【文章內容簡介】 (34) （35）當小于即時，可判斷電流滯后于電壓；當大于即時，則判斷電流超前于電壓，如圖38所示。 圖38 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) 。設計方法可以在一個周期內便計算出功率因數(shù)角，并可判斷出電流和電壓之間的相互關系，具有較好的實時性和準確性，同時避免了對單片機引入過多中斷，使程序的跳轉更加清晰。同步發(fā)電機勵磁控制系統(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通角，從而調控勵磁電流，達到控制端電壓的目的。由晶閘管構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導通，這就需要按照一定的次序對晶閘管的門極施加觸發(fā)脈沖。勵磁系統(tǒng)移相觸發(fā)電路原理圖見圖39。圖39 移相觸發(fā)電路原理移相觸發(fā)單元產生可調相位的脈沖，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)據而改變，以控制晶閘管整流電路的輸出，從而調節(jié)發(fā)電機勵磁電流。觸發(fā)電路的調制波是由如圖39左邊部分所示，由NE555芯片構成的多諧振蕩器，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310示。圖310 同步信號和觸發(fā)信號 外圍電路設計微機勵磁調節(jié)裝置的開關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、復位按鈕等。這類開關量輸入與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311所示。 圖311 裝置內部觸點開關回路(2)從裝置外部經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、轉換開關、斷路器等。這類開關量輸入與CPU主系統(tǒng)使用不同電源，需要電氣隔離。在本微機裝置中一般采用光電隔離措施，通用的原理電路如圖312所示。圖312裝置外部觸點開關回路 開關量輸出電路開關量輸出除了CPU主系統(tǒng)的端口輸出、信號線、晶閘管驅動等低壓輸出外，還包括保護的跳閘出口、合閘出口、中央信號繼電器驅動等與強電有關的電路。為提高抗干擾能力，本設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導通，此時繼電器便發(fā)生動作，使裝置的COM端子和OUTJ1端子導通，完成勵磁系統(tǒng)的相應輸出動作進行調控。如圖313所示。圖313裝置開關量輸出回路 鍵盤顯示電路在鍵盤程序的設計中，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。在實際設計中，去抖動時間選為45 ms。鍵盤掃描電路如圖314所示。圖 314 鍵盤掃描電路本裝置的顯示模塊使用數(shù)碼管進行顯示，采用動態(tài)掃描方式。在短時間內逐個掃描數(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個引腳進行控制。如果直接與單片機連接，要占用12個管腳，造成引腳資源的浪費，并且單片機的驅動能力也有限。所以本裝置使用2個8位移位寄存器74HC595組成的串連轉換為并聯(lián)的電路來驅動2個4位8段數(shù)碼管組，其電路圖如圖315所示。 圖 315液晶顯示電路原理圖 電源電路 該勵磁系統(tǒng)中單片機及其它芯片需+5V直流穩(wěn)定電壓供電。電源設計原理圖如316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，經電容濾波以及穩(wěn)壓7805芯片得到所需的電壓。圖 316電源設計原理圖 通訊接口電路設計為了實現(xiàn)與上位機的通信，本系統(tǒng)采用了電平轉換芯片MAX232。其接線圖如下圖所示。MAX232芯片是用來進行RS232通信，通信距離通常不大于15米，它抗干擾能力強，適用于近距離通訊。由于計算機上也裝有RS232通信接口，勵磁調節(jié)裝置即能與上位機進行直接接口通信。圖 317 通訊電路原理圖第四章 系統(tǒng)控制算法的研究微機勵磁調節(jié)裝置的軟件以硬件為基礎，通過算法處理及程序設計實現(xiàn)系統(tǒng)功能?？刂扑惴ㄊ莿畲趴刂葡到y(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，控制算法的選擇關系到整個控制系統(tǒng)的控制效果。由于本勵磁調節(jié)系統(tǒng)采用了單片機為核心的微機控制器，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)設計中，大多采用微機控制技術，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，通過程序實現(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)學模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經常發(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行模型辨識，往往不能得到預期的效果，所以PID調節(jié)器常被人們采用，并根據經驗進行在線整定； 因此至今PID控制仍然是常規(guī)控制系統(tǒng)設計應用最普遍的控制算法。因此，在本單片機勵磁調節(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節(jié)器中的具體實現(xiàn)，PID參數(shù)可由運行調試人員通過鍵盤輸入并保存。 PID調節(jié)器設計PID調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，它是將設定值w與實際輸出值y進行比較，構成控制偏差e =wy (41)圖41 PID調節(jié)器框圖 并將其比例、積分、微分通過線性組合構成控制量（如圖41所示），所以簡稱為P（比例）、I（積分）、D(微分)調節(jié)器。在實際應用中，根據對象的特性和控制要求，也可以靈活地改變其結構，取其中一部分環(huán)節(jié)構成控制規(guī)律。例如，比例(P)調節(jié)器、比例積分(PI)調節(jié)器、比例微分(PD)調節(jié)器等。比例積分微分調節(jié)PID調節(jié)器的如下規(guī)律： (42)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，會使控制器系統(tǒng)輸出的超調量加大，甚至產生震蕩。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；同時根據自動控制理論可知，適當?shù)膽梦⒎挚刂瓶梢詼p少控制系統(tǒng)輸出的超調量，并且有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，正是因為如此，通過綜合的應用以上控制，可以使控制器具有相當高的“智能”。由于計算機控制系統(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，必須首先在具有一定周期的采樣時刻對它們進行實時采樣，形成一連串的脈沖信號；采樣后得到的離散模擬信號本質上還是模擬信號，不能直接輸入計算機，還必須經過數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將它轉換成數(shù)字信號，這就是數(shù)字化。理想PID控制器輸出信號與輸入信號的關系如下： （43）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： （44） 式中 稱為比例系數(shù)，的倒數(shù)在過程控制中稱為比例帶。為了能在計算機中進行，必須將（45）用一個差分方程來近似。根據數(shù)值積分原理： （45） 誤差函數(shù)的微分則可以進行如下近似： （46）綜合（43），（44），（46）可以得到如下的差分方程： U(n)= （47）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（47）就與（43）足夠近似。因此，利用式（47）計算出來的u(n)序列就能與按（43）產生的u(t)功能相近。將一個微分方程用差分方程近似離散化。但是分析（47）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存空間。4．2 .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，人們對其進行了改進，提出了以下增量型控制算法。通過分析（47）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（47）可得： （48）因為，n時刻控制量的增量為： （49）將式（47）和式（48）分別代入上式得： （410）其中： 稱為積分系數(shù) 稱為微分系數(shù)根據具體控制系統(tǒng)問題的需要，可以用u（n）也可以用來控制執(zhí)行機構。如果是用u(n)來進行控制，可以先利用式（410）計算出，再根據下式計算u（n）： （411） 為了編制程序方便，可以將式（410）改寫成下式： （412）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，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產生較大的累計誤差；而增量式只需計算增量，當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，必須首先將計算機的輸出值設置為原始電壓值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，增量式算法應用更為廣泛。當微機控制系統(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。除了用硬件進行濾波外，對輸入計算機的信號進行數(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)據進行處理，以提高有用信號在采集值中的比例，減少各種干擾和噪聲。設測量值為c(n),則每采集了n個數(shù)據后，進行一次算術平均，其計算方法如下： （413）根據數(shù)理統(tǒng)計的理論，上式的算術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： （414）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。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，則可以根據現(xiàn)場的經驗，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。應該去掉；如果未超出，可將該數(shù)據作為本次采樣值。這種方法對突發(fā)性干擾，如大功率用電設備的啟?；蚱渌麤_擊性負載帶來的電流尖峰干擾比較有效。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)設計和抗干擾措施作為一種當前應用較廣泛的單片機，有多種集成開發(fā)環(huán)境支持對AVR單片機的程序開發(fā)。由于C語言在單片機設計中具有直觀、可讀性強、程序移植容易等優(yōu)點，AVR單片機一般都是應用基于C語言的編譯器和集成環(huán)境。用C語言來編寫目標系統(tǒng)軟件，會大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加了其可讀性，便于改進和擴充，從而