（控制理论与控制工程专业论文）基于数字触发控制器的大功率整流供电系统的研究与设计.pdf

摘要 随着计算机集散控制系统( d c s ) 能j 不断发展，将过程控制、生产 调度、经营管理集成为一个计算机集成制造系统( c i m s ) ，实现对电解 生产过程的计算机控制和管理，对降低系统能耗、提高供电质量、保 证系统高可靠运行、延长设备使用寿命均具有非常重要的意义。大功 率整流供电系统由多台三相桥式电路组成，其脉冲触发控制系统是整 个系统的核心。本文正是在这样的背景下，设计了一种智能化、网络 化的全数字智能数字触发控制器。 本系统的控制对象为并联多重化三相桥式电路，具有非线性、时 变、强耦合的特点，难以建立精确的数学模型。为实现高精度电流输 出，提出一种变学习速率及增益系数的单神经元自适应p i d 控制算 法；针对最佳整流效率控制，提出一种专家智能解耦算法用于控制角 口与整流变压器档位的优化配合，使其运行在最佳工作点。 本系统控制任务繁多，计算量大，实时性高，采用单处理器基于 前后台程序的传统设计已不太合适。因此引入嵌入式系统，研究了一 种基于嵌入式信号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 和嵌入式微控制器 m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b 的双c p u 系统。为m c u 子系统移植嵌入式操作系 统p c o s i i ，各种控制任务、网络通讯、人机交互以应用任务的形 式由操作系统统一调度；d s p 作为m c u 的协处理器，完成触发脉冲 的输出。 仿真和实践证明基于该数字触发控制器的大功率整流供电系统 整流效率高，稳流精度高，极具工程应用价值。 关键词大功率整流，数字触发，单神经元自适应p i d ，p c o s - i i ， 双处理器 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rd i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ( d c s ) ，p r o c e s sc o n t r o l ，p r o d u c t i o ns c h e d u l i n ga n db u s i n e s sm a n a g e m e n t a r ei n t e g r a t e di n t oa c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ( c i m s ) t or e a l i z et h ep r o c e s so fz i n ce l e c t r o l y s i sm a n a g e m e n ta n dc o n t r o l ，a n d i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei n r e d u c i n ge n e r g y , i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo f p o w e ra n de x t e n d i n g t h e l i f e s p a n o ft h ed e v i c ef o rr e c t i f i e r t h i s h i g h 。p o w e rr e c t i f y i n ga n dp o w e rs u p p l ys y s t e mi sm a d eu po fs e v e r a l t h r e e p h a s ef u l l - b r i d g e c o n t r o l l e dr e c t i f i e r c i r c u i t s ，a n d i t s t r i g g e r s u b s y s t e mi s t h ec o r eo ft h ew h o l es y s t e m u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，a n e t w o r k e d ，i n t e l l i g e n ta n de n t i r e l yd i g i t a lt r i g g e rc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d t h e p l a n t s ，s h u n t w o u n dt h r e e p h a s ef u l l b r i d g ec i r c u i t s ，h a v e c h a r a c t e r i s t i c so fn o n - l i n e a r ，t i m e v a r y i n ga n ds t r o n gc o u p l i n g ，i t sh a r d t oe s t a b l i s hp r e c i s em o d e l t h e a l g o r i t h mo fi m p r o v e da d a p t i v ep i d c o n t r o lb a s e do ns i n g l en e u r o ni s p r o p o s e dt oo u t p u tc u r r e n tw i t hh i g h p r e c i s i o n t oa c c o m p l i s ht h eb e s tr e c t i f i e re f f i c i e n c y , a ne x p e r ti n t e l l i g e n t d e c o u p l i n gs t r a t e g yi sp r o p o s e dt oo p t i m i z ea n da s s e m b l et h et r i g g e r a n g l ec t a n dt a pp o s i t i o no fr e c t i f i e rt r a n s f o r m e r , s ot h es y s t e mc a nr u n a tt h eb e s ts p o t t h es y s t e mh a sm a n yt a s k sw i t hg r e a tc a l c u l a t o ra n dh i g hr e a l t i m e r e q u i r e m e n t ，s oi t s n o ts u i t a b l et o a d o p tt r a d i t i o n a ls i n g l ep r o c e s s o r d e s i g nb a s e d o n f o r e g r o u n da n db a c k g r o u n da p p l i c a t i o n e m b e d d e d s y s t e m i si n d u c e da n dad u a l p r o c e s s o r ss y s t e mc o m p o s e do fo n e e m b e d d e d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 4 0a n do n e e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e rm c 9 s12 d p 2 5 6 bi ss t u d i e d t h ee m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e mp c o s - i i i sm i g r a t e da n da l lc o n t r o lt a s k s ，n e t w o r k c o m m u n i c a t i o na n dm a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o na r es c h e d u l e du n i f o r m l y b yt h eo p e r a t i o ns y s t e mi nt h ef o r mo f a p p l i c a t i o nt a s k s a st h es e c o n d a r y p r o c e s s o ro fm c u ，t h ed s pu n i te x p o r t si m p u l s e sf o rt r i g g e rs y s t e m s i m u l a t i o nr e s e a r c ha n dp r a c t i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sh i g h p o w e r r e c t i f y i n ga n dp o w e rs u p p l ys y s t e mh a sh i g he f f i c i e n c yf o rr e c t i f y i n g ， h i g hp r e c i s i o ni ns t a b i l i z i n gt h ec u r r e n ta n ds i g n i f i c a n tv a l u ef o rp r o j e c t a p p l i c a t i o n s k e yw o r d ss c rr e c t i f i e r ，s i n g l en e u r o ns e l f - a d j u s t e dp i d ，d u a l p r o c e s s o r s ，i t c o s i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了沦文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名盟日期：盘巫年篁月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南人学有关保留、使用学位沦文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位沦 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：盟扛聊签名班睦魄丝年且旦日 j| j 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景及其意义 第一章绪论 能源是现代社会前进与发展的物质前提与基础，节能降耗已成为全世界所关 注的主题。因此，如何提高电能的利用率具有重大的社会效益与经济效益。电解 是通过直流电的作用，使金属在电源阳极析出的一种冶炼金属的方法。现代大 型电解企业都为耗能大户，同时，电解工艺要求高精度的直流电作为生产要素。 冶炼行业广泛采用大功率晶闸管可控整流装置，在这些装置中，通过控制晶闸管 的导通角及变压器档位来改变电流，实现稳流控制及保证整流效率最优。因此， 开发大功率晶闸管整流电路的智能数字触发控制系统，对于获得满足工艺要求， 同时电能利用率高的直流电具有非常重要的意义。 晶闸管整流装置就是把供电系统的高压交流电变为低压直流电的设备，所以 大功率整流装置是电解槽赖以工作的一项关键电器设备，也是电解槽工作的技术 难点。目前，国内外对于电解过程控制的研究多从改进生产工艺过程着手 2 3 1 ， 往往忽视了直流供电这一环，本系统则正是从提高供电过程整流效率的角度来考 虑的。 株冶集团采用湿法冶炼技术生产锌”】，锌电解是锌湿法冶炼中的重要一环， 其生产工艺一个主要过程就是将锌液连续送入电解槽，加入相当密度的高精度稳 定直流电流，使锌在阳极板上析出。不难看出，锌电解必将耗用大量的电能。该 厂是中南地区用电大户，年用电量高达1 0 亿k w h ，其中约7 6 的电量用于锌电解。 电能占全厂总能源的6 5 以上。该厂每日锌的总产量是相对稳定的，所以总耗电 量也是相对稳定的。但由于锌电解工程中的负荷变化及工厂用电的分时计价，使 得一天中的电解直流供电量是分时段不同的。总厂调度室在综合考虑全厂生产负 荷和电价等因素后，协调分配一天中不同时段的直流供电量，随时给供电分厂发 出指令。把专家优化决策引入系统”1 5 】，并能进行实时控制，使多台楚流机组的 投运状况达到最佳配合，电流达到最佳分配，实现整流效率的提高，从而提高电 能利用率。该厂原有的系统，系列主电路一般由两台晶闸管与两台二极管电路并 联而成，对于晶闸管主电路，采用模拟触发装置或单片机触发系统控制；上层主 控制室为供电监视系统，各系列电流依靠熟练的工人即时分配，然后由有经验的 工人调整口角与档位使其既输出给定的电流，又使其工作在最佳运行状态。由此 可知，整个过程，从上层的各系列电流的分配，到底层a 角与档位配合都是靠人 工调整，具有很大的随机性，很难使整个系统时刻处在最佳状态。因此，很有必 中南大学硕士学位论文第一章绪论 要进行供电厂的数字化改造，而触发控制器的数字化改造是整个系统改造的基 础。 该系统基于可靠性、经济性和先进性的原则，包括整流机组电流全数字闭环 控制子系统、基于整流效率的系列电流智能优化决策控制子系统和供电运行大屏 幕监控子系统。其工作过程为：经上位机优化好的系列电流值及其各个机组的电 流值通过p l c 中转站转发给全数字触发控制器实现稳流输出，数字触发控制器亦 实现档位与口角的解耦控制，使整流系统工作在最佳运行工况；同时各种参数、 数值及每一个开关的正常或事故状态经由网络传送到主控制室，并最终显示在大 屏幕上，并且可对开关进行人工置位。在1 2 节中将详细介绍该系统的结构图。 1 2 整流供电优化与监控系统原理 株冶整流供电优化与监控系统是针对株冶锌电解整流七系列供电优化控制 系统开发的自动监控系统。系统基于双机双网冗余结构，与r t u 、m m i 组建而 成，实现遥测、遥信、遥控、遥调四遥功能，达到无人值班、大屏幕集中监视、 优化运行和稳流控制目的。 该系统包括两台整流变压器，一台是7 # ，另一台是8 # ，其中7 # 通过二极管 整流装置向直流母线供电，8 # 经过三相全控桥式可控硅整流装置向直流母线供 电。对于二极管直接调节档位，对于晶闸管安装有数字触发器，通过电流闭环控 制主电路输出高精度稳定电流，同时通过档位与导通角之间的配合使得整流电流 稳定可靠，且效率最优。 系统结构如图1 1 所示。首先由优化机发送每台机组电流给两台p l c ，由 7 # p l c 控制调节7 撑变压器的档位，同时实时采样机组电流，进行反馈判断，如 果超出所设定的误差范围，则进行调档，保证了电流的稳定。8 # p l c 根据给定的 机组电流发送给数字触发器，由数字触发器对8 - 1 、8 2 晶闸管的导通角口进行 控制，保证机组电流稳定且与给定电流相等( 在误差范围内) ，数字触发器会定时 判断采样电流和导通角，m m i 可对导通角范围进行更改设定，使导通角最佳。 如果采样电流超出误差范围或者导通角超出所设定的范围，当数字触发器调节完 毕，优化机将会判断总的系列电流，将反馈回来的系列电流与m m i 给定的系列 电流相比较，如果超出误差范围，则根据专家系统重新分配每台机组的电流，p l c 和数字触发器重新调节，同时判断七系列整流效率，保证整流效率大于一定的值， 如果效率太低，则系统将会从专家系统数据库中重新分配电流。 本文的研究重点为整流机组电流全数字闭环控制子系统，该子系统位于整个 系统的最底层，是实现整个系统的网络监控的基础。内容包括：主电路高精度直 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 流电能输出，口角与档位解耦，控制器软硬件实现，智能控制算法研究及功率因 数提高。 图1 1 株冶七系列控制原理图 1 3 电流波动及异常对电解的影响 国内外研究表明，电流波动在以下几个方面会对电解指标产生影响【6 7 8 1 系列电流波动使电流效率下降 槽 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 系列电流波动对槽电压及电流效率有直接影响，在系列电流无自动稳流装置 时，金属面的摆幅增大了，电解槽已不能工作在设定的理想极距下，而是加大到 阴、阳极问不致短路的最小极距，由此导致槽平均电压约增1 j n 2 ，于是增大了电 解槽的功率。在这样的电流下电解槽的热平衡将使电解质保持在较高的温度，从 而使电流效率降低。 2 系列电流波动使电能单耗增加 根据法拉第定律，单位时间内的金属产量与其槽电流平均值成正比，而电解 回路的电能损耗与其电流有效值成正比。显然，当电流波动时，回路电流的有效 值总是大于平均值，只有当电流波动值为零时，两者才相等。所以电流波动将使 电能损耗增加，这是一种无谓损耗。 3 电流波动时由于集肤效应而使槽内电流分布不均，导致阳极各部分消耗 不同，出现底掌不平，甚至阳极有局部脱落现象，电流波动对电解槽设备造成损 害。 4 在现代的计算机槽控系统中，均以槽电阻为控制对象，而槽电阻是通过 对槽电流和槽电压采样计算而得，电流波动则使采样不准，影晌槽控系统正确工 作，从而影响电解指标。 另外，若触发器异常导致突然停电时，电解槽中阴极上的锌板就会在反电势 的作用下反溶，因此在恢复供电时应优先恢复电解供电，一般情况下电解槽停电 不能超过2 3 个小时。稳定电流输出，避免电流出现振荡现象，减少电流稳定的 过渡时间，减少电流冲击对电解槽的影响是电解行业供电系统中降低能耗和提高 产量的重要手段。 目前更多的是对单机组的稳流控制1 9 , 1 0 , 1 1 ，本文研究的系统为几台机组直接 并联在直流母线上给负载供电，可以看出各机组之间的电流互相牵制，存在强耦 合；另外，档位与两台机组的控制角也有互相配合的问题，以便使其工作在最佳 工况，这两点在目前的大功率整流触发控制中均较少涉及，这也是本文的研究重 点所在。 1 4 国内外现状与发展 晶闸管亦称可控硅整流器( s c r ) ，它是目前工业中实现大容量功率交换和 控制的主要器件m i 。在我国每年投运的电力电子设备中，它是装机容量仅次于 整流二极管的功率半导体器件。移相触发器作为控制品闸管装置的一个重要部 件，其性能优劣直接关系到电力电子装嚣的性能指标，因而历来受到人们的重视。 我国现阶段大量使用的晶闸管触发器大致可分为如下几类： 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 模拟型 此类又有分立元件型和集成电路型。目前仍大量应用的多为集成电路型，如 k j 系列，k c 系列，t c a 7 8 5 ，美国爱尼普拉公司f c o g 6 3 0 0 触发板3 1 等。此类触 发器的同步信号多为锯齿波，因此须外接锯齿波电容及斜率调制电阻，经单独的 调制电路可输出脉冲列，能适应各种相控变流技术电路的移相控制要求，但它存 在硬件电路复杂，波形对称度差，电子元件易老化，有温度漂移等诸多缺点，且 由于无联网能力，所以在本系统无法采用。 2 数字型 国外发达国家已普遍使用数字触发器，它主要是由微处理器或大规模集成电 路实现。近几年来，国内的晶闸管数字触发器也取得了较大发展。研究出了一批 以单片机( 3 1 m c s 5 1 ，m c s 9 6 ) ，d s p ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，a d m c f 3 2 8 ) 为核心，集 控制，触发于一体的数字触发器1 1 4 15 1 。该类触发器多为单个单片机，或者单个 d s p 为核心的系统。也有不少采用工控机1 1 1 i ，嵌入式p c i 0 4 板结构。与模拟系统 相比，此类触发器有以下几个优点： 数字电路抗干扰，抗漂移能力强。 数字触发系统脉冲对称度好，不对称度 0 学习速率 u ( t ) 随过程递减的学习信号 常用的有以下类型： h e b b 学习型 q ( ) = h g ( ) 一( k ) 反映单神经元输入和输出的作用，使权重在达到限幅值以前尽快地加大，以 加快动态响应。 主元学习型 q ( ) = h g ( t ) ip ( 女) 一“。( 女) ( ) i 是具有自动约束权值的负反馈项的h e b b 学习型。 误差校正学习型 3 6 1 8 中南大学硕士学位论文 第三章智能控制算法的研究 q ( 七) = e ( 七) 一( 七) 在误差信号指导下进行强迫学习。 混合学习型 q ( ) = e ( k ) u 。( ) 一( ) 或 q ( 七) = p ( 七) “。( 七) 尸( 七) 一“。( 七) 1 ”( 七) 分别采用h e b b 学习型、主元学习型与误差校正学习型相结合的学习方式 这意味着在误差信号知道下对环境信息进行自组织来产生控制作用。 3 3 3 单神经元自适应p i d 单神经元自适应p i d 控制器 4 1 , 4 2 , 4 3 , 4 4 , 4 5 结构如图3 2 所示。 图3 - 2 单神经元自适应p i d 控制器结构图 图3 2 中误差信号经转换器转换以后得到单神经元的输入信号葺( k ) 、 x 2 ( t ) 、x 3 ( k ) ，即： x ( k ) = p ( 女) z 2 ( 女) = e ( k ) 一e ( t 一1 ) x 3 ( k ) = e ( k ) 一2 e ( k 一1 ) + e ( k 一2 ) 式中：e ( ) 为误差信号，e ( k ) = r ( k ) 一y ( k ) 。 神经元通过关联搜索来产生控制信号，即： “x ( 七+ 1 ) = “s ( 七) + “g ( j j ) 图中：k ( 女) 为神经元的比例系数，k ( ) o ；( ) 为对应于( ) 的加权系数。 从中可以看出转换器的输出x ，、x ：、x 3 分别对应于增量p i d 控制算式中的积分、 1 9 中南大学硕士学位论文第三章智能控制算法的研究 比例、微分输入，而加权系数w i 、w 2 、心对应着积分、比例、微分系数。单 神经元自适应p i d 控制器在控制过程中通过某种学习算法不断地在线调整3 个 加权系数，从而自动适应被控对象状态环境的变化，实现自学习、自适应功能。 因此该单神经元智能p i d 控制器是在线自适应p 1 d 控制器。本文采用有监督 h e b b 学习算法，其权值的修正算式为： w f ( ) = ( 1 一c ) ( 一1 ) + 叩，( t ) e ( 女) “。( ) x ，( 女) 式中：e ( k ) 为示教信号；c 为常数，且o c o 。由上式得： w l ( t ) 2w ( + 1 ) 一( 女) = 一c l w , ( k ) 一研( ) e ( ) ( t ) 一( ) 。j 如果存在函数对( 女) 求偏微分有： 掣叫吲咖味蝴) c 则上式可以写成： a w , ( t ) ：一。掣 a 上式表明，加权系数( 女) 的修正是按函数，( ) 对应于( ) 得负梯度方向进 行搜索的。应用随机逼近理论可以证明，当c 充分小时，( ) 可以收敛到某一 稳定值，而且与其期望值的偏差在允许范围内。 通过示教信号e ( k ) 的指引，单神经元自适应p i d 控制器不断地对环境信息 进行相关学习和自组织，使相应的输出项( 比例控制项、积分控制项或微分控制 项) 增强或削弱。为保证算法的收敛性和鲁棒性，需将上述算法进行规范化处理。 规范化处理后的算式为： ( 女) = ( t 一1 ) + a u 。( ) = “。( t ) + g ik 3 嘎( 七) _ ( 女) l l t = l j 嘎( ) = ( ) 1w ( ) 1 w l ( 女) = w i ( k 一1 ) + r 1 1 ( k ) e ( k ) u g ( k ) x l ( ) w a k ) = w 2 ( k 一1 ) + v ，( 女) p ( 女) “。( 女) t 2 ( 女) w 3 ( t ) = w a k 一1 ) + j i d ( t ) e ( t ) “。( k ) x 3 ( k ) 式中：叩，、分别为比例、积分、微分的学习速率，由调试确定。单神经 2 0 中南大学硕士学位论文第三章智能控制算法的研究 元p i d 输出的控制量“。( t ) 转换成触发控制角的定时值控制晶闸管触发。比较单 神经元p i d 与传统增量式p i d ，发现其输出形式完全相同，不同的是传统p i d 的 调节参数一经选定，便不能进行自适应调节，而神经元自适应控制则可根据误差 通过一定的学习算法来不断修正控制器的参数，使控制器适应受控对象结构参数 以及环境的变化。 单神经元p i d 控制器学习算法的运行效果与可调参数k ( k ) 、，7 ，、1 7 ，、7 ，的 选取有很大关系1 4 6 , 4 7 。根据大量实例仿真得到的控制效果，总结出以下参数调整 规则： 神经元的初始权值主要影响前2 个采样周期内的控制效果，对整个控制 系统品质的影响很少，仿真时取( o ) = ( o ) = 嵋( o ) = l 即可。 x ( k ) 是系统最敏感的参数，k ( k ) 值的变化，相当于p 、i 、d 三项同时 变化，所以调整参数的时候应当首先调整k ( k ) 。x ( k ) 偏大将引起系统响应超调 过大，而k ( 女) 偏小将使得过渡时间变长。因此，可先确定一个k ( k ) 的值，再根 据仿真的结果进行调楚。 若被控对象响应特性呈现上升时间短、超调量过大的现象，应减小v ， 其它参数不变：若上升时问长，增大，7 ，又导致超调过大，可适当增加仉，其它 参数不变；在开始调整参数时，7 ，取较小值，当调整k ( k ) 、r h ，7 ，使被控对象 响应具有良好特性时，再逐渐增大进行调整。 3 3 4 变学习速率及增益系数的单神经元自适应p i d 控制器 针对上一节对k ( 女) 、_ ，、1 7 。、佛选取方法的讨论，可以知道，k ( k ) 、，7 ，、 、玎，始终保持不变的系统存在较大不足，因此，采用偏差e ，偏差变化率e c ， 调节时问t 作为判断信息，按照上节的方法构造一个简单专家系统l ，在线修 改，7 ，、。具体实现如下： 置t = 0 读入1 若t 小 若e 大 若e c 小，则r h ，很火，仇犬，叩 小 若e c 中，则仉，很大，叩，大，r d 小 否0 ，7 p 很大，r ，中，r d 0 、 否则若e 中 2 1 中南大学硕士学位论文第三章智能控制算法的研究 若e c4 、，则仉，大，q ，大，小 若e c 中，0 叩p 大，_ ，中，_ d d 、 否则，r b 大，叩，中，小 ) 否则若e 小 若e cd 、，u 呷p 中，r h 中，_ d u 、 若e c 中，则叩p 中，r h 小，_ d 中 否则，r p 大，聃中，r h ) 小 ) 否则若t 中 若e 大 若e c 小，则刁p 大，q ，大，大 若e c 中，则叩p 人r 仇中，r d 小 否m 0 ，r e 很大，叩，中，7 d4 、 】 否则若e 中 若e c 小，则r p 中，r ，中，v d 中 若e c 中，则玎p 中，仉中，_ d 中 否则，r e 很中，7 7 ，j 、，r d 中 ) 否则若e 小 若e c4 、，则r p 小，仉中，人 若e c 中，则俳小，_ ，j 、，大 否则，仉，小，呷，小，r d 人 ) 否则若t 大 则r e 中，7 ，中，大 ) 否则 则大，7 ，4 、，大 中南大学硕士学位论文 第三章智能控制算法的研究 该算法中由于变学习速率的求取是通过判断语句和查表得到，故其计算时间 短，不会因此而影响整个算法的运算速度。一般地，k ( k ) 取值较大时，系统动 态起动快，上升时问短，但超调量大，调整时问长：k ( k ) 取值较小时，系统动 态起动慢，上升时问长，但超调量小。所以应当在响应初期取较大的k ( k ) 值， 以提高响应速度：而在进入稳态时，k ( k ) 应逐步减小到某一稳定值，以保证系 统不出现过大的超调量。本文采用非线性变换法对k ( k ) 值进行在线修改”卅： k ( k ) = k 。+ a r ( k ) 一y ( t ) r r 2 ( k ) 式中：k ( k ) 为k 时刻的k 值：k 。为k 的稳态值；a 为待定参数，一般先取k 的1 l o ，再根据控制效果进行调整。取偏差的3 次方是使偏差较大时k 较大， 以增加响应速度；偏差变小时，k 也变小，超调量也随之减小；当偏差趋向于零 时，k 趋向于稳态值。 3 4 整流变压器档位与口角的模糊解耦控制 在该系统中，由一台有载调压开关的变压器控制两台晶闸管桥式电路，两机 组之间，单机组整流变压器档位与口角之间都存在很强的耦合关系，当我们既需 要满足输出电流稳定跟随输入，又要求整流机组具有最优的整流效率时，必须消 除这种耦合关系。传统的解耦方法有状态空间解耦法，对角矩阵解耦法，自适应 解耦法等，他们都必须建立被控对象的数学模型，所以本系统采用传统解耦法难 以实现。基于神经网络解耦法无需建立系统精确数学模型，但是它也必须建立被 控对象神经网络模型，在实际应用中，也有一定的困难。本系统原有的模拟触发 系统依靠有经验的操作工手工调节整流变压器档位与0 角使之具有较高的整流 效率。本文在充分吸收工人操作经验的基础上，提出一种模糊解耦方法。 1，l， 1 i f 6 q 1 步乃 t h e n 升一档 z l t 口l 一 口】 口l m a x a n d 0 2 o t 2 q 2 m a x a n d _ 1 c7 钐删 1 给2 - 小i7 t h e n 档位保持 3 1 f g ( i m 。x 口1 。r 口2 。 口2 。r ，给l 一 一7 彩 o r i 犷1 2 t k 必 中南大学硕士学位论文第三章智能控制算法的研究 两台机组的控制角的限幅值口。一、q 。一口：。护口：。，电流步长7 、7 乡彳 由反复调试得出，不但满足高整流效率，又能保证有载档位避免或减少频繁调节。 3 5 多变量系统单神经元p i d 解耦控制 图3 3 两机组解耦控书 由于本系统为两台晶闸管与两台二极管并联在一起，尤其是两台晶闸管电路 的输出电流是耦合的，亦即任意一台晶闸管的输出电流不仅与本台的控制角有 关，还跟另一台的控制角有关，系统控制框图如图3 3 所示。实际上，各机组 采用的单神经元p i d 的结构是一样的，只是参数稍微有些差异。由于( ，) 一y ( ，) 的偏差决定了第f 个神经元的动作，只要偏差不减少到0 ，神经元就不会停止动 作，而继续进行关联搜索。只要k 的取值使得它有足够的搜索能力，它就能使 偏差减少到o 【3 7 i 。自适应神经元网络可使某个输出跟踪期望的给定值，实现静态 解耦。在保证系统稳定和神经元搜索能力的前提下，通过选择合适的比例系数 k ( i = 1 ，2 ) ，对于某些多变量受控对象，可使耦合减弱或得到对角优势。除了各 神经元的自适应外，可通过协调，相互关联和作用，来改善整个网络的学习，实 现对该多变量系统的控制。 3 6 仿真实验结果分析 采用m a t l a b s i m u l i n k 对以上设计进行数字仿真 4 9 5 0 , 5 1 。由单机组控制 对象的模型可知，干扰信号为一常量信号，对动态性能没有太大影响，为了仿真 简便，在仿真中将模型简化。为了仿真两台机组中的耦合，在仿真时，引入一耦 合矩阵，以下的仿真都是基于该耦合模型。图中纵坐标为输出电流，单位为千安 ( k a ) ，横坐标为时间，单位为秒( s ) 。 仿真结果表明，该控制系统既保持了常规p i d 控制的优点，又有自学习智 中南大学硕士学位论文第三章智能控制算法的研究 能特性，因而具有良好的控制品质和较强的自适应能力。 ( 图3 4 普通p i d 阶跃响应曲线 厂 图3 5 单神经元自适应p i d 阶跃响应曲线 图3 - 6 普通p i d 扰动响应曲线 中南大学硕士学位论文 第三章智能控制算法的研究 3 7 本章小结 厂 。 l y l f 图3 7单神经元扰动响应曲线 在介绍智能控制算法的基础上，结合智能控制算法在实践中的应用，设计了 多变量系统单神经元自适应p i d 及其改进算法取代传统的p i d 电流调节器，并 且讨论一种控制角t 2 与档位的模糊解耦算法。用神经网络的学习规则自动调整各 输入量的权重，单神经元就相当于变系数的自适应p i d 调节器，使系统的动态 性能只依赖于其误差信号，而不受或少受对象模型参数的影向。文章最后给出了 单神经元自适应p i d 与普通p i d 控制的仿真性能比较。 2 6 中南大学硕士学位论文第四章数字触发控制器硬件平台的研究与实现 第四章数字触发控制器硬件平台的研究与实现 4 1 概述 目前我国大功率晶闸管整流控制装置基本上采用传统的模拟控制技术或8 位，1 6 位单片机系统，在系统控制方面仅仅是单台机组电流控制，整流控制精 度较低。而国外大功率晶闸管整流控制装置大多相继采用了智能控制技术，在 系统控制方面已经把机组控制与生产工艺等控制有机结合起来。随着计算机网 络技术的发展，计算机监控和管理一体化技术已逐步应用于各种工业场合，晶 闸管整流控制技术也必须赶上时代发展的潮流。 该系统处理芯片的选择原则是性能满足控制的要求，并留有一定裕量；货 源充足，有功能强大的开发工具：集成度高，尽量减少外围扩展电路：抗干扰 能力强，能适应工业现场环境。一个完善的数字控制系统是以微型计算机为核 心，用软件实现稳流调节，触发脉冲产生及移相控制，保护与联锁，数字化的 显示和操作界面；并具有通讯接口，可与监控系统或d c s 联网。系统硬件结构 如图4 一l 所示。本数字触发控制由双c p u 组成，相应其硬件平台包括两个方面， 其中m c u 作为主控制器，d s p 作从控制器或者协处理器。后文将依次详细介绍 各模块的原理。 六路双脉冲 图4 1 系统硬件结构图 中南大学硕士学位论文第四章数字触发控制器硬件平台的研究与实现 4 2m c u 子系统 m c u 子系统需要满足以下条件： 1 强大的运算能力。人机交互，网络通讯任务都非常复杂的，因此对m c u 的 运算速度和运算能力有很高的要求。 2 充裕的存储空间。系统集成后，系统的复杂度增加，算法变的更加复杂，导 致的结果是软件代码成倍的增加，程序执行的时候也需要更多的内存空间，这都 需要很多的存储空间刊能满足整个系统的需求。以前的系统由于片内集成存储单 元技术的限制和成本的限制，片内一般不可能集成太多的存储空间，往往需要用 户通过m c u 的地址和数据总线进行扩充，这样会导致m c u 的1 0 接口的不足，而 且外部存取也会影响m c u 的总体运算速度。新一代的m c u 大多都集成有片内的 存储空间，使用方便，也不会影响m c u 的运算速度。 3 丰富的i o 接口。由于控制的需要，m c u 必须要有丰富的i o 接口，一方面需 要和p c 或者其他单元进行数据通讯，另一方面要采集更多的信号和状态量，用 于对系统的检测与分析。 4 良好的开发环境。不同的m c u 有不同的开发和调试环境，良好的开发和调 试环境可以提高系统的开发效率，提高实验的方便性，缩短实验周期。 m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b 是摩托罗拉1 6 位单片机h c s l 2 家族中的一员 s 2 , s s l ，它的处理 单元采用了1 6 位的s t a r l 2c p u ，典型的总线速度为2 5 m h z ，亦g l j c p u 执行一条 基本指令的速度。此单片机内嵌了很多资源，包括2 5 6 kf l a s h 、4 ke e p r o m 、 1 2 kr a m 、2 通道s c i 、3 通道s p i 、8 通道定时器兼有输入捕捉和输出比较功能、 2 8 通道1 0 位a d 转换器，8 通道p w m 输出，2 0 个具有中断唤醒的i o 端口，5 通 道c a n 2 0 总线接口和1 通道内部1 2 c 总线接口。本系统中，单片机总线不引出。 由于该系统采用双处理器结构，设计程序时，单片机与d s p 需要很好的配 合才能完成整个的控制功能。以m c u 为核心的人机交换模块主要包括单片机本 身初始化，键盘中断，液晶显示，c a n 总线，r s 4 8 5 通讯以及与d s p 并行通讯 各子模块( 注：部分功能暂未实现) 。 4 2 1 键盘与显示电路的设计 本实验系统共有1 0 个按键，其中包括一个复位键，一个保留，其他八个分别 为开环、闭环、远控、近控、手动、自动、升电流、降电流。为了节省i o 管脚， 8 根键盘线通过一片8 3 编码器芯片引入单片机，原理如图4 2 所示。显示采用7 个八段数码管显示电流值，控制角等信息；8 个发光二极管显示报警信号，控制 信号，状态信号。控制芯片为m a x 7 2 1 9 15 ”。m a x 7 2 1 9 是美国m a x i m 公司研 2 8 中南大学硕士学位论文第四章数字触发控制器硬件平台的研究与实现 制的紧凑型、串行输入、串行输出、共阴极新型l e d 显示驱动器。它一片芯片可 以驱动多达8 位7 段l e d 显示器、条型图形、或6 4 个单个l e d 。其片内有b c d 译 码器、多路复用扫描电路、段和数字驱动器、以及存贮每个数字的8x8 静态 r a m 。所有l e d 的段电流设定只需一个外部电阻来控制其与单片机的接口非常 简单，本文采用单片机三根i o 线模拟控制时序，原理图如图4 3 所示。 图4 2 键盘电路原理图 图4 3 显示电路原理图 中南大学硕士学位论文 第四章数字触发控制器硬件平台的研究与实现 4 2 2m o d b u s 总线通讯 m o d b u s 物理层采用r s 4 8 5 总线接1 5 ，电平转换芯片为m a x 4 8 1 。接口电 路主要考虑线路阻抗匹配，防雷击的浪涌吸收功能；并通过高速光电隔离电路与 单片机连接。 本系统中，单片机与上位机之间的通讯是通过串行通讯的方式来实现的，相 对并行通讯而言，串行通讯有使用简单，传输距离长的优点，虽然其传输速率不 高，但足以满足系统的要求。其电路原理如图4 4 所示。 图4 4r s 4 8 5 通讯原理图 4 2 3 档位调节模块 本系统采用可编程逻辑芯片g a l 2 0 v 8 b ，将1 4 位档位信号编码成6 位的压缩 b c d 码，其中高2 位表示档位的十位数，而l k 毛4 位则表示档位的个位数。编码后的 b c d 码经光电隔离器t l p 5 2 1 后通过输入缓冲芯片7 4 l s 2 4 4 输入到单片机进行处 理。三根口线作控制信号，包括远控近控，手动降手动升，自动调节。开出信 号主要有档位升，档位降，紧急停。电路原理如图4 5 所示。 中南大学硕士学位论文第四章数字触发控制器硬件平台的研究与实现 000 水悱削 。要v 。c c 在! j 第。 童o；4 鞔 l| ：工：0 ： ”0 3 0 4 。i 溪1 0 53鬟 8 ：0 1：0 1j ：i 二：0 ： - 回：“c m 3 蕊2 y 4 4 3d s p 子系统 图4 5 档位调节模块 d s p 子系统主要作为智能算法的处理器，本课题选择t i 公司面向电机专用 控制领域的t m s 3 2 0 f 2 4 0 ：占片。下面简要的说明和分析一下控制电路的各个部 分。 中南大学硕士学位论文 第四章数字触发控制器硬件平台的研究与实现 4 3 1 数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 简介 t m s 3 2 0 f 2 4 0 系列d s p 是t i 公司推出的基于1 6 位定点数字信号处理器， 它除了带有高性能的内核处理单元外，其优化的哈佛型结构能相互独立地控制全 速运行的数据和程序总线来最大限度地发挥处理性能，使得数据和指令同时得到 处理。t m s 3 2 0 f 2 4 0 有如下一些特点15 5 1 ： c p u 主要包括：3 2 位中央算术逻辑单元c a l u ，3 2 位累加器，1 6 位 1 6 位的3 2 位乘积并行乘法器，3 个定标移位器( s h i f t e r ) ，8 个1 6 位多功能的辅 助寄存器。 存储器：片内高达6 4 k 字程序存储器，6 4 k 字数据存储器，6 4 ki 0 寻址 空间，5 4 4 字数据程序双口r a m ，可扩展的外部存储器。 速度：时钟频率是2 0 m h z ，指令周期是5 0 n s 。 事件管理器( e v e n tm a n a g e r ) 包括：3 个1 6 位通用定时器；1 2 个1 6 位 的脉宽调制( p w m ) 通道；四个捕获单元。 带有串行通信口( s c i ) 和串行外设口( s p i ) 。 带有2 8 个可编程多组合的i o 管脚。 4 3 2 采样模块 本系统，为了实时监视系统的运行状况，以及控制电解电流的大小，我们首 先对系统相应的一系列运行数据进行测量，比如为了监视各晶闸管的运行状况， 我们对各晶闸管支路的电流、电压进行快速采样，然后通过这些数据画出电流、 电压波形图；为了控制电解电流的大小，我们对电解电流进行采样，然后根据一 定的算法，调整晶闸管的触发角从而控制输出电解电流跟踪预设电流血线。可以 看出，要想使监视、控制环节具有良好的效果，必须保证采样的快速和精度。另 外，滤波算法，保护算法，到底放在d s p 中还是m c u 中，有不同的选择，需综 合考虑。在本系统中，由于所需监测的电流、电压信号值比较多、所需控制的输 出也有六路( 六