【正文】 +U(t)y+++1KpG(s)在PID控制器的算法中，比例環(huán)節(jié)反映系統(tǒng)的偏差信號(hào)e（t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用減少偏差，不能消除穩(wěn)態(tài)誤差；積分環(huán)節(jié)用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱；微分環(huán)節(jié)能反映偏差的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)早期修正信號(hào)，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。 微分環(huán)節(jié)的引入，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，但微分環(huán)節(jié)對(duì)于高頻干擾特別敏感。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，通常情況下，都在微分項(xiàng)前加一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)（低通濾波器），稱(chēng)為不完全微分。由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)進(jìn)入了控制領(lǐng)域，將模擬PID控制規(guī)律引入到計(jì)算機(jī)中來(lái)。對(duì)（）的PID控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，就可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制，即數(shù)字PID控制。數(shù)字PID控制算法可以分為位置式PID 控制算法和增量式PID控制法。由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進(jìn)行連續(xù)控制。由于這一特點(diǎn)，式（）中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。離散化處理的方法為：以作為采樣周期，作為采樣序號(hào)，則離散采樣時(shí)間 對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，可作如下近似變換： （） （） （）上式中，為了表示方便，將類(lèi)似簡(jiǎn)化成等。將式（）代入式（），就可以得到離散的PID表達(dá)式為： （）或 （）式中：——采樣序號(hào)，； ——第次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出量； ——第次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； ——第次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； ——積分系數(shù)，； ——微分系數(shù)，； ——開(kāi)始進(jìn)行PID控制時(shí)的原始初值。這種算法的缺點(diǎn)是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)進(jìn)行累加，工作量大；并且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，輸出的將大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，有可能因此造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，這在生產(chǎn)實(shí)際中是不能允許的[47]。所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的控制量是增量，而不是位置量的絕對(duì)數(shù)值時(shí)，可以使用增量式PID控制算法進(jìn)行控制。增量式PID控制算法可通過(guò)式（）推導(dǎo)出。由式（）可得控制器在第個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值為： （）將式（）與式（）相減，并整理，就可以得到增量式PID控制算法為： （）式中： ； ； ?；蛘呱鲜降倪€可以寫(xiě)成下面的形式： （）式中：； ； ； 。由式（）可以看出，如果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期，一旦確定了、只要使用前后3次測(cè)量值的偏差，就可以由式（）求出控制增量。與位置式算法相比較，增量式算法有以下優(yōu)點(diǎn)：位置式算法中，計(jì)算誤差對(duì)控制量影響小位置式算法控制器輸出的是全量，每次輸出均與過(guò)去的所有狀態(tài)有關(guān)。計(jì)算機(jī)的位數(shù)是有限的，當(dāng)累加結(jié)果產(chǎn)生上溢出時(shí)，丟失一部分控制量。當(dāng)采樣周期短，誤差很小時(shí)，計(jì)算機(jī)認(rèn)為是零，不進(jìn)行累加，這兩種情況均產(chǎn)生累加誤差。而增量式算法在計(jì)算時(shí)只用到最近的三次采樣值，這以前的狀態(tài)不影響本次輸出。另外，用位數(shù)相同的計(jì)算機(jī)，增量式算法可以有更高的精度。由于增量式算法有以上優(yōu)點(diǎn)，所以增量式算法比位置式算法用得更廣泛。 在工業(yè)控制等應(yīng)用場(chǎng)合中，經(jīng)常會(huì)遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。干擾通常只影響個(gè)別采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與其他采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相差比較大。如果采用一般的平均值法，則干擾將“平均”到計(jì)算結(jié)果上去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的采樣值的偏差。為此，可采取先對(duì)平均值法的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中最大值和最小值，然后計(jì)算余下的N2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。這個(gè)方法既可濾去脈沖干擾，又可濾去小的隨機(jī)干擾。防脈沖干擾平均值濾波是由中值濾波和平均值濾波結(jié)合起來(lái)構(gòu)成的．它既可以抑制周期件干擾信號(hào)，又可以濾除緩變過(guò)程的脈沖干擾[43]。NY開(kāi)始系統(tǒng)初始化SA4828初始化幅值預(yù)調(diào)節(jié)輸出電壓采樣與給定值比較求出誤差值PI調(diào)節(jié)算法更新SA4828幅值控制字寫(xiě)SA4828控制字 逆變控制系統(tǒng)的主程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。單片機(jī)首先初始化SA4828，開(kāi)中斷系統(tǒng)。傳送完控制參數(shù)后，輸出PWM控制信號(hào)，逆變器開(kāi)始工作。工作過(guò)程中，單片機(jī)不斷的處理PWM輸出的電壓檢測(cè)反饋回來(lái)的信號(hào)，控制SA4828調(diào)整輸出的PWM控制信號(hào)，控制系統(tǒng)的輸出狀態(tài)，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的性能要求。 所示。 A/D轉(zhuǎn)換及濾波中斷子程序的設(shè)計(jì)圖 A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波程序流程圖NA清累加寄存器ADH、ADL 指針指向第一個(gè)單元取出采樣值累加指針指向下一個(gè)單元累加完成值加值減最小值值加值減最大值得到結(jié)果除以4結(jié)束中斷程序取出值大于最大值A(chǔ)比較周期結(jié)束YN取出的值送AD2AD2值存指針?biāo)竼卧赶蛳乱粏卧〕龅闹荡嬷羔標(biāo)傅膯卧狽取出值小于最小值YN取出的值送AD1AD1值存指針?biāo)竼卧〕鲋蹬cAD1比較指針指向第一個(gè)采樣值第二個(gè)采樣值存入AD2作為最大值第一個(gè)采樣值存入AD1作為最小值采樣值的次數(shù)存入寄存器YY A/D轉(zhuǎn)換采用中斷方式，為減小干擾因素，在實(shí)驗(yàn)中連續(xù)進(jìn)行6次數(shù)據(jù)采樣，去掉其中的最大值和最小值，然后對(duì)剩下的4個(gè)數(shù)據(jù)求平均值。A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波的中。 ， IPM電壓輸出波形。 SA4828輸出的上下橋臂的波形 IPM電壓輸出波形 濾波后電壓波形 濾波后電壓波形=294，電容=54；電感=562，電容=74的輸出濾波的實(shí)驗(yàn)波形。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知輸出濾波后諧波分量仍然存在，需要進(jìn)一步完善。 本章重點(diǎn)介紹了交直交變流系統(tǒng)中逆控制的原理及軟件設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了逆變控制的原理，即SPWM控制技術(shù)；在調(diào)節(jié)過(guò)程中所采用的控制方法，增量式數(shù)字PID控制；主程序的設(shè)計(jì)及在閉環(huán)反饋中采用了防脈沖干擾平均值濾波程序的設(shè)計(jì)，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。5變槳距及偏航控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)變槳距及偏航控制是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中，需要檢測(cè)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速，蓄電池充放電電壓和充放電電流等檢測(cè)量，通過(guò)以單片機(jī)為核心的控制器的處理，來(lái)完成風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行控制，并對(duì)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速進(jìn)行輸出顯示。頻率測(cè)量有周期測(cè)量法和記數(shù)測(cè)量法兩種，這兩種測(cè)量方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。（1）周期測(cè)量法 被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形后變?yōu)榫匦蚊}沖，兩個(gè)脈沖上升沿之間的時(shí)間間隔為被測(cè)信號(hào)的周期。將脈沖信號(hào)送入微機(jī)，用軟件控制使第一個(gè)上升沿啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開(kāi)始記數(shù)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)器加1，到第二個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。由所測(cè)量的機(jī)器周期數(shù)可計(jì)算出兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間間隔T，取其倒數(shù)，便可求得被測(cè)信號(hào)的頻率。周期法測(cè)頻的誤差由三部分組成，既閘門(mén)誤差，時(shí)基誤差和計(jì)數(shù)誤差。閘門(mén)誤差是由于控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的兩個(gè)矩形脈沖上升沿之間的時(shí)間間隔與被測(cè)信號(hào)的周期T不相等產(chǎn)生的。時(shí)基誤差是由于用做記時(shí)脈沖的周期不準(zhǔn)確或不穩(wěn)定造成的。計(jì)數(shù)誤差是由于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)不準(zhǔn)而產(chǎn)生的所謂正負(fù)1誤差。對(duì)于低頻測(cè)量，周期法有較高的精度，隨著被測(cè)頻率的增高，其相對(duì)誤差逐漸增大。因而，周期法測(cè)頻僅適合于低頻（如500Hz）測(cè)量[48]。（2）計(jì)數(shù)測(cè)量法 當(dāng)被測(cè)頻率較高時(shí)，用周期法測(cè)頻一個(gè)周期內(nèi)記錄脈沖數(shù)過(guò)少，正負(fù)1讀數(shù)誤差將產(chǎn)生較大的相對(duì)誤差。這時(shí)，可采用計(jì)數(shù)測(cè)頻法，即直接對(duì)被測(cè)信號(hào)整形后的矩形脈沖計(jì)數(shù)。因?yàn)榭刂朴?jì)數(shù)的閘門(mén)時(shí)間是已知的故可由計(jì)數(shù)值計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的頻率。假定所選定的控制記數(shù)開(kāi)始與終止的閘門(mén)時(shí)間間隔為，在此間隔內(nèi)計(jì)數(shù)值為，則被測(cè)信號(hào)的頻率為在計(jì)數(shù)測(cè)頻法中同樣存在時(shí)基誤差和正負(fù)1計(jì)數(shù)誤差，時(shí)基誤差是一種常值誤差，與被測(cè)頻率無(wú)關(guān)。對(duì)于兩種測(cè)頻方法來(lái)說(shuō)，時(shí)基誤差是相同的，而正負(fù)1誤差引起的相對(duì)誤差是不同的。對(duì)于計(jì)數(shù)測(cè)頻法，被測(cè)信號(hào)的頻率愈高，在同一閘門(mén)時(shí)間間隔內(nèi)所計(jì)得的被測(cè)信號(hào)脈沖數(shù)越多，正負(fù)1引起的相對(duì)誤差越小。因而，與周期法相反，計(jì)數(shù)法適合高頻測(cè)量[48]。風(fēng)速的檢測(cè)是通過(guò)風(fēng)速儀來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，與輸出頻率的關(guān)系為： （）式中： ——風(fēng)速；——為輸出電壓脈沖頻率。 風(fēng)速儀輸出的風(fēng)速與脈沖頻率關(guān)系圖+12VPortR1PortTLP521R2330+5V 圖 輸入信號(hào)光電隔離電路由于風(fēng)速儀輸出的頻率信號(hào)低于500Hz，故采用周期法進(jìn)行風(fēng)速的測(cè)量。風(fēng)速儀要求電源電壓為12V，輸入到PIC單片機(jī)的CCP1進(jìn)行測(cè)量。（1）CCP模塊簡(jiǎn)介PICl6F877A單片機(jī)內(nèi)部集成有捕捉/比較/脈寬調(diào)制PWM（CCP）模塊。當(dāng)CCPl工作在捕捉（Capture）方式時(shí)，可捕捉外部輸入脈沖的上升沿或下降沿，并產(chǎn)生相應(yīng)的中斷。利用CCP模塊的該功能，可方便地完成一組數(shù)字信號(hào)的頻率、周期、脈寬、占空比等參數(shù)的測(cè)量， 所示。當(dāng)CCPl工作在捕捉方式時(shí)，一旦有下列事件在RC2/CCPl引腳上發(fā)生，CCPl寄存器的CCPRlH和CCPRlL即捕捉記錄下該時(shí)刻TMRl寄存器中16位的值[45]。RC2/CCP1引腳預(yù)分頻器1，4，16和邊沿檢測(cè)QCCPR1H CCPR1LTMR1H TMR1L設(shè)置中斷標(biāo)志位（PIR12）CCP1CON3 ： 0 CCP工作原理圖 CCP有四種捕獲方式：每個(gè)脈沖下降沿；每個(gè)脈沖上升沿；每4個(gè)脈沖上升沿；每16個(gè)脈沖上升沿。CCP模塊必須與定時(shí)/計(jì)數(shù)器—起使用，捕捉模塊指的是監(jiān)測(cè)引腳上輸入信號(hào)的狀態(tài)，當(dāng)信號(hào)的狀態(tài)符合設(shè)定的條件時(shí)（信號(hào)上升沿或下降沿出現(xiàn)時(shí)），產(chǎn)生中斷，并記錄當(dāng)時(shí)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器值（當(dāng)CCP模塊工作在捕捉方式時(shí)，TMRl控制寄存器必須工作在定時(shí)器或同步計(jì)數(shù)方式下）。比較模塊是將事先設(shè)定好的值與定時(shí)器方式或同步計(jì)數(shù)方式下的值相互比較，一旦兩個(gè)值相等時(shí)．產(chǎn)生中斷并驅(qū)動(dòng)事先設(shè)定好的動(dòng)作。PWM模塊輸出脈沖寬度可調(diào)整的信號(hào)，脈沖的周期（Period）和工作周期（Duty Cycle）是由內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生的，因此也需要搭配定時(shí)器來(lái)使用的。Timer1為16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可用來(lái)產(chǎn)生定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷以及實(shí)現(xiàn)CCP模塊中的捕捉和比較功能 因此Timer1的定時(shí)/計(jì)數(shù)器、捕捉和比較的功能有16位的精確度。由控制位CCPlM3～CCPlM0（即CCPlCON中的bit 3～bit 0）設(shè)置決定4種不同觸發(fā)控制方式。當(dāng)捕捉事件發(fā)生后，中斷請(qǐng)求標(biāo)志位CCPIIF（PIRl寄存器的bit 2）置為1，該位必須由軟件清0。如果寄存器CCPR1中的值被CPU讀出之前，又發(fā)生另一個(gè)新的捕捉事件，那么原來(lái)捕捉的值就會(huì)被丟失（即被新的值所覆蓋）。在捕捉工作方式下，要先設(shè)置RC2/CCPl引腳為輸入狀態(tài)，靠設(shè)置TRISC的bit2為1實(shí)現(xiàn)。風(fēng)速儀輸出為脈沖信號(hào)，經(jīng)光耦隔離后輸入到單片機(jī)的CCP端口，為模擬風(fēng)速儀輸出的信號(hào)，使用555定時(shí)器來(lái)構(gòu)成多諧震蕩器來(lái)模擬風(fēng)速儀的輸出。GNDDISCTHRTRIG7625CVOLTVCCRST843OUTNE555P+5VC1C2330PortGND1R1R210M 圖 風(fēng)速模擬發(fā)生電路 ～，這樣根據(jù)文獻(xiàn)[49]，R1+R2=，多諧振蕩頻率為100Hz左右，電容C2是去耦電容。由于555定時(shí)器最大輸出電流為200mA，而PIC單片機(jī)的I/O端口最大輸入電流為25mA，故需要加限流電阻，選擇330Ω的電阻可滿(mǎn)足要求。 由于發(fā)電電機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)出的電源頻率之間的關(guān)系為： （）這樣轉(zhuǎn)速的測(cè)量可轉(zhuǎn)化為對(duì)發(fā)電機(jī)所的發(fā)電頻率的測(cè)量，對(duì)發(fā)電頻率的測(cè)量首先要進(jìn)行衰減，然后進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)，過(guò)零檢測(cè)電路可將正弦波轉(zhuǎn)換成矩形波，這樣就可以通過(guò)單片機(jī)的CCP模塊進(jìn)行頻率的測(cè)量，進(jìn)而通過(guò)變換得到轉(zhuǎn)速值。LM339+12V330PortR1R210MPort+220K220KR3R4R5R6R715K1KD11N4148452312 圖 過(guò)零檢測(cè)電路 在變槳距及偏航控制中有一些邏輯量需要檢測(cè)，這些邏輯量包括蓄電池充電電壓電流，變槳距及偏航極限位置等量。邏輯量檢測(cè)過(guò)程如下：首先為每一個(gè)輸入設(shè)定一個(gè)標(biāo)志變量，按順序進(jìn)行掃描，當(dāng)某一變量在掃描一次后，如果有效，則延時(shí)5ms后再讀取電平，如還有效則確認(rèn)為有效，并將與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位置1，如果第二次無(wú)效則放棄此次對(duì)該輸入的掃描，然后進(jìn)行對(duì)下一個(gè)掃描，依次進(jìn)行，知道掃描完畢，然后根據(jù)各輸入的標(biāo)志位進(jìn)行判斷，進(jìn)行后續(xù)動(dòng)作。 為避免掃描過(guò)程中，漏掉某一個(gè)輸入狀態(tài)如偏航和開(kāi)關(guān)槳的邏輯信號(hào)，在如左轉(zhuǎn)兩圈、右轉(zhuǎn)兩圈，開(kāi)關(guān)槳極限位置，蓄電池欠過(guò)壓及過(guò)流等緊急處理的量，通過(guò)中斷來(lái)進(jìn)行及時(shí)的處理。避免產(chǎn)生不必要的事故。在設(shè)計(jì)