間選為45 ms。鍵盤掃描

40、電路如圖3-14所示。圖 3-14 鍵盤掃描電路本裝置的顯示模塊使用數(shù)碼管進(jìn)行顯示，采用動態(tài)掃描方式。在短時間內(nèi)逐個掃描數(shù)碼管，使目測起來數(shù)碼管總是為點亮狀態(tài)。該方式的功耗較之靜態(tài)掃描要小。由于一個數(shù)碼管組需要8個段碼以及4個位碼總共12個引腳進(jìn)行控制。如果直接與單片機(jī)連接，要占用12個管腳，造成引腳資源的浪費，并且單片機(jī)的驅(qū)動能力也有限。所以本裝置使用2個8位移位寄存器74hc595組成的串連轉(zhuǎn)換為并聯(lián)的電路來驅(qū)動2個4位8段數(shù)碼管組，其電路圖如圖3-15所示。 圖 3-15液晶顯示電路原理圖3.4.4 電源電路 該勵磁系統(tǒng)中單片機(jī)及其它芯片需+5v直流穩(wěn)定電壓供電。電源設(shè)計原理圖如3-16

41、所示：可先用變壓器對220v的交流電降壓，然后通過對變壓器次級輸出9v的交流電壓由整流橋作全波整流，經(jīng)電容濾波以及穩(wěn)壓7805芯片得到所需的電壓。圖 3-16電源設(shè)計原理圖3.4.5 通訊接口電路設(shè)計為了實現(xiàn)與上位機(jī)的通信，本系統(tǒng)采用了電平轉(zhuǎn)換芯片max232。其接線圖如下圖所示。max232芯片是用來進(jìn)行rs232通信，通信距離通常不大于15米，它抗干擾能力強(qiáng)，適用于近距離通訊。由于計算機(jī)上也裝有rs232通信接口，勵磁調(diào)節(jié)裝置即能與上位機(jī)進(jìn)行直接接口通信。圖 3-17 通訊電路原理圖第四章 系統(tǒng)控制算法的研究微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)裝置的軟件以硬件為基礎(chǔ)，通過算法處理及程序設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)功能。控制算法是

42、勵磁控制系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，控制算法的選擇關(guān)系到整個控制系統(tǒng)的控制效果。由于本勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用了單片機(jī)為核心的微機(jī)控制器，因此在控制算法的選擇上有很大的靈活性，只需要通過對軟件的修改就可以使控制的效果得到改善。在目前控制系統(tǒng)設(shè)計中，大多采用微機(jī)控制技術(shù)，此時使用的是數(shù)字pid控制器，它是將模擬pid控制算法離散化，通過程序?qū)崿F(xiàn)，不需要像模擬控制系統(tǒng)那樣用硬件電路來實現(xiàn)，因此使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便，由于pid控制算法具有直觀的物理解釋，并且能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的要求，特別在工業(yè)過程中，由于對象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費很大代價進(jìn)行模型辨識，往往

43、不能得到預(yù)期的效果，所以pid調(diào)節(jié)器常被人們采用，并根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行在線整定； 因此至今pid控制仍然是常規(guī)控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用最普遍的控制算法。因此，在本單片機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器中采用了數(shù)字pid控制算法。本節(jié)將著重介紹數(shù)字pid算法以及其在本勵磁調(diào)節(jié)器中的具體實現(xiàn)，pid參數(shù)可由運行調(diào)試人員通過鍵盤輸入并保存。4.1 pid調(diào)節(jié)器設(shè)計pid調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它是將設(shè)定值w與實際輸出值y進(jìn)行比較，構(gòu)成控制偏差e =w-y (4-1)圖4-1 pid調(diào)節(jié)器框圖 并將其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量（如圖4-1所示），所以簡稱為p（比例）、i（積分）、d(微分)調(diào)節(jié)器。在實際應(yīng)用中，根據(jù)對象的特性

44、和控制要求，也可以靈活地改變其結(jié)構(gòu)，取其中一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律。例如，比例(p)調(diào)節(jié)器、比例積分(pi)調(diào)節(jié)器、比例微分(pd)調(diào)節(jié)器等。比例積分微分調(diào)節(jié)pid調(diào)節(jié)器的如下規(guī)律： (4-2)式中：td微分時間。比例控制能迅速的反映偏差，其控制作用的大小與偏差成比例。只要偏差不為零，它將通過積分作用影響控制量u，并減小偏差，直至偏差為零，控制作用不再變化，系統(tǒng)才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。但是如果積分時間ti太小，則積分控制作用太強(qiáng)，會使控制器系統(tǒng)輸出的超調(diào)量加大，甚至產(chǎn)生震蕩。微分控制能迅速的反映偏差的變化率，因而能使控制器具有“超前”控制功能；同時根據(jù)自動控制理論可知，適當(dāng)?shù)膽?yīng)用微分控制可以減少控制系統(tǒng)輸

45、出的超調(diào)量，并且有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，正是因為如此，通過綜合的應(yīng)用以上控制，可以使控制器具有相當(dāng)高的“智能”。4.2數(shù)字pid算法的實現(xiàn)由于計算機(jī)控制系統(tǒng)只能處理數(shù)字信號，因此與模擬控制系統(tǒng)相比，微機(jī)控制系統(tǒng)的主要特點是離散化和數(shù)字化；一般控制系統(tǒng)的控制量和反饋量都是連續(xù)的模擬信號，為了把它們輸入計算機(jī)，必須首先在具有一定周期的采樣時刻對它們進(jìn)行實時采樣，形成一連串的脈沖信號；采樣后得到的離散模擬信號本質(zhì)上還是模擬信號，不能直接輸入計算機(jī)，還必須經(jīng)過數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這就是數(shù)字化。4.2.1位置型pid控制算法理想pid控制器輸

46、出信號與輸入信號的關(guān)系如下： （4-3）將上式兩邊同時求拉氏變換后，寫出控制器傳遞函數(shù)形式為： （4-4） 式中 稱為比例系數(shù)，的倒數(shù)在過程控制中稱為比例帶。為了能在計算機(jī)中進(jìn)行，必須將（4-5）用一個差分方程來近似。根據(jù)數(shù)值積分原理： （4-5） 誤差函數(shù)的微分則可以進(jìn)行如下近似： （4-6）綜合（4-3），（4-4），（4-6）可以得到如下的差分方程： u(n)= （4-7）在以上三個式子中，t為采樣時間間隔，分別為，的簡寫，=0，1，2，n。只要采樣間隔時間t與，相比足夠小，式（4-7）就與（4-3）足夠近似。因此，利用式（4-7）計算出來的u(n)序列就能與按（4-3）產(chǎn)生的u(t)功

47、能相近。將一個微分方程用差分方程近似離散化。但是分析（4-7）可以發(fā)現(xiàn)有不少缺陷，首先是計算工作量大，每計算一次u(n)要完成n+3次加法和至少3次乘法，而且計算量隨著時間的推移逐漸增加；其次要保存e(t)所有采樣時刻的值，這就要占用比較大的內(nèi)存空間。42 .2 增量型pid控制算法 由于位置型控制算法存在諸多的問題，人們對其進(jìn)行了改進(jìn)，提出了以下增量型控制算法。通過分析（4-7）可以知道，如果先不計算u(n)，而是計算其增量，則可以免除每次加法計算。由（4-7）可得： （4-8）因為，n時刻控制量的增量為： （4-9）將式（4-7）和式（4-8）分別代入上式得： （4-10）其中： 稱為積分

48、系數(shù) 稱為微分系數(shù)根據(jù)具體控制系統(tǒng)問題的需要，可以用u（n）也可以用來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果是用u(n)來進(jìn)行控制，可以先利用式（4-10）計算出，再根據(jù)下式計算u（n）： （4-11） 為了編制程序方便，可以將式（4-10）改寫成下式： （4-12）其中： 由上式可知，增量式算法只需要保持現(xiàn)時以前3個時刻的偏差值即可。 增量式pid算法與位置式相比有以下優(yōu)點：（1）位置式算法每次輸出與整個過去狀態(tài)的關(guān)，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計誤差；而增量式只需計算增量，當(dāng)存在計算誤差或精度不足時，對控制量計算的影響較小。（2）控制從手動切換到自動時，必須首先將計算機(jī)的輸出值設(shè)置為原始電

49、壓值u0，才能保證無沖擊切換。如果采用增量算法，則由于式中不出現(xiàn)u0項，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。此外，在計算機(jī)發(fā)生故障時，由于執(zhí)行裝置本身有寄存作用，故可仍然保持在原位。因此，在實際控制中，增量式算法應(yīng)用更為廣泛。4.3數(shù)字濾波方法當(dāng)微機(jī)控制系統(tǒng)面對現(xiàn)場比較惡劣時，因此，所采集信號中總會混雜有各類干擾。除了用硬件進(jìn)行濾波外，對輸入計算機(jī)的信號進(jìn)行數(shù)字濾波也是十分必要的。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算程序，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提高有用信號在采集值中的比例，減少各種干擾和噪聲。4.3.1算術(shù)平均值濾波設(shè)測量值為c(n),則每采集了n個數(shù)據(jù)后，進(jìn)行一次算術(shù)平均，其計算方法如下： （4-

50、13）根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計的理論，上式的算術(shù)平均值實際上是這樣一個值，它與各采樣值間的誤差的平方和最小。得到后即可計算出偏差值： （4-14）從上面可以看出，每計算一次控制器輸出值，就必須采樣n次，因此n的取值不能太大。算術(shù)平均值法主要對壓力，流量等含有周期性脈動的信號有效，而對突發(fā)的脈沖干擾效果則不太理想。4.3.2程序判斷濾波如果事先知道采樣的信號，其在兩個采樣點之間不可能有太大的變化，則可以根據(jù)現(xiàn)場的經(jīng)驗，確定一個最大偏差值。則每次采樣后都與其前一個采樣值進(jìn)行比較，一但兩個差值超過了，則表面采集的信號中有校大的干擾。應(yīng)該去掉；如果未超出，可將該數(shù)據(jù)作為本次采樣值。這種方法對突發(fā)性干擾，如大功率用

51、電設(shè)備的啟?；蚱渌麤_擊性負(fù)載帶來的電流尖峰干擾比較有效。4.3.3中值濾波連續(xù)采樣n次（n為奇數(shù)），然后將n次的采樣值從小到大排列，再取中間的值作為采樣值。這樣可以去掉由于偶然因數(shù)引起的干擾，同時對于脈動干擾也比較有效。但是這種計算方法計算量比較大，對于一些需要快速采集的參數(shù)就不十分合適。第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計和抗干擾措施5.1avr單片機(jī)軟件開發(fā)工具簡介作為一種當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的單片機(jī)，有多種集成開發(fā)環(huán)境支持對avr單片機(jī)的程序開發(fā)。由于c語言在單片機(jī)設(shè)計中具有直觀、可讀性強(qiáng)、程序移植容易等優(yōu)點，avr單片機(jī)一般都是應(yīng)用基于c語言的編譯器和集成環(huán)境。用c語言來編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會大大縮短開發(fā)周期

52、，且明顯地增加了其可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。而且c語言還可以嵌入?yún)R編來解決高時效性的代碼編寫問題。atmanavr c 是為atmel公司的avr系列單片機(jī)應(yīng)用avr gcc編譯器而開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境 ide 。包括向?qū)?、文本編輯器和調(diào)試器等；工程項目采用模塊化管理，可視化編程；提供多種向?qū)еС謩討B(tài)添加/刪減各種模塊和中斷函數(shù)，自動生成代碼；文本編輯器支持自動提示函數(shù)參數(shù)信息，函數(shù)檢索和插入等功能。運行界面如5-1圖。圖5-1 atmanavr c的ide開發(fā)環(huán)境5.2單片機(jī)程序下載軟件avr單片機(jī)支持普通串口方式、stk500方式、并口（spi）方式及us

53、b方式等多種下載方式。普通串口方式的速度快，但支持的軟件不多。連atmel公司的avrstudio內(nèi)的avrpro也停止了更新。因此，普通串口方式不支持最新的芯片。stk500下載為atmel公司官方推薦的下載方式。與并口下載方式和usb下載方式相對比，stk500具有速度快，avr studio直接支持該下載方式等優(yōu)點。并且，只要avrstudio發(fā)布新版本，該下載方式支持的器件就同步更新，不會發(fā)生不支持新器件的情況。stk500方式也有其缺點：價格較高。目前仿造atmel公司的stk500下載線的售價也在百元以上。并口下載方式利用pc機(jī)的并口（俗稱打印口）進(jìn)行程序下載。其下載速度要明顯慢于

54、stk500方式。較之串口下載方式和stk500下載方式，并口下載線成本低，有較多軟件支持，適合大范圍推廣。并口下載線的制作方法有很多，這里，推薦一種簡單實用的接線方式，其原理圖如圖5-2所示：圖5-2 并口下載線原理圖程序下載是指將編譯好的目標(biāo)文件燒入到單片機(jī)里面，使單片機(jī)可以運行程序。包括兩個部分，編程器（硬件）和上位機(jī)編程軟件。比較好的上位機(jī)的軟件是廣州市天河雙龍電子有限公司提供的“sl-isp 下載軟件”， 可以到雙龍公司的主頁：進(jìn)行免費下載。運行界面如圖5-3：圖5-3 sl-isp1.518的主界面除此之外avr單片機(jī)提供程序在線下載接口isp(in system program)，即：