數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)組員：馬智峰、李允、程暘、謝賓鴻數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)最常用的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)，并使用 Matlab/Simulink軟件對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。然后在簡(jiǎn)要的介紹了模糊控制與遺傳算法控制的基礎(chǔ)上，針對(duì)傳統(tǒng)的PID控制，提出了模糊PID控制與遺傳算法PID控制，并分別給出了具體的實(shí)現(xiàn)步驟。在模糊PID控制中，不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，它是一種語(yǔ)言變量控制器，其控制規(guī)則只用語(yǔ)言變量的形式定性的表達(dá)，構(gòu)成被控對(duì)象的模糊模型。控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器,這種混合系統(tǒng)把PID控制的簡(jiǎn)便性與Fuzzy

2、控制的靈活性以及普棒性融為一體,發(fā)揮了傳統(tǒng)控制與Fuzzy控制的各自長(zhǎng)處，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。遺傳算法是全局優(yōu)化算法，該方法是一種不需要任何初始信息并可以尋求全局最優(yōu)解的、高效的優(yōu)化組合方法，遺傳算法在不需要給出調(diào)節(jié)器初始參數(shù)的情況下，仍能尋找到合適的參數(shù)，使控制目標(biāo)滿足要求，它具有操作方便、速度快的優(yōu)點(diǎn)，不需要復(fù)雜的規(guī)則，只通過(guò)字串進(jìn)行簡(jiǎn)單的復(fù)制、交叉、變異，便可達(dá)到尋優(yōu)。該方法比一般PID參數(shù)整定方法具有更好的控制性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)思路 數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成的。本系統(tǒng)以帶有AD轉(zhuǎn)換器的8051系列單片機(jī)為控制器芯片，對(duì)電機(jī)進(jìn)行電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)PWM可逆直流調(diào)速

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用單片機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)使其硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移影響。而且其穩(wěn)定性好，可靠性高，提高了控制性能。在軟件方面，文章中介紹了PI運(yùn)算程序，初始化程序等的編寫(xiě)思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)目前，需要高性能可控調(diào)速系統(tǒng)的領(lǐng)域多數(shù)都采用直流調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)）是由單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無(wú)靜差，但單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，而用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以獲得近似理想的

4、過(guò)渡過(guò)程。對(duì)于直流調(diào)速系統(tǒng), 要獲得優(yōu)良的性能指標(biāo), 須對(duì)電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)基本狀態(tài)變量, 即電樞電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè), 并實(shí)行有效控制. 電流和轉(zhuǎn)速兩個(gè)狀態(tài)變量的檢測(cè), 是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制的必要條件。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接如下圖1-1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由圖1-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖可看出，兩

5、個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。 以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來(lái)靈活方便。數(shù)字控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成方式大致可分為三種：1. 數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng) 2. 數(shù)字電路控制系統(tǒng) 3. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主電路設(shè)計(jì) ：中小功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用橋式可逆P

6、WM變換器，圖4-1為調(diào)速系統(tǒng)的主電路的原理圖，圖中的左半部分是由6個(gè)二極管組成的整流器，采用不可控整流，把電網(wǎng)提供的交流電整流成直流電；中間部分是大電容濾波；右半部分是橋式PWM變換器。硬件電路結(jié)構(gòu)圖 微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，系統(tǒng)由主電路、檢測(cè)電路、控制電路、給定電路和顯示電路組成。 三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過(guò)直流PWM變換器的到可調(diào)的直流電壓，給直流電動(dòng)機(jī)供電；檢測(cè)回路包括電壓、電流溫度和轉(zhuǎn)速檢測(cè)，其中電壓、電流和溫度檢測(cè)由 A/D 轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)，轉(zhuǎn)速檢測(cè)用數(shù)字測(cè)速。微機(jī)控制還具備故障檢測(cè)功能，對(duì)電壓、電流、溫度等

7、信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析比較，若發(fā)生故障立即采取措施，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大，并同時(shí)報(bào)警，以便人工處理。數(shù)字控制器是系統(tǒng)的核心，一般選用專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的單片微機(jī)，配以顯示、鍵盤(pán)等外圍電路，通過(guò)通信接口與上位機(jī)或其他外設(shè)交換數(shù)據(jù)。這中微機(jī)芯片本身都帶有A/D轉(zhuǎn)換器、通用I/O和通信接口，還帶有一般微機(jī)并不具備的故障保護(hù)、數(shù)字測(cè)速和PWM生成功能，可大大簡(jiǎn)化數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。計(jì)算機(jī)控制單元 三相過(guò)零檢測(cè)電路： 為了達(dá)到與電源電壓同步的目的，除了可以使用鎖相同步電路外，還可以實(shí)時(shí)檢測(cè)電源電壓的過(guò)零點(diǎn)和頻率，根據(jù)過(guò)零點(diǎn)和頻率就可以跟蹤輸入的電源電壓的相位，實(shí)現(xiàn)同步輸入。PWM信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)： 鐘電路是用來(lái)產(chǎn)生AT89C51單片機(jī)工作時(shí)所必須的時(shí)鐘信號(hào)，AT89C51本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為保證工作方式的實(shí)現(xiàn)，AT89C51在唯一的時(shí)鐘信號(hào)的控制下嚴(yán)格的按時(shí)序執(zhí)行指令進(jìn)行工作 ，時(shí)鐘的頻率影響單片機(jī)的速度和穩(wěn)定性。數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)： 數(shù)字控制系統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所有的硬件也必須由軟件實(shí)施管理。單片機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件有主程序、初始化子程序、中斷服務(wù)子程序等。 主程序流程圖如圖所示。在主程序中，主要完成對(duì)各個(gè)可編程芯片進(jìn)行初始化和鍵