【正文】 得到 ）（— nC 后即可計算出偏差值： )()()( nrne ??? （ 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。 數(shù)字濾波方法 當(dāng)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。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 32 （ 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(shè)置為原始電壓值 u0，才能保證無沖擊切換。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。因此，利用式（ 47）計算出來的 u(n)序列就能與按（ 43）產(chǎn)生的 u(t)功能相近。 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 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(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。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)。在實際應(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。 在目前控制系統(tǒng)設(shè)計中，大多采用微機控制技術(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。由于計算機上也裝有 RS232 通信接口，勵磁 調(diào)節(jié)裝置即能與上位機進(jìn)行直接接口通信。電源設(shè)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(jīng)電容濾波以及穩(wěn)壓 7805 芯片得到所需的電壓。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。鍵盤掃描電路如圖 314 所示。 如圖 313所示。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。同步信號和觸發(fā)信號圖如圖 310示。 123U 1 3A4 08 1564U 1 3B4 08 18910U 1 3C4 08 1564UB4 08 1X C KR21 0kL T 3Z L 0 9 8 35 A 2 22L T 2Z L 0 9 8 35 A 2 22L T 1Z L 0 9 8 35 A 2 22123UA4 08 1V C CV C CV C CKaKbKcC P U V C C _ 8O U T _AO U T _BO U T _CT R I G2Q3R4C V o l t5T H R6D I S7VCC8GND1U3N E 55 5C74 72C80 .1 u FR42KR3 1KR51 0kQ59 01 3Q39 01 3Q19 01 3DK1F M 1 07DK2F M 1 07DK3F M 1 07DK4F M 1 07DK5F M 1 07DK6F M 1 07O U T _EC K 41 04C K 51 04C K 61 042 .2 m H2 .2 m H2 .2 m HL E D 1L E D 2L E D 3O U T _K AO U T _K BO U T _K CR S T _ EC24 7u FR Q 32KR Q 22KQ29 01 2C K 14 7u FQ49 01 2C K 24 7u FQ69 01 2C K 34 7u FR Q 12KKKV C C圖 39 移相觸發(fā)電路原理 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 23 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)電機勵磁電流。 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 避免了對單片機引入過多中斷，使程序的跳轉(zhuǎn)更加清晰。 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。 F??7R k10 5R 3R40 1 0640 1 06BU 2 CU 3 DU 312Ck10 k1 圖 36 頻率測量信號轉(zhuǎn)換電路 AVR 單片機設(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： 10T t t?? ，其倒數(shù)即為頻率 f， 如 圖 37所示 。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?2121 21 fff RRRRR ????，對 1A ，當(dāng) iu 0 的時候，放大器輸出為負(fù)， 1D 導(dǎo)通， 2D 截止，則iifo uuRRu 2131 ????，當(dāng) iu 0 的時候，放大器輸出為正， 1D截止， 2D 導(dǎo)通， 3fR 上沒有電流流過， 01?ou 。 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。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，經(jīng)過程序運算，便可以得到我們所要顯示的電壓值。 發(fā)電機的機端電壓 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，與對應(yīng)的給定值進(jìn)行比較。因為是三相電源，所以觸發(fā)脈沖間相位也依次相差 120176。如圖 32 所示。 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，微機處理單元，開關(guān)量輸入 /輸出接口 單元，人機接口單元， 通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng) 。 同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(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)電機具有維持或恢復(fù)同步運行的能力，即保持同步發(fā)電機并聯(lián)運行時的穩(wěn)定性。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)電機電壓虛假地提高，于是調(diào)節(jié)裝置將減小發(fā)電機的勵磁電流，致使發(fā)電機電壓降低，所以得到下傾的外特性。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 15 幾臺發(fā)電機在同一母線上并聯(lián) 運行時，改變?nèi)魏我慌_機組的勵磁電流不僅影響該機組的無功電流，而且還影響同一母線上并聯(lián)運行其它機組的無功電流，與此同時也引起母線電壓的變化。 當(dāng)Δ U小于零時，系統(tǒng)將增大導(dǎo)通角 ? ，勵磁電流 fI 減小， 0U 隨之降低，直到 0U ＝ 0NU ，偏差等于零為止。要維持發(fā)電機端電壓，必須增大勵磁電流，使發(fā)電機的外特性向上移。 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 22組成整個勵磁控制系統(tǒng)框圖，如圖 212所示。勵磁機的輸入為勵磁調(diào)節(jié)器的輸出電流，輸出為勵磁機的端電壓 Uf ， 該單元也是一個一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為： ffEZTLfe KSTSSI SUSG ???? 39。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)。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。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) 。放大器上接入電位器 1W 是用來調(diào)零，當(dāng)輸入為零時，調(diào)節(jié) 1W ，使 KU 為零。電路中加上了限幅與功率放大。運算放大器原理接線如圖 2－ 8所示。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 9 圖 2－ 7 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 21 RR， 組成對稱比較電路，又稱檢測橋， m， n 為電路的輸出端 , 輸出電壓偏差信號 U? ，圖中右邊部分為檢測橋的特性。 ab1 23 41R2RC 3R5R6 3C4C2C4R 圖 26 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。濾波電路由兩節(jié)組成，第一節(jié)是由 1R ， 3R 和1C ， 2R ， 4R 和 2C 組成的橋式濾波電路， a,b 是輸出端。其作用是將發(fā)電機電壓變換成能與基準(zhǔn)電壓作比較的平滑的直流電壓。39。CCC1R 1R 2R 1R 2R 1RC CC 1R1R 1R2R 2R2REFD‘A 39。B‘A39。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。39。39。39。AC 三條支路上的電流超前相應(yīng)線電壓 C?30 且 1R 上壓降為 2R 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。BA 、 39。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，并使接于其后的測量變壓器始終處于對稱三相電壓下工作。 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 24 所給框圖所示。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 6 調(diào) 差穩(wěn) 壓 電 源各 種 控 制信 號綜 合 放 大移 相 觸 發(fā)?aI?tU? 39。 圖 23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。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。勵磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 22所示。 同步發(fā)電機 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 21所示。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)電機并列運行的穩(wěn)定性的任務(wù)。 在本次課題設(shè)計中，首先對發(fā)電機勵磁原理作出分析，選擇適合中小型發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的算法，適應(yīng)單片機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。 微機勵磁調(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。微機控制技術(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。 隨著電力電子技術(shù)和計算機工業(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)電機組越來越大，對勵磁系統(tǒng)的要求越來越高。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。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組，