（安全技术及工程专业论文）内燃机车微机控制系统的研究与设计.pdf

北京交通大学硕士学位论文 芯片为控制器，采用f e 总线，能够完成恒功率控制、大量数据采集、故障 诊断、系统管理等功能，能够完成较大的任务量，同时系统提供了r s 2 3 2 串行接口，便于系统的局部扩展。继d f 6 之后，大连所、株洲所和戚墅堰 工厂又联合攻关，成功地开发了d f l 。准高速内燃机车，该微机系统也采用 l n t e l 8 0 c 1 8 6 微处理器，软件设计包括：励磁给定、状态控制、故障处理、 自试验控制和显示控制等模板、机车具有牵引恒功、电阻制动恒流、粘着 控制、机电系统保护、运行参数和故障显示与存储、以及自负荷和自试验 检查等六大功能f 2 】。 综上所述，我国内燃机车应用微机控制技术已有了良好的开端。但从 总体上看，尚处于初级阶段，与国外先进车载微机控制系统相比，还有很 大的差距，主要表现在： ( 1 )由于机车某些控制单元开发技术难度较大，尚未全面进入实用 化，造成装车载微机系统应用领域较窄，与国外已实现全数字化控制有相 当大的差距。 ( 2 ) 没有明确一个比较实用、可靠和高效的微机串行网络总线协议， 车载微机控制系统进一步发展面临问题。 ( 3 )与国外先进车载微机系统相比，在采用最新微电子产品，提高功 能，减少体积，增强可靠性方面有很大差距，还没有一个完整的、系统的、 模块化的、可靠的硬件系统，产品技术档次低。 ( 4 )对微机系统软、硬件可靠性方面的研究尚不深入，加上目前微机 控制系统功能少，微机系统应用的整体优势尚未充分发挥。 1 3 车载微机控制技术的发展趋势 随着牵引动力的交流化和列车运行速度的提高，机车上采用微机实现 智能化控制的部件或装置也越来越多。各微机系统间的协调和信息交换显 的越来越重要，因此在微机系统问就需要进行通信。特别是对动力分散型 的动车组，各种辅助装置的控制和服务装置的控制都必须纳入到这个微机 控制系统中来吼列车的微机控制系统从本质上来说应该属于一种分布式计 4 纂一章缝谚 算机控制系统。 随赭强有力的微处理器的出现和控制网络的广泛成用，需蘩一个新的 列车控制系统的模型。这个模型应该怒将控制单元和网络有机地结合程一 起遗层次模型。这个结构模型甑括三层：列车艨，功能层和设铸层挣j 。 1 列车层地主要作用是决策。其最根本的魁标是控制列车运行的状态， 列车控制层还怒一个信息的接掰层，怒捌车和周围信怠环境的接口。出于 列车层的作用，可以使操作者谯操作时，只需发出一些简单的命令，丽不 必翔道命令由谶来执行，从控剃系统的这种透鞠性要求出发，列车层墩该 是一个本质意义上的分布式控制系统。 2 。功能层的主要任务是禳据剜车鼷绘出的命令对备功链子系统进彳亍调 控，在蒜个功能级上( 如牵引控制、制动控制铸) 保证运行要现直接数字 控制酌错能纯装置。设备层静主要功鼹免将现场酌各种求的实现。功麓层 是处在列车层和设备层之间的中间层次。因此功能层的网络必须起传输各 类数摇瀚作弼。包括交嫒静传输、消惑数据酌传输帮管理数攥的抟输。 3 设备层的设备魑指那些赢接面向现场完成i 0 处理或者是能实过程 变量实现数字化转换并将这些囊萋送缝功能瑶的响应静控蠢l 予系统，在菜 些场合下设备也能完成一些局部的单一自动控制。把设备连网是由现场总 线技术静发藤帮广泛庭矮煞结栗辨l 。 。毒本文的主要内容 在徽电子鼓术不叛发展静磐暴下，逶遘对魄分摄溜悫多耪车竣激褫控 制系统和参考大量文献，提出了一种内燃机车微机控制系统的设计方粲。 系统主处理器袋鼹先邀验3 2 位镞处理器，功能援磐模块采用最凝电予技本 和新型元器件设计，系统软件设计中引入了uc 0 s i i 嵌入式实时多任务 操作系统，使系统具鸯较裹的可靠性以及实时处理能力。本文瞧主要内容 安排如下： 第一章是绻论部分，分缨了事载微机控制系统的羹要性和因内、夕 鲢 发展现状，对课题的研究背景、课题的主要工作和现实意义等内容进了概 5 北京交通大学硕士学位论文 述。 第二章对辊车徽辍控鞠系统进行了努耩，套缓了系统懿主要功缝，徽 机控制系统原理和系统的总体架构设计，对各功能板进行了概述。 第三章对瓠车徽氍控翻系绕黢转茬裁策珞遴学了瓷窝，主要慧说臻了 数字p i d 控制算法，对系统控制度和采样周期进行了研究，详细分析了p i d 控制器参数熬定夔游怒，撵爨了基予逮黉算法豹p l 转参数整定方法，莽到 用l i a t l a b 软件进行了仿真研究。 籀嚣章阐述了瓿莩畿辍控裁系统硬转模块设计豹若予援拳鞠题羁方 法，详细说明了如何进行c p u 主控板、温度采集板、频率避采集模块以及 l 溅遽售扳懿设诗，势运透了系统襞馋撬予亳| | i 搓施。 第五章阐述了基于嵌入式实时多任务操作系统的机车微机控制系统软 俘设每l 方法，包蕤嵌入式实瓣操传怒统壤念靛奔绥，嵌入式实时掇箨系统 的移植以及嵌入式软件的编程方法。 最后是憨缝和震望。该部分对谂文进簿了总结，共旦搬出了一些毒德 解决的关键问题。 6 第二章机车微机控制系统分析 第二章机车微机控制系统分析 内燃机车出现至今已有九十多年的历史，其控制系统也经历了继电器 联锁控制、模拟控制、数模混合控制、计算机技术为主体的数字控制。目 前在新研制的机车中，国内外都毫无例外地采用计算机控制，各控制功能 已实现模块化。微机控制系统主要包括进行数据处理的微型计算机、程序、 存储器以及将微机与机车设备相连的数字量和模拟量接口装置。微机控制 能更方便地综合多种信号，实现各种复杂的逻辑控制及各种特殊规律的控 制，微机能完成各种控制算法，从而实现系统的最优控制。所以，采用微 机控制不仅可使控制系统结构简化、调试容易、成本降低、抗干扰能力增 强，而且可以采用更加先进的控制算法，从而获得良好的调节品质及控制 精度1 5 j 。由于器件集成度高，受外界干扰影响较小，且由软件执行机车的主 要控制功能和保护功能后，可靠性得以提高。 2 1 微机控制系统主要功能睛 ( 1 ) 牵引控制 在牵引工况下，微机保证柴油机在恒功率运行情况下，控制机车按牵 引特性运行。微机系统检测柴油机转速信号，计算机功率的给定值；检测 牵引电动机电压、电流信号，计算牵引电动机的功率并将计算结果作为反 馈值；将电压、电流、功率的给定值与其反馈值分别比较，根据其偏差分 别进行p i d 调节运算，根据运算结果，输出p w m 信号控制励磁机的励磁 电流。 ( 2 ) 电阻制动控制 在电阻制动工况下，微机柜保证在不超过最大制动功率情况下，控制 机车按制动特性运行。微机柜在动车高速的一段范围内保持制动电流恒定， 在低速的一段范围内保持励磁电流恒定。 ( 3 ) 防空转，滑行控制 粘着控制系统是与牵引电动机转速相关的控制系统。在每台牵引电动 7 北京交通大学硕士学位论文 机上均安装商电机转速传感器用以测量牵引电动机转速。转速传感器器信 号羧鑫动校蠢，竣黎涂由予瘗蒺蔼产生懿各轮径箱爻孪差雾。微税控潮连续 地检测所有轴的速度，并进行比较，如果速度差大予预置的限制值，就将 藏露稍瘦懿觳沙、躐少麓磁鞠凄率等校正霖护。 i 4 ) 主要保护功能 柴漓撬系绞保护；皴撬艇对柴渎凝戆转涟、辊漓爨霹滋疫、窭臣袈溢、 机油压力、燃油压力、曲轴箱压力、水箱水位等信姆进行监控，根据故障 懿不露程度袋取楣敷麴糅护接麓。 电气系统保护：微机柜对主发电机的电压、电流、磁场电流，牵引电 魂撰瓣邀浚、磁场港漉、转速、主壤鼹接遮瀑电等绥弩透露监控，缀撂藏 障的不同严爨程度采取相应的保护措施。 f 5 ) 故哮诊甑、记录秘爱示 微机持续地通过传感器梭测动率电气系统地电流、电压、频率信号和 柴濑机系统的 曩度、压力馈号，与骥受门限蠖相魄较。懿聚捡测裂豹监控 参数超限，则产生故障信息，并将此信息送到显示屏，同时采取相应的保 护动馋著记袋放障。当机车故障被攘除后，微枧梃搬提赦簿的不圈，产尘 相成的复位方法。 2 2 微机控制系统原理 机车微梳控制系统是一个多处毽器控制系统，徽机所熊控制的功能范 围很大，可以实现机车的恒功率控制、空转检测、柴油机工况参数检测、 辅枫工况检测及其京控制功髓等，并协调机车各部分的运行，实现机车的 特性控制。 各释模拟量由传感器取得信号，经信号调整使其量值邋合于a ，d 变换 的范围，再供微机主控单元采样；数字信号经光电隔离后邋微机主控单元； 徽梳主控单元稷据预定静撩铡算法对这些模撅量和数字蛩进行赴理和煎 测，再经d a 变换输出模拟控制信号，经脉冲控制器和功率放大，输出晶 溺警簸发掰鬻静辣狰，簸两实现徽瓤控翻。 8 第二章机车微机控制系统分析 机车微机控制系统原理图如下所示： 图2 1机车微机控制系统原理图 2 3 微机控制系统总体架构设计 微机控制系统的电气参数如下【9 l ： ( 1 ) 数字量信号： o 一3 0 v 为逻辑“o ” 4 5 1 1 0 v 为逻辑“1 ” ( 2 ) 模拟量信号： 高压通道为0 1 1 0 v 低压通道为0 1 0 v ( 3 ) 频率量信号：1 0 一1 0 0 0 0 比 其中有6 路为过零信号，6 路为不过零信号，对过零系统信号，允许 峰值为2 1 7 v 1 0 0 0 0 h z 2 3 1 微机控制系统总体结构 微机控制系统采用集中控制的方式，由c p u 主控模板和各功能模板组 成。其总体结构如图2 2 所示 9 北京变通大学硕士学位论文 图2 - 2 机车微机藏翩系统总体结构黼 2 3 2 微视控制系统各模板臻麓概述 ( 1 ) 3 2 位c p u 主控鬏 主控模板采用3 2 位微处理器，移植嵌入式实时操作系统，使系统具有 较强戆实露楚瑾麓力，巍竞残数据采样窝憝瑾、掇率蒋蛙羧裁控铡疆及敖 障诊断。 ( 2 ) 数字量竣入叛 数字量输入板负责采集机车部分数字量输入信母，由带光电隔离的数 字输入瞧爨憋+ 1 1 0 v 的逻辑售号转换残霸鼍逻辑彀乎，然瑟经系统总线传 给微机主控模板。 图2 3 数字量输入 l o 第二章机车微机控制系统分析 输入模板的信号共有1 9 个，如下： 牵引工况； 制动工况； 主手柄零位； 磁场削弱线圈正端信号； 磁场削弱负端信号； 空气制动信号； 励磁接触器i c 接通信号； 制动接触器z c 接通信号； 自符合工况； 1 6 号牵引电动机切除信号； 曲轴箱超压信号； 柴油机工作信号； 1 # 、2 # 空滤器阻塞信号； ( 3 ) 数字量输出驱动板 微机主控模板经系统总线控制m o s f e t 驱动车上的中间继电器和接触 器，所有驱动器与控制电路隔离，并加以锁存。 图2 4 数字量输出 输出信号共有8 个，具体如下： 磁场削弱接触器驱动； 柴油机停机继电器驱动； 1 1 j 0 京变远大学联士学健论文 报警指示灯驱动； 自动撤沙阀驱动； 二级空气制动驱动； 故障励磁继电器驱动； 空转撒沙指示灯驱动； 备角驱动 ( 4 ) 模拟扩展插件板 扶多路模缀量输入中选择一路输出，溺予扩展模拟量输入信号的通道 数，输入信号的选通幽传感器板给出，可选通十六路输入信母中的任意一 路。输入信号有两种：电聪信号和毫流信号。 r 1r 2r j 鞠2 5 模越扩惩 焚有1 4 潞，麴下： 1 6 号牵g 电动税逄橇魄流； 电阻稍动瓣窀璐辊磁场寇流； 妻发亳壤输出瞧藤； 獭磁枫整流输滋嘏压； 主手鼷电压： p 藏端；l ( 涤魂端； + 2 4 v 瞧源；一2 4 v 嗽溅； ( 5 ) 转黪器输入缀设诗为秀浃校，羹中一块必滋度采集板) 1 2 第二章机车微机控制系统分析 图2 - 6 传感器输入 励磁机整流输出电压： 主发电机磁场电流： 励磁机磁场电流： 接地漏电流； 柴油机油进口温度传感器输入信号； 柴油机油出口温度传感器输入信号； 柴油机高温水系统进口温度传感器输入信号： 柴油机高温水系统出口温度传感器输入信号； 柴油机冷水系统进口温度传感器输入信号； 柴油机冷水系统出口温度传感器输入信号； 热交换器出口水温度传感器输入信号； 柴油机机油进口压力传感器输入信号； 柴油机机油出口压力传感器输入信号； 1 # 、2 # 增牙器机油进口压力传感器输入信号； 机油滤清器进口压力传感器输入信号； 燃油滤清器出口压力传感器信号； ( 6 ) 频率量输入 通过可编程定时器8 2 c 5 3 测定输入频率值，通过f p g a 与总线接口， 实现数据通信。 北窳交通大学娠士学位论文 图美7 频举摄输入 频率输入信号肖； 柴油机转速； l 2 # 糟疆梳转逮； 1 2 # 冷却风确转速 i 6 # 牵孳| 毫秘梳转速信号； ( 7 ) 瀚磁控制税 图2 8 励磁输出 赫磁控制袄完成机车主发电机励磁机励磁p w m 控剃臻号的驱动输出。 c p u 通过系统总线对8 2 c 5 4 的p w m 输出宽度进行调整，经光电隔离后由 放大繇节输出，从丽按铷翩磁机的励磁电流，达到调整牵弓l 发电枧输出瑰 率的斟的。 1 4 第三章机车微机系统p 控制策略 第三章机车微机系统p i d 控制策略 3 1 机车励磁控制系统原理 3 1 1 恒功率调节系统 在机车运行中，恒功率调节的主要任务是：当司机控制器主手柄不变、 柴油机在一定转速下时，随列车运行阻力不断变化，使同步主发电机输出 电流、电压能满足恒功率的要求，充分利用柴油机功率。 柴油机的最大运用功率与同步主发电机经硅整流柜输出的电功率之间 的关系，可用下式表示： b = 1 0 0 0 ( 。一6 ) ，7 f 仉- u f + ，f 式( 3 - 1 ) 式中：p r 牵引发电机直流测的功率( w ) ； c 一柴油机有效功率( k w ) ； 疗一由柴油机所驱动的辅助设备所消耗的功率 w ) ； 叮厂牵引发电机的效率； _ 1 7 厂一硅整流柜的效率； 【7 r 一整流后的牵引发电机电压( v ) ； ，厂整流后的牵引发电机电流( 。 机车辅助功率m 主要由牵引电动机通风机、冷却风扇、空气压缩机和 机车辅助设备用电等组成，一般与列车运行情况无关，当柴油机转速一定 时，最大辅助功率可近似认为是常数，刀，和口。的变化也很小，可以认为 是不变的。 从公式3 一l 看出，要保持柴油机额定功率帆不变，当机车辅助功率 一定时，同步主发电机经主硅整流柜输出的功率p f 应接近一恒定值，即其 外特性应是等边双曲线【8 1 。 北京交通大学硕士学位论文 琢 u e p m 口x ( 耵鼯) 秽童 c f = 。 城 i “唾m 0 5 i 。1 8 爨3 一l 牵g l 发耄撬熬堰凌率豁姆瞧惑线 因为同步主发电机和硅凝流柜都商最高电压假秘最高电流俊的限制， 因l 毫同步主发电橇的理想外特性就不怒无限延伸的双曲线，而炬如图3 一l 的a b c d e 所示。 网步主发怒援经主磁整流框轮惑激流瓣大小，敬决于辫车豹运行阻力， 同步主发电枫经整流蓐竣出的电捱的大小毒电概转速默及劢磁磁逶戒迸 比。在固定转速时，唯一可以进行调节的就怒同步主发电机的励磁磁通螈。 而磁通蝴取决于励磁电流f 阢。因此，同步主发电机实现恒功率特征的调 节，窑震怒辩箕勋磁电滚瓣调节。 为了褥到溺步牵g | 发电极懿瑗憨多 特瞧，必矮锼翩磁遮浚淹若受载电 流的变化而变化。圈3 3 是根据牵弓l 发电机的外姆性( 图3 2 ) 两做燃的当 牵引发电机的调整特性。 糯j l 再l 施 圈3 2 牵引发电弧的外特性图3 罅牵g l 发啦机的调整特性 1 6 第三章极苇疆极系缝p l d 控$ 蠛略 当柴油机的输出功率等于受载的总功率时，柴油机平衡在一定的转速 下工作。一旦出现扰动，负载发生变化时，机组原来的平衡遭副破环，负 载阻力矩与柴油机的输出转矩失去平缀。这一现象首先反映在机组转遮的 变化上。通过测量机构测出这一变亿，再通过放大机构机构并由执行机构 使同步m 主发电机的励磁电路产嫩作用，使负载的总功率恢复服位。此时， 柒油税的转速保持不交，郅柴油祝的功率恒定不变。 3 1 2 恒功率融磁控制系统的基本工作源理 蠹燃税车徽视控锈系统的主要任务之一就廷对秘车遮功率励磁使牵 引发电机按照理想外特性运行的励磁控制系统称为恒功率励磁控制系统。 绫自交调节纛璩豹角霾来分析，这些羧糊系统均耩予溺环控翻系统嘲。 任何闭环系统均是基于“棱测偏差，纠j 下偏差”的原理工作的。典理 戆篷葫搴藏疆系统热下图辑示。 r 1r l 辅助装置e = = 二蔓柴油机l 。_ j l n 一 图3 4 控制牵引发电机输出功率恒定的励磁系统 绘窥信号擎元：出它发遗秘车备手辆位露豹凌率绘定绩号g ，麸瑟绘 出了各手柄位时柴油机或牵引发电机的功率值。 检测攀元：凌窀检滚牵弓| 发整撬辕滋款实辩功率。猃测荤元输出熬检 测信号j 与牵引发电机实际输出功率成正比。 滋较巧节：它瓣据爨是将凌搴捡溅镑号歹与葫率绘定信号g 遴行跑较， 得出偏差信号p f 送往调节器。 p l d 调节爨：它的装缝与整令裁磁系统载动、静态 鹭蠡毒缀大关系。 励磁调节：用来调节牵引发电机励磁电流的装置。 i 7 j k 京交通大学硬士学位论文 被调对象：在内燃机车恒功率励磁系统中，被调对象成该是紫油枧。 柴油机功攀的调节是逐过溪节牵霉 发怠搬功率寒达到豹，因| l l ：只鬟要 把牵引发电机褥作被讽对象。 3 2 闭环p i d 控制算法设计 系统的p i d 控制算法设计，实际上就是p i d 控制算法的选择和优化以及 投据控制对象特经，确定对象的采梯蠲期和控制度。遥过实验，逸酸最合 适的控制算法和采样率，以取得最佳控制效果。 3 2 。1 闭环p i d 攘稍算；轰 密予：i 鼗年来镞梳控制技术韵迅猛发展，实际应蜡中大多数采翔数字p i d 控铡器，其巾主要鸯以下蕤嵇l l o 】： l 、链鬣式p l b 控嘉l 算法 l 是于计算捉是一 孛采榉控剃，宅笊鹱鬏攒采群瓣剡浆偏慧值计算羟铡 量，爨就攒按p i 玲控制簿法串翡积分和徽分矮不麓蠹接往用，需要遴行离散 化处璞。璎戳一系列戆采榉时豢4 点k t t 表连续瓣润下，娃弱式代替积分，激 增量载替微分，舞孽哥佟懿下远戳变换： f 一女r( k = o ，l ，2 ，) 型e ( 3 2 ) 上e ( f 婶_ r 篆e ( j r ) r 荟e ( ，) 式( 3 3 掣；堂坠挚堕型。嫩幽式( 3 棚 出?r 式中，t 为采梯周期。 盟然，上述离散化过程中，采样周期t 必须足够短，才能保证密足够的 糖嶷。隽书霉方便，将8 嵇) 箨让表零戏啦) 等，鞠省去t 。离散熬p l 转表这 式必 1 8 第三章机车微机系统p i d 控制策略 “( ) a k ， e ( 七) + 号妻e ( j ) + 孚 p ( 女) 一e ( 七一1 ) 】 式( 3 5 ) 由于计算机输出的u ( k ) 直接去控制执行机构，u ( k ) 的值和执行机构的 位置是一一对应的，所以称式( 3 4 ) 为位置式p i d 控制算法。 2 、增量式p i d 控制算法 所谓增量式p i d 是指数字控制器的输出只是控制量的增量( t ) 当执行 机构需要的是控制量的增量时，可由式( 3 4 ) 导出提供增量的p i d 控制算式。 根据递推原理可得 “( 七一1 ) - k ，e 一”+ k ，薹8 ( ，) + k 一1 ) 一e 一2 ) 】 式( 3 6 ) 用式( 3 4 ) 减式( 3 1 0 ) ，可得 a “( 七) = 爿p ( 七) 一四e ( 一1 ) + c b ( 七一2 ) 式( 3 7 ) 式中爿喝( 1 + 号+ 争 曰吗( 1 + 2 c 哆户 式( 3 6 ) 称为增量式p i d 控制算法可以看出，由于一般计算机控制系统 采用恒定的采样周期t ，一旦确定了k 。、k ，、k 。，只要使用前三次测量 值的偏差，即可由式( 3 一儿) 求出控制增量。 两种算法的选择：( 1 ) 从执行器形式来看，位置算法的输出除非用数字 式控制阀可以直接连接外，一般需要经过d a 转换为模拟量，并通过保持电 路，把输出信号保持到下一个采样周期的输出信号到来时为止；增量式算 法的输出可通过步进电机等累计机构化为模拟量。( 2 ) 从应用方面来看，采 用增量式算法手动自动切换都比较方便，因为它们可以从手动时的“m 1 出 发，直接求取在投入自动运行时应该采取的增量l l 似) 。同时增量式控制算 法不会产生积分饱和现象，因为其求出的是增量，即使偏差长期存在，“似1 1 9 北京交通火学硕士学能论文 一次次的输出，使执行器达至n 极限位鼹，但只要e ) 换向，妇 ) 也立即换 向，输出立即脱离饱和状态，当然加上一些必要的措施，手动自动切换和 积分饱和闯艨在位鬟算法中也可以褥到解决。 3 2 ，2 系统控制度和采样周期的研究 l 、系统控制度 离散p i d 控翻算法与连续p i d 控制算法稻比有不少优点，例如，p 、i 、d 三个作用是独立的，可以分别整定，没有模拟控制器参数闻的关联憾问题； 利用计算机实施时，等效的、可以在很大范尉内自由选择；积分作用 霹微分终爰豹菜些羧进更惫爰溪多炎。篷楚，人憾农实践中也发瑗，螽采 用等效p i d 控制参数，离散p i d 控制晶质往往较连续控制差【1 l l 。 圈3 5 连续与离散系统的比较 翔图3 。l 鹃夔线l 巍连续p l d 控铡瓣控喜器麴竣懑，焦在阉撑倘整与p i 登 参数下，离散p i d 控制器输出曲线如2 所示。曲线2 可通过各线段中点的连线 来遮铗，可潋看凄，它毙连续控期葵推迟一浚薅润吾瓦。这就是说，采用 离散p i d 控制时，等效予在连续控制殛路中率接了一个f 一去躲的时游环- 节， 第三章机车微机系统p i d 控制策略 这样当然要使系统品质变差。由此出现了控制度这个术语【1 l 】。 赫胁篙笨。嚣 式( 3 一1 3 ) 中的下标肋c 和a 纠分别表示离散控制和连续控制，m i n 项 是指通过参数最优整定而能达到的平方积分鉴定值【1 2 1 。 2 、微机系统采样周期 微机控制是一种采样离散控制，它是根据采样时刻的输入量来计算控 制量，因此采样周期是微机控制系统的重要参数，它对于在线控制的作用 至关重要。 为保证系统有较好的动态品质，可从采样定理的角度来分析采样周期t 的上限取值。采样定理的内容为：采样频率珊。应大于或等于原信号频谱最 高频率的两倍，即芑2 一。对于反馈控制系统而言，系统工作信号的最 高频率珊。：限制在该闭环系统的带宽之内，故采样定理又可叙述为：系 统的采样频率苫2 【1 3 】。 在k 。、耳、不变时，控制器的比例、积分、微分作用受到采用周期 t 的影响。当t 过小时，控制器出现以下现象1 1 3 】： ( 1 ) 比例作用减弱。式( 3 6 ) 中，k 。k ) 一8 一1 ) 】为比例项，t 很小 时，某些时刻的p 似) 有可能很小，使得比例控制作用可能小到微机的精度 和纠d 、d 朋的分辨率难以反映的程度，从而减弱了比例作用。 ( 2 ) 积分控制失效。式( 3 6 ) 中，巧导。( 七) 是积分项，其作用是消除或 1j 减小静态误差。当采样周期t 太小时，若积分时间常数l 又较大，积分项有 北京交通大学硕士学位论文 可能小到机器难以反映的程腱，被当作零处理，使积分作用失效。 ( 3 ) 徽分作用太强。式( 3 6 ) 中，置，争k 辟) 一蕾辑一d + 啪一2 ) 】为微分顼， 它在一定范豳内起阻尼作用，改善系统的动态特性。艇当采梯周期l _ j 建小时， 使微分作用嚣，孚较强，对商频干扰十分敏感，导致系统性能变化无常。 3 2 3p i d 改进算法的实现和验证 在实际控制系统中，尤菸在单片机控制应用中，选用增最算式只需保 夺鼹次最近熬溅试镶，占鼹姿潺少，运算熬雄，显遮簿量穗对较少，控裁 方便，故应用更为广泛f 1 4 1 。本节对p i d 的增量式算法进行详细的分析，用“+ ” 表示瓣控制爨豹增热终建，一”表示慰控铡量酌减少终用，“0 ”液示对 控制嫩的变化无贡献。增量式中每一项的控制作用对控制量的影响见表 3 一l 。 幽表3 一l 中可以看出，p i d 算法不仅对偏麓和斜率即变化率有控制作用， 露且对斜率的变化鄹燕速度像毒一个缀好蛇控毒4 作建。实黪上，增鬃控利 算式和位置算式的物理意义怒有区别的。因为在一个单位采样时间内增量 式本囊已具蠢对时闻微分的意义，因此等式表边与饿置冀式相对应的项都 分别热有了单位时间内增量的意义。因而x 。、k ，、k 。所对成的项分别相当 予徽分、篦秘、二次徽努的懑义，分麓实我蹲璃应速度、偏差琵铡、响斑 加速废的控制作用。屡然习惯上仍把k 一置。、髟分别称作比例系数、积分 系数、微分系数，但增量式中对实际控制系统的控制意义是：k 。项是有关 被控嶷纯速凌的量，是控翻响应时间的项；鬈i 是有头差值比例的项，该项 也是弓l 起超调懿主要燕因，瓣射也楚控制蛹废眩趣懿缀重要翡一璎；爱。矮 为控制有关响应的加速度的项，与鬣。同属惰性项。该项对稳定点附近的惰 第三章机车微机系统p 控制策略 表3 1 在不同情况下备控制项对控制增量的作用 = i 竺窆霎 x d 世e ，k p 址。k i e n 系统状态、 巳 巳一1 p 。巳一1 吒一2 e p 。- 1 + + - 巳巳一1 巳一2 巳 o e 巳一1 且 + 巳- 1 一2 p 月巳一1 且 + e 月- 1 e 。一1 巳巳一1 巳一2 巳 p 。一l + 岛q _ 1 巳一： j - e 。 巳一1f i e n 一1 p 月一2 气 巳一1 吒一2 气一1 o o e n 一1 + p 月一2 o + 0o 巳一2 0 o 性控制作用要比k 。项大，由表中可以看出，当，该项对u 仍有控制作用a 北京交通大学硕士学位论文 所以该项是甜系统愤性控制作用最强的一项。蜃ok 、砭三个系数饿越大， 对系统的控制作用越强。由于k 矿茂、屹三个系数的控制效能不同，相互 裁约，敲震簧耱互懿合才麓达翻较好鹬控翻藏采，这同薅逡增大了p i p 参数 调整的难度。 3 3p l d 控制器参数整定 3 3 1p i d 参数整定的原则 针对一个具体系统，不论是常规调节器还是计嚣机控制，设置和调整 p ! 娶参数+ 筏调苓遭稷达羁瀵意豹鑫溪，统称秀谖节嚣参数整定。裁蘧已经 讨论了各个环节对调节过程的影响，在此基础上，辩p i d 参数整定的原则不 难确定【1 5 】： ( 1 ) 如果广义对象的传递函数怒k 一“o 瓦s + 1 ，调节器的比例增益是 k 。整个系统总的开环增益是k 懿。 ( 2 ) 奁潞态参数方覆，可取b 磊锋努特征蓬，b 忍越大，系绫越不 容易稳定，因此配威该小一些。 ( 3 ) 在p 、i 、d 三个作用中，p 作用往往是最基本的控制作用。眭j 这一 点出发，往经采用琰绣凑试豹方法。 ( 4 ) 积分的引入有利有弊。应当尽量发挥它能消除余差的利，尽量缩 小它不剥于稳定鲍弊。 ( 5 ) 微分的引入是为了解决高阶对象的过度滞厨对调带过程的不利影 穗。在多数辚瀑下，在弓l 入b 俸震爱，疋霹滚滋萃筑豹p 箨蠲对瓒热一些。 ( 6 ) 对于禽有噪街的过程，不宜引入微分作用，否则高频分量放大得很 孬害。在有黧流量控制系统，反两弓l 入反微分佧蔫。 第三章机车微机系统p i d 控制策略 ( 7 ) 在控制品质方面，稳定性的要求是前提。如只有一个调节器参数可 以调整，那可在衰减比之外，再添加一个指标。例如在采用p i 调节规律时， 要达到规定的衰减比，可以有各式各样的墨组合，最适宜取鲁最大的 一组数值。原因是： 吣扣 扪埘 不论是设定值变动还是负荷变化，要建立新的稳态并实现无静差要求， v h 是一个与k 。无关的定值，此时孔= 乳。+ 乳1 = v “1 ( e ；o 所以 p 。 v “，2 。等越大则严越小即偏差随时间的积分值越小在一定程 度上也可以认为品质越好。 ( 8 ) 不论是随动系统或定值系统，闭环后的系统应该有足够的稳定裕 度。然而，对衰减比的具体数值，不应该是完全一样的要求。 ( 9 ) 如果采用经典控制理论来分析，特别是在随动情况下，整个闭环系 统可以近似地看作是一个典型的二阶环节，超调量仃、衰减比n 与阻尼系数 之间的关系可以用下列关系式表示： 盯。e x p ( _ n 亭、再) 。】i 式( 3 一l o ) n ，培扛了j 3 3 2 常用的p l d 参数整定智能方法 式( 3 1 1 ) 自适应控制运用现代控制理论在线辩识对象特征参数，实时改变其控 制策略，使控制系统品质指标保持在最佳范围内，但其控制效果的好坏取 决于辩识模型的精确度。这对于复杂系统是非常困难的。因此，在工业生 产过程中大量采用的仍然是p i d 算法，p i d 参数的整定方法很多，但是大 多数都是以对象特征为基础。 北京交通大学硕士学位论文 1 、模糊自适应p i d 控制 餐毙p 韵控铡怒把杏典豹p 转控裁与瘫送豹专家控翻系统葙缝合， 实现系统的最佳控制。这种控制必须精确地确定对数模型，酋先将操作人 虽f 专家，长麓实黢积累匏经验秘知识建控豢l 藏霁l 旗激纯，然嚣运趸搬理霞 可对p i d 参数实现最佳调整。 枣子搽俦老经验不客弱犍疆攒述，控裁避疆中鑫耱售号黧戳及译徐掺 标不容易定摄表示，模糊理论是解决这个问题的有效途径【1 6 j 。所以人们 运惩攘凝数举豹基本理谂秘方法，搬巍爨翡条 粤、搽捧爱摸襁集表零，著 把这些模糊控制规则以及有燕信息( 评价指标、初始p m 参数等) 作为知识 存入诗算壤知识瘁中，然蘑诗鼙爨搬据控凝系统熬实际曦溆情嚣( 鼙专家 系统的输入条件) ，运用模糊推理，即可实现对p i d 参数的最佳调懿，这 就是模糊基逶应p 彩控制。摸巍基逶应p m 控裁爨嚣蔻骞多秘结梭形式， 但其工作原理基本一致。 图3 6 自适应模糊控错0 器结构 自适应模糊p i d 控制器以误差e 和误蓉变化作为输入，可以满足 不同时刻的e 和e 。对p i d 参数自整定的要求。利用模糊p l d 控制规则在 线对p i d 参数进行修改。便梅成了国适应模糊p i d 控制器，其结构图虹 圈3 奄 2 、利用自适应神经元计算p i d 参数整定式 自适应线性元件( a d a p t i v ek n e a fe l 啪c n t ，简称a d d i n c ) 怒早期 申经网 络模型之一，其神经元有一个线性激活函数，这允许输出可以是任意值。 勇羚，它采蠲w - h 学习法粥，氇称簸小垮方差往m s ) 规翼对权值逡行训 第三章机车微机系统p l d 控制策略 练，从而得到更快的收敛速度和更高的精度。 一个线性的具有r 个输入的自适应线性神经元模型如图所示【1 8 1 ，这个 神经元有一个线性激活函数，其偏差可以作为网络的一个可调参数，提供 额外可调的变量以获得期望的网络特性。线性神经元可以训练一个与之对 应的输入用输出的函数关系，用具有单输入的自适应神经元( 如图所示) 即 可寻求被控对象参数与p 参数与r 之间的关系式。 基 图3 - 7a d a l i n e 神经网络图3 8 单输入自适应神经单元 在图中，令p 分别等于妄、号、，a 为毒一。k 利用表3 1 的数据按w - h 规则对神经元的权值及偏差进行训练， 可以得到权值w 和偏差b ，如表3 2 所示 被控系统参数与p i d 控制参数的关系为： 熹扎仍7 + o 。，z s ( 毒- o - ) k ir 1 争= o z z z 。s s sp )r ir i 等一o 7 + o s s ，仔) r p lr pj 对象参数与最优p m 参数的关系如图3 9 。 式( 3 1 2 ) 第三章机车徽机系缝p l d 控剁策略 每一码链表示一个个体，表示优忧问题的一个勰。如果x 有1 6 种可能取傻， 则可以用4 b i t 的二进制硒。0 0 0 0 - n 1 1 来裘示，将托y ，z 的基因码缀合在一起， 形成染夔缍。 ( 2 ) 产生初始群体 | 翊潜，陡凝产生巍个令薅缀残豹褪始器嚣 国，这个雾薅代表了俊织润 题的一牲可能解的集合。当然，一般说来，他们的素质都比较麓，g a 的任 务赣是钛这些瓣俸出发，模拟褒然进织熬过程，凌矬劣汰，最螽褥爨嚣褰 优秀的群体和个体，满足优化的要求。 0 ) 浮徐 按编码规则，将群体p ( t ) 中的每一个体綦因码所对应的自变量取值 如，麓，z ；) 筏入式( 3 1 幻，冀出英薅鼗德奠，i 固，l n ；霉越丈，表示该令 体有较晦的适威度，熨适应于f 所定义的生存环境，适应度为群体进化时 的选择提供了依据。 ( 4 选择簧露1 ) 按一定概率从群体p ( t ) 中选取m 对个体，作为双亲用于繁殖后代，产生 毅的个体船入至下一代鼗体p ( 1 + 1 ) 中，一般选择概率霸适应瘦戒正毙，裁是 说，适合于生存环境的优良个体将得到更多的繁殖后代的机会，从而使优 良特性褥默遗传，选择廷遗传舞法的关键，它体现了自然爨中逡者生套懿 舰律。 ( 5 ) 交叉 对于选中的用于繁殖的个体对，随机的选择交叉点n ，将双亲的染德体 链扶馥缎器交羧，妇个体x ，y 在3 戆经爨交叉蹩残薮个体盖：y ，它弱缀合 了父辈个体x ，y 的特征，即 x z 石，并：髫。茗。盖，酗l l 】y x e 墨嚣垂l l 删 $ 北京交通大学硕士学位论文 蔗一x 。并，z 。并，5 蝴】y e k k ，：珏 1 1 1 1 1 】 交叉体现了自然界中的信息交换。 旧变异 以一定概率己从群体p ( 1 + 1 ) 中选取若干个体，对于选中的个体，随机地 选取菜一位鞭反，帮由0 羁l ，由l 至豹。司鸯然赛一撵，交异豹概率； 常小。 变异模拟了生物进化中的基因突变现颧。g a 的搜索能力主要是由选择和交 叉赋予静，交舅鄹缳证羹法筢搜索戮簿空鬻瓣经篱一熹，秩瑟镬绣祭迭裂 全局最优，它进一步增强了0 a 的能力。 3 4 3 遗传算法用于p l o 参数整定1 1 、确定解空间 漂用珏燧最优竣定方法，粗略的计算出薹国控豢参数k 扩、弧秘r 垆。 并在此基础上确定出三个参数各自的搜索范阐，i k p 岫，k p 。嗣、【t j 曲，t i 。舡】、 l t d 蜮。，i 毽。胡e 对典型的p i d 控制器，针对各种指标函数得出了最优p i d 参数整定的算 瓣 法，本文采翔疆龉壤翼| j ，辩于最优猜标了一p | 秭| 毋，希龌j 趣小越好。 6 被控瓣象受一除蠼瞧缝漳蓐系统，戴对典型鞭d 缝搀蠢经验公式： 略一等，尸 五一南 毛= 4 3 r 丁户3 对不同啦的范潮，式( 3 中参数选取如表3 4 所示。 第三章机车微机系统p l d 控制策略 表3 4 设定点p i d 控制参数表 r r 范强 a lb l；娩b 28 3 b 3 o 1 lj 0 4 20 8 9 7o 9 8 7一o 2 3 8o 3 8 5o 。9 0 6 1 1 21 1 哇2一o 5 7 90 9 1 9一o 1 7 20 3 8 4o 。8 3 9 由此可求出p l d 控制参数k 矿、砸+ 和t d 4 ，向左右两边拓展可得到p l d 控制参数k p 、ti 和t h 的求解空间。其中口为【o ，1 】内选定的值： 式( 3 1 8 ) 2 、选择编码方法 对p i d 控制器的三个参数k p 、t i 、t d 分别二进制编码得到三个子串，再 连成一个完整的染色体构成遗传空间中的个体，形式为： 【k p ，骶，t d 】一脚f b 蜘1巩n l尉k 财，】 三个参数k p 、t j 、t d 子串长分别为1 蚧l i i 、l l d 每个样本长度为l 。根据参数 的取值范围和子串长度对参数进行解码，例如对k p 有： 印= 印m + ( 耋印，屯“】墅奇式 d 3 、适应度函数 目标函数选为误差积分性能指标中的觚： ，5 户) i 斫 式( 3 2 0 ) 式( 3 - 2 9 ) 中e ( t ) 为被控对象输出值与设定值的偏差，将其离散化： j 2 荟俐 式3 。2 1 f ：厂一。 【o 式( 3 2 2 ) 嘞妒咖托翳 叫 叫 叫 北京变通大学琐士学位论文 目标函数j 的值越小越好，因此癸求目标函数的最小馕，按照式( 3 2 2 ) 转他为适应度函数f。褒遗按冀法运褥过程孛，为了黪止裂厦期收敛遴度跨低，采用对适应度函数进行线性调攘。4 、遗传进化 遗传进化采用簇本遗传算法的改进算法，可以提高收敛速度，保证收 敛懿。遗传进化完成臌，输出：最优个体，褥到pid控铡器的激优参数殛、 弧、t d 最佳用于实际对象的p m 控制系统，其阶跃响应输出的性能指标r n 揽 匿墅拉鍪描竖霰簸蚕氅囊藿? 薹，奏鋈薹囊羹冀羹薮鏊鐾羹器薹塑鋈篓羹| | | 妻| 过霪问羹臻傅督囊群r 童翳鏊必暨曼雾燕辎“奢肾稻剥烈基。鳖趔翼 眚硪计数器同镬辖作囊爨羹球曰篓嘉嚣罐箍鬟辨二渺趟吲融淄攀曼蒜罂j 濒姑 吲蓬旧淋；懿宙搭然后对计数器； 挥阜熙照哩臻贾薹薹j 鬟鋈皤雾妻蓄型| 夔墓菁譬塞冀囊薹些”氧箱 妇 正常的读命令。 4 3 2 频率量采集板接口电路设计 本文没计的接口硬件电路主要由a t 9 6 总线、8 7 5 1 、传感器调理电路、 f p g a 逻辑译码电路等组成，硬件结构如图4 9 所示。 图4 - 9 硬件电路接口框图 5 1 x 第三章机车微机系统p i d 控制策略 7 。 | |。鲷识对葛i 阶跃l向皮 d | ，崎阶 y 帮i ，li 唧盥 阶跃输入 u 12 了 4bb 7b9 图3 1 1 辨识后对象阶跃响应曲线 其次根据经验公式( 3 1 7 ) 和表3 4 ，可以得到最优设定法的p i d 控制参数 为：k p = 3 0 6 8 ，t i = 2 1 6 8 ，t d = o 2 2 9 ，参数的解空间为k p 【o 6 1 4 ，5 5 2 3 】， t i 【0 4 3 4 ，3 9 0 2 】，t d 【0 0 4 4 ，o 3 9 4 】。 遗传算法的p i d 控制参数由遗传算法工具箱优化得到，试验的参数设置 为：群体规模为1 0 0 ，进化代数为3 0 ，交叉概率为0 8 ，常规变异概率为o 0 1 ， 各参数的编码长度都为8 ，个体长度为8 x 3 = 2 4 ，集中因子为o 7 ，解空间参数 为0 8 。得到p i d 控制参数为：k d = 2 0 4 2 ，砸= 1 9 4 6 ，t d = o 1 0 6 。 用最优设定法和遗传算法得到的p l d 控制参数及系统单位阶跃响应性 能指标值如表3 5 所示，系统单位阶跃响应曲线如图3 1 2 。 表3 5 两种运算结果比较图 整定方法 k p t i t d 超调盯过渡时间 最优设定 3 0 6 82 1 6 8o 2 2 93 3 6 3 s 遗传算法 2 0 4 21 9 4 6o 1 0 61 6 3 3 s 由表3 5 和图3 1 2 可以看出遗传算法整定要优于最优设定法整定，阶跃 响应具看较小的超调量，较短的过渡时间，系统控制效果较好。 2 1 8 6 4 2 ， 0 0 0 0 第四章机车微机控制系统硬件设计 4 2 温度采集板的设计 温度采集板是机车微机控制系统的重要组成部分，它主要完成温度信 号的采集，并实现数据的转换和发送。 4 2 1 测温方案的论证与选择 方案的不同直接决定系统硬件的繁简程度，根据温度检测的实际情 况，温度采集主要有以下几种方案可供选择【2 7 】。 第一种方案是各测试点的温度值经过测温元件热电偶、热电阻等，被 转换为电信号，这样得到的信号经前向调理电路、多路模拟开关及a d 转换电路，由单片机控制通道a d 转换，分时对电压信号进行循环采样和 a d 转换。它的优点是测温范围广，选用合适的测温元件可以检测一3 0 0 3 0 0 0 。但是其一方面单片机外围电路比较复杂，a d 转换器件需要占 用多个i 0 口，这无疑使得有限的i o 口在设计时显得较为局促；另一方 面，当传感器的引线比较长时，导线上的电阻可能会造成很大的测量误差， 并且在电磁环境比较差的场合，会存在较大的高频干扰。 第二种方案是使用在温度测控领域中有广泛应用的二端式半导体温 度传感器a d 5 9 0 、l m 3 5 等，将采集到的电流信号经多路a d 转换器送入单 片机，由单片机控制数据的采集和转换。例如a d 5 9 0 ，它的测温范围为一5 5 一+ 1 5 0 ，工作电压为+ 4 十3 0 v 。由于a d 5 9 0 是种电流型的温度传感 器，因此具有较强的抗干扰能力，适用于计算机进行远距离温度测量和控 制，远距离信号传递时，可采用一般的双绞线来完成；其电阻比较大，因 此不需要精密电源对其供电，长导线上的压降一般不影响测量精度，不需 要温度补偿和专门的线性电路。同方案一一样，它仍然具有电路连线复杂、 功耗大及需要占用较多的i 0 口线。 第三种方案是采用数字式温度传感器，将采集到的数字式的温度信号 直接送入单片机进行处理。此种温度传感器兼有测温和a d 转换的功能， 输出值是数字信号，所以不必使用a d 转换器和相关的接口芯片，能够直 4 3 挑京交通大学硬士学位论文 接谶入单片机进行数字处理，硬件电路非常简洁。当然其媳鸯缺点，简单 的瓒律接口是以相对鬟杂斡接口编程为代馀懿，由于只有一掇逶遗线，信 号的传递是采用脉冲的形式进行的，与单片机的接口协议是通过严格的时 序求实凝的，诲贝i j 其将不鼹工作。 基于以上论述，本板卡设计以方巢一为基础，采用r 如( 电阻式温度 检测) 接感瓣葶秘芯片a d ? 7 1 1 进行温度聚集，可以消除方案一熬缺点，其毒 测鬣糟度高、性能稳定的特点。 劁解7 1 1 怒美躐a d 公司撼出酌种商分辨率的敬路模数转换器转， 采用s i g m a d e l t a 技术实现2 4 位无丢失码操作，具有抗干扰能力强、受噪 声环境澎晌小