【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (34) （35）當(dāng)小于即時(shí)，可判斷電流滯后于電壓；當(dāng)大于即時(shí)，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(jì)算出功率因數(shù)角后，就可以得到功率因數(shù) 。設(shè)計(jì)方法可以在一個(gè)周期內(nèi)便計(jì)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(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，同時(shí)避免了對(duì)單片機(jī)引入過(guò)多中斷，使程序的跳轉(zhuǎn)更加清晰。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)主要作用是通過(guò)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(lì)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(lì)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(lì)磁系統(tǒng)移相觸發(fā)電路原理圖見(jiàn)圖39。圖39 移相觸發(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(lái)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(lì)磁電流。觸發(fā)電路的調(diào)制波是由如圖39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(hào)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(guò)兩個(gè)二級(jí)管整流得到正向觸發(fā)脈沖。觸發(fā)電路的同步信號(hào)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(yáng)極電壓為正半周時(shí)發(fā)出，使觸發(fā)脈沖與主回路同步。同步信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)圖如圖310示。圖310 同步信號(hào)和觸發(fā)信號(hào) 外圍電路設(shè)計(jì)微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的開(kāi)關(guān)量輸入指的是觸點(diǎn)狀態(tài)（接通或斷開(kāi)）的輸入，可以分為兩類：(1)安裝在裝置面板上的觸點(diǎn)，例如鍵盤(pán)上的按鍵、復(fù)位按鈕等。這類開(kāi)關(guān)量輸入與CPU主系統(tǒng)使用共同電源，無(wú)需電氣隔離，可直接接CPU端口，如圖311所示。 圖311 裝置內(nèi)部觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)回路(2)從裝置外部經(jīng)過(guò)端子排引入裝置的觸點(diǎn)，例如在運(yùn)行中可切換的各種壓板、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、斷路器等。這類開(kāi)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312所示。圖312裝置外部觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)回路 開(kāi)關(guān)量輸出電路開(kāi)關(guān)量輸出除了CPU主系統(tǒng)的端口輸出、信號(hào)線、晶閘管驅(qū)動(dòng)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(hào)繼電器驅(qū)動(dòng)等與強(qiáng)電有關(guān)的電路。為提高抗干擾能力，本設(shè)計(jì)采用了光電隔離電路，圖中CPU主系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)后，同一回路的LED指示燈立即點(diǎn)亮，表示光電隔離芯片的出口端已經(jīng)導(dǎo)通，此時(shí)繼電器便發(fā)生動(dòng)作，使裝置的COM端子和OUTJ1端子導(dǎo)通，完成勵(lì)磁系統(tǒng)的相應(yīng)輸出動(dòng)作進(jìn)行調(diào)控。如圖313所示。圖313裝置開(kāi)關(guān)量輸出回路 鍵盤(pán)顯示電路在鍵盤(pán)程序的設(shè)計(jì)中，掃描鍵盤(pán)要有合適的去抖動(dòng)時(shí)間。去抖動(dòng)時(shí)間短，會(huì)造成連續(xù)按鍵；去抖動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)使按鍵遲鈍。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，去抖動(dòng)時(shí)間選為45 ms。鍵盤(pán)掃描電路如圖314所示。圖 314 鍵盤(pán)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(dòng)態(tài)掃描方式。在短時(shí)間內(nèi)逐個(gè)掃描數(shù)碼管，使目測(cè)起來(lái)數(shù)碼管總是為點(diǎn)亮狀態(tài)。該方式的功耗較之靜態(tài)掃描要小。由于一個(gè)數(shù)碼管組需要8個(gè)段碼以及4個(gè)位碼總共12個(gè)引腳進(jìn)行控制。如果直接與單片機(jī)連接，要占用12個(gè)管腳，造成引腳資源的浪費(fèi)，并且單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力也有限。所以本裝置使用2個(gè)8位移位寄存器74HC595組成的串連轉(zhuǎn)換為并聯(lián)的電路來(lái)驅(qū)動(dòng)2個(gè)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(lì)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(jì)原理圖如316所示：可先用變壓器對(duì)220V的交流電降壓，然后通過(guò)對(duì)變壓器次級(jí)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 316電源設(shè)計(jì)原理圖 通訊接口電路設(shè)計(jì)為了實(shí)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(lái)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(jì)算機(jī)上也裝有RS232通信接口，勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置即能與上位機(jī)進(jìn)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(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的軟件以硬件為基礎(chǔ)，通過(guò)算法處理及程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能?？刂扑惴ㄊ莿?lì)磁控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，控制算法的選擇關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果。由于本勵(lì)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(guò)對(duì)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(jì)中，大多采用微機(jī)控制技術(shù)，此時(shí)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)，因此使系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)程中，由于對(duì)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(yùn)用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費(fèi)很大代價(jià)進(jìn)行模型辨識(shí)，往往不能得到預(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(yàn)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(jì)應(yīng)用最普遍的控制算法。因此，在本單片機(jī)勵(lì)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(lì)磁調(diào)節(jié)器中的具體實(shí)現(xiàn)，PID參數(shù)可由運(yùn)行調(diào)試人員通過(guò)鍵盤(pán)輸入并保存。 PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)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(shí)際輸出值y進(jìn)行比較，構(gòu)成控制偏差e =wy (41)圖41 PID調(diào)節(jié)器框圖 并將其比例、積分、微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量（如圖41所示），所以簡(jiǎn)稱為P（比例）、I（積分）、D(微分)調(diào)節(jié)器。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)對(duì)象的特性和控制要求，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： (42)式中：Td——微分時(shí)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(guò)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(shí)間Ti太小，則積分控制作用太強(qiáng)，會(huì)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(shí)根據(jù)自動(dòng)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)輸出的超調(diào)量，并且有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，正是因?yàn)槿绱?，通過(guò)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”。由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)只能處理數(shù)字信號(hào)，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(diǎn)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(hào)，為了把它們輸入計(jì)算機(jī)，必須首先在具有一定周期的采樣時(shí)刻對(duì)它們進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，形成一連串的脈沖信號(hào)；采樣后得到的離散模擬信號(hào)本質(zhì)上還是模擬信號(hào)，不能直接輸入計(jì)算機(jī)，還必須經(jīng)過(guò)數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這就是數(shù)字化。理想PID控制器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系如下： （43）將上式兩邊同時(shí)求拉氏變換后，寫(xiě)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(guò)程控制中稱為比例帶。為了能在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，必須將（45）用一個(gè)差分方程來(lái)近似。根據(jù)數(shù)值積分原理： （45） 誤差函數(shù)的微分則可以進(jìn)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(gè)式子中，T為采樣時(shí)間間隔，分別為，的簡(jiǎn)寫(xiě)，=0，1，2，…………，n。只要采樣間隔時(shí)間T與，相比足夠小，式（47）就與（43）足夠近似。因此，利用式（47）計(jì)算出來(lái)的u(n)序列就能與按（43）產(chǎn)生的u(t)功能相近。將一個(gè)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(jì)算工作量大，每計(jì)算一次u(n)要完成n+3次加法和至少3次乘法，而且計(jì)算量隨著時(shí)間的推移逐漸增加；其次要保存e(t)所有采樣時(shí)刻的值，這就要占用比較大的內(nèi)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(wèn)題，人們對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，提出了以下增量型控制算法。通過(guò)分析（47）可以知道，如果先不計(jì)算u(n)，而是計(jì)算其增量，則可以免除每次加法計(jì)算。由（47）可得： （48）因?yàn)?，n時(shí)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(jù)具體控制系統(tǒng)問(wèn)題的需要，可以用u（n）也可以用來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果是用u(n)來(lái)進(jìn)行控制，可以先利用式（410）計(jì)算出，再根據(jù)下式計(jì)算u（n）： （411） 為了編制程序方便，可以將式（410）改寫(xiě)成下式： （412）其中： 由上式可知，增量式算法只需要保持現(xiàn)時(shí)以前3個(gè)時(shí)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(diǎn)：（1）位置式算法每次輸出與整個(gè)過(guò)去狀態(tài)的關(guān)，計(jì)算式中要用到過(guò)去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差；而增量式只需計(jì)算增量，當(dāng)存在計(jì)算誤差或精度不足時(shí)，對(duì)控制量計(jì)算的影響較小。（2）控制從手動(dòng)切換到自動(dòng)時(shí)，必須首先將計(jì)算機(jī)的輸出值設(shè)置為原始電壓值u0，才能保證無(wú)沖擊切換。如果采用增量算法，則由于式中不出現(xiàn)u0項(xiàng)，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。此外，在計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，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(shí)際控制中，增量式算法應(yīng)用更為廣泛。當(dāng)微機(jī)控制系統(tǒng)面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)比較惡劣時(shí)，因此，所采集信號(hào)中總會(huì)混雜有各類干擾。除了用硬件進(jìn)行濾波外，對(duì)輸入計(jì)算機(jī)的信號(hào)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(guò)一定的計(jì)算程序，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提高有用信號(hào)在采集值中的比例，減少各種干擾和噪聲。設(shè)測(cè)量值為c(n),則每采集了n個(gè)數(shù)據(jù)后，進(jìn)行一次算術(shù)平均，其計(jì)算方法如下： （413）根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論，上式的算術(shù)平均值實(shí)際上是這樣一個(gè)值，它與各采樣值間的誤差的平方和最小。得到后即可計(jì)算出偏差值： （414）從上面可以看出，每計(jì)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(duì)壓力，流量等含有周期性脈動(dòng)的信號(hào)有效，而對(duì)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(hào)，其在兩個(gè)采樣點(diǎn)之間不可能有太大的變化，則可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)，確定一個(gè)最大偏差值。則每次采樣后都與其前一個(gè)采樣值進(jìn)行比較，一但兩個(gè)差值超過(guò)了，則表面采集的信號(hào)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(duì)突發(fā)性干擾，如大功率用電設(shè)備的啟停或其他沖擊性負(fù)載帶來(lái)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(shí)對(duì)于脈動(dòng)干擾也比較有效。但是這種計(jì)算方法計(jì)算量比較大，對(duì)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(jì)和抗干擾措施作為一種當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的單片機(jī)，有多種集成開(kāi)發(fā)環(huán)境支持對(duì)AVR單片機(jī)的程序開(kāi)發(fā)。由于C語(yǔ)言在單片機(jī)設(shè)計(jì)中具有直觀、可讀性強(qiáng)、程序移植容易等優(yōu)點(diǎn)，AVR單片機(jī)一般都是應(yīng)用基于C語(yǔ)言的編譯器和集成環(huán)境。用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開(kāi)發(fā)周期，且明顯地增加了其可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而