【導(dǎo)讀】磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要配套裝備。勵(lì)磁電流是同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生無功功率。行的可靠性和穩(wěn)定性，因此，許多電站提出了對勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，生了，提高了電力系統(tǒng)的自動化水平?？刂蒲b置，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行情況下維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定水平，較小，所以基本能滿足安全運(yùn)行的要求。調(diào)節(jié)器的執(zhí)行環(huán)節(jié)是采用電動伺服。服了死區(qū)的問題。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(lì)磁控制系統(tǒng)配套使用，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。國外從70年代開始研究數(shù)字勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，從80年代中期世。但無論如何數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器己成為復(fù)雜的。多功能勵(lì)磁系統(tǒng)的首選，是最新勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展方向。困難，并且可靠性大大降低，因此對傳統(tǒng)的模擬式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器提出了挑戰(zhàn)，簡化了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，降低了成本。微機(jī)勵(lì)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，在當(dāng)今勵(lì)磁控制裝置市場中占了絕大部分?jǐn)?shù)額。

　　

【正文】 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。 T19VC11 00 0 uC21 00 uC30 .1 uC40 .1 uV i n1GND3+ 5V 2U1L M 7 80 5 C K12J25V12J1A C 2 20 V1234D1 圖 316 電源設(shè)計(jì)原理圖 通訊接口電路設(shè)計(jì) 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 27 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。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ABCD121110987654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eA1D a t e : 5 J un 2 0 0 7 S he e t o f F i l e : C : \ D o c u m e n t s a n d S e t t i n gs \笨魚 \桌面 \勵(lì)磁 0 70 3 0 D BD r a w n B y:M C 11 04V C C123M A X 2C 1 +1V+2C 1 3C 2 +4C 2 5V6T 2O7R 2 I N8R 2 O9T 2I N10T 1I N11R 1 O12R 1 I N13T 1O14GND15V S S16U4M A X 2 32M C 21 04123M A X 1M C 31 04M C 51 04M C 41 04VR X D _1 6T X D _1 6R X D _8T X D _8 圖 317 通訊電路原理圖 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 28 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)，通過算法處理及程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。 控制算法是勵(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(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(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(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，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)試人員通過鍵盤輸入并保存。 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) K pK i / sK d / s對 象++++uy－ew測 量 變 送 圖 41 PID 調(diào)節(jié)器框圖 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 29 并將其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量（如圖 41 所示），所以簡稱為 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： 01()t deu K e e d t T dT i d t? ? ?? (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”。 數(shù)字 PID 算法的實(shí)現(xiàn) 由于計(jì)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(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，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)刻對它們進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)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。 位置型 PID 控制算法 理想 PID控制器輸出信號與輸入信號的關(guān)系如下： 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 30 ?????? ??? ? dt tdeTdtteTteKtu dtiP )()(1)()(0 （ 43） 將上式兩邊同時(shí)求拉氏變換后，寫出控制器傳遞函數(shù)形式為： )11()( sTTKSE sU diP ???）（ （ 44） 式中 PK 稱為比例系數(shù)， PK 的倒數(shù)在過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)差分方程來近似。根據(jù)數(shù)值積分原理： ? ???t niiTedtte0 0)()( （ 45） 誤差函數(shù) )(te 的微分則可以進(jìn)行如 下近似： T nenedt tde )1()()( ??? （ 46） 綜合（ 43），（ 44），（ 46）可以得到如下的差分方程： U(n)= ? ??????? ????? ??nidiPneneTTieTTneK 0 1)1()()()( （ 47） 在以上三個(gè)式子中， T 為采樣時(shí)間間隔， )(ie ， )(iu 分別為 )(iTe ， )(iTu 的簡寫， i =0， 1， 2， ………… ， n。 只要采樣間隔時(shí)間 T與 iT ， dT 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（ 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： 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 31 ? ??????? ???????? ???10 )2()1()()1()1(nidipneneTTieTTneknu （ 48） 因?yàn)椋?n時(shí)刻控制量的增量為： )1()()( ???? nununu （ 49） 將式（ 47）和式（ 48）分別代入上式得： ? ? ??????? ????????????? )2()1(2)()()1()()1()()( neneneTTneTTneneknununu dip ? ? ? ?)2()1(2)()()1()( ???????? neneneKneKneneK dip （ 410） 其中： Ii TTK? 稱為積分系數(shù) TTK dd? 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 )(nu? 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（ 410）計(jì)算出 )(nu? ，再根據(jù)下式計(jì)算 u（ n）： )1()()( ???? nununu （ 411） 為了編制程序方便，可以將式（ 410）改寫成下式： )2()1()()( 210 ?????? neCneCneCnu （ 412） 其中： )1(0 TTTTKC dip ??? )21(1 TTKC dp ?? TTkC dp?2 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)過去狀態(tài)的關(guān)，計(jì)算式中要用到過去偏差的累加值，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)，對控制量計(jì)算的影響較小。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 32 （ 2）控制從手動切換到自動時(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)手動到自動的無沖擊切換。 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。 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(shí)，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(jì)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(jì)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。 算術(shù)平均值濾波 設(shè)測量值為 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： ??? ? Ni iennC 1 )(1)（ （ 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 ）（— nC 后即可計(jì)算出偏差值： )()()( nrne ??? （ 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。 程序判斷濾波 如果事先知道