（电气工程专业论文）基于196单片机控制的新型原动系统仿真器及其软件设计.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r i m em o v e rs i m u l a t i o ns y s t e mi st h ei m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h ep o w e r s y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o n i ts i m u l a t e st h er e a lp r i m em o v e r ( h y d r a u l i ct u r b i n ea n d s t e a mt u r b i n e ) a n di t sg o v e r n o ri np o w e rs y s t e m ，s oa st os t u d yt h eb i gd i s t u r b a n c e q u e s t i o na n de l e c t r o m e c h a n i c a lt r a n s i t i o np r o c e s si nt h ep o w e rs y s t e m c u r r e n t l y , t h e d o m e s t i cp r i m em o v e rs i m u l a t i o ns y s t e mi ss h i f t e dg r a d u a l l yf r o ma n a l o gc o n t r o lt o a n a l o ga n dd i g i t a lh y b r i dc o n t r 0 1 t h a t i sc o n d u c i v et oo v e r c o m i n gt h es h o r t c o m i n g s ， s u c ha st h ec o m p l e x i t yo fi t ss t r u c t u r e ，t h ee a s ya g i n go fi t se l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ， s u s c e p t i b i l i t yt ot e m p e r a t u r ea n dp o o ra n t i - ja m m i n ga b i l i t y t h es i m u l a t i o ns y s t e mo f g o v e r n o rm e n t i o n e di nt h i sp a p e ra d o p t sd i g i t a ld e s i g nc o m p u t e rp r o g r a m ，i tu t i l i z e c o m p u t e rs o f t w a r et or e p l a c et h ef u n c t i o no fa n a l o g u ec i r c u i t a b o v es h o r t c o m i n g so f a n a l o g u ec i r c u i ta r ew e l lo v e r c o m e t h er e l i a b i l i t ya n da u t o m a t i o nd e g r e eo ft h e p r i m em o v e rs i m u l a t i o ns y s t e ma r ei m p r o v e da l s o f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ep r i m em o v e rs i m u l a t i o ns y s t e m ，t h em a i n r e s e a r c hw o r k ，a n dt h es o u r c ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h et o p i ca r eg i v e n t h e nt h e h a r d w a r es t r u c t u r e ，p r i n c i p l e ，a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i g i t a lc o n t r o lp a r ti nt h e p r i m em o v e rs i m u l a t i o ns y s t e ma r ei n t r o d u c e d i na d d i t i o n ，t h eb u r n i n gm e t h o do f a d d r e s sd e c o d i n gi np l d c h i p si sa l s oi n t r o d u c e d t h ed e s i g ni d e aa n dp r o c e s so ft h e m a i np r o g r a ma r ep r e s e n ti nt h ep r i m em o v e rs i m u l a t i o ns y s t e m t h er e s o u r c e sa n d p r o g r a m m i n go ft h ei n t e r r u p t i o ni nt h e8 0 c 19 6 k ca r ei n t r o d u c e dd e t a i l e d l y t h e d i s c r e t i z a t i o np r o g r a m m i n gi sa n a l y z e dd e t a i l e d l yi nt h eg o v e r n o rm o d e lo fs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mt h a tt h eo i lm o t i v a t i o nm o d e lo fh y d r a u l i ct u r b i n ee x i s t s q u a n t i z a t i o ne r r o rd u r i n gi n t e g r a ll o o p ，a f i x e dd e p o s i tb yi n s t a l l m e n t s m e t h o di s p u tf o r w a r d t h es h o c k i n gp r o b l e mi nh y d r a u l i ct u r b i n eo p e r a t i n gi sr e s o l v e di ns o m e e x t e n t ，w h i c hi m p r o v e st h er e s p o n s es p e e da n dc o n t r o la c c u r a c yo fs y s t e m t h er a t e s u d d e nc h a n g i n ga n dt h ei n s e n s i t i v er e g i o n so ft h es p e e dm e a s u r e m e n ti nt h ed o u b l e p u l s ea r ea n a l y z e da n dd e m o n s t r a t e d ，a n dt h es o l u t i o n st h a tt h es l o ts i z eo f t h eg e a ri n s p e e dm e a s u r e m e n ti sr e d u c e da n dt h et i m eo fs p e e dm e a s u r e m e n ti sl i m i t e da r e p r o p o s e d m o r e o v e r , i no r d e rt oi m p r o v et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fs y s t e m o p e r a t i o n ，t h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ef i l t e r sa r ed e s i g n e di na n a l o ga c q u i s i t i o na n dt h e e x p e r i e n c eo f t h ea n t i - j a m m i n gi ns o f t w a r eo p e r a t i o na r ed e s c r i b e di nd e t a i l f i n a l l y , h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e b u g g e da n dt h em e t h o d so fd e b u g g i n g i i i 基于1 9 6 单片机控制的新型原动系统仿真器及其软件设计 e r r o r si np a r to ft h es o f t w a r ea r es u m m e du pi nt h i sa r t i c l e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s h o w st h a tt h es y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni sf e a s i b l e k e yw o r d s ：t h ep r i m em o v e rs y s t e ms i m u l a t i o n , s i n g l e c h i pc o n t r o l ；h y d r a u l i c t u r b i n ep r o g r a m m i n g ；a n t i - ja m m i n g i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： p 稚日期：呷盯日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 月月 期p 年铲， 彳一如 期期 队 雏叼笔 辱，叫i p、彩 硕上学位论文 第1 章绪论 国民经济和工业生产的迅速发展对电力系统提出了越来越高的要求，电力系 统正在不断的发生变化：发电机组的容量越来越大，远距离电力传输的电压越来 越高，电力网( 输电网和配电网) 的区域也越来越大。相应，在理论上和实践上出 现了许多待解决的问题：各种新型的理论需要加以验证，各种新技术和新设备需 要进行试验等等。而由于电力系统对其运行的安全性和可靠性有很高的要求，因 此在实际电力系统进行实验常常受到很多限制，不可能进行充分广泛的实验，有 些实验甚至是不可能在实际系统中进行。电力系统动态模拟是解决这一问题的重 要方法之一，也是对实际电力系统进行研究、设计、和运行的一个重要有力的实 验工具。 电力系统动态模拟的内容很多，对原动机( 水轮机、汽轮机) 及其调速系统的 模拟是其非常重要的一个环节，也是研究现代电力系统运行及其过渡过程时所必 须考虑的。 1 1 课题背景及目的 电力系统安全稳定运行对社会经济的发展至关重要，随着社会工、农业的发 展，对电力的需求越来越大，相应电力系统规模的也在不断扩大，单机容量的提 高，电力系统正朝着大型联合电力系统的方向发展，这是世界电力系统发展的大 势所趋，也是我国电力工业发展的趋势。如今，许多大的电厂相继投入运行，标 志着全国性的跨大区域联网已经成为现实。因此，在实践中会出现许多需要解决 的问题，各种新技术和新设备进行试验，但由于现场条件的限制，许多测试在现 场无法实现，因此创建电力系统动态模拟实验室，利用实验室的电力模拟设备复 现现场运行情况来研究电力系统及其运动规律是非常必要的，而原动机及其调速 系统是电力系统的重要组成部分，对电力系统的暂态稳定性具有显著作用，因而 设计性能优越的原动机及其仿真装置就极为重要了。 在研究连续物理系统时，一般采用如下三种研究方法：理论分析、实物试验和 模拟研究。其中，模拟研究是指建立起被研究的物理系统的模型，通过对模型的研 究来得到原系统的物理规律的研究方法。 电力系统物理模拟( p h y s i c a ls i m u l a t i o no fp o w e rs y s t e m ) 是根据物理相似理论 及其相似基本定理建立起来的电力系统物理模型晗，3 1 。电力系统物理模拟由专门设 计和制造的电力系统元件组成。由于它能够复制电力系统的各种运行情况( 包括稳 态和各种过渡过程) ，因此，它是研究电力系统的重要工具之一。 基于1 9 6 单片机控制的新型原动系统仿真器及其软件设计 电力系统物理模拟的内容或元件包括：1 原动系统( 包括水机、汽机及其调速 器) 。2 同步发电机、同步调相机及其励磁系统。3 电力变压器。4 输电线路。5 负荷以及系统中其他元件的模拟。 本课题是湖南大学与中国电力科学院、许继电气集团和南京南瑞继保电气的 合作项目，并得到湖南省2 0 0 2 年自然科学基金资助。它是将微机控制技术和仿真 技术结合起来，引入到同步发电机原动系统仿真模型中而成为新一代的原动机仿 真系统，主要包括调速器仿真和原动机自平衡特性的仿真n 1 ，综合了原动机仿真 系统数学模型的己有成果，进一步完善硬件电路和软件设计。着眼于利用计算机 控制技术，采用数字化方案，通过计算机软件去实现和取代一些模拟电路的功能， 以克服模拟电路的缺点。此外还设置了液晶显示器和人机通讯接口，可将原动机 仿真系统的运行参数以数字信号的形式传输到监控系统或者p c 机，操作直观、 便于监视，利用新的算法防止水轮机中油动机时间常数过大而造成的积分整量化 误差5 1 。 1 2 国内外原动仿真系统研究状况 我国5 0 年代初由前苏联援建第一座电力系统动态模拟实验室以来，原动系统 仿真器的更新主要体现在电力电子技术的应用和控制技术的发展，它经历了三个 阶段： 1 直流电动机一交流扩大机方式，现已淘汰。 2 直流电动机一晶闸管直流传动一模拟控制方式。其主电路为晶闸管三相可 控整流，控制电路由专用模拟计算机组成，这是7 0 年代开始、目前仍使用最多的 形式。 3 直流电动机一晶闸管直流传动一数模混合控制方式。9 0 年代中期，开始 研究用数字控制实现原动系统仿真，进入2 0 世纪，数模控制原动系统仿真器研 制成功开始少量投入使用。 国内关于原动系统仿真器的研究工作相应地围绕上述三个阶段展开。 第l 阶段：5 0 6 0 年代，电力系统动态模拟处于初步建立和理论学习与使用 阶段，国内仅中国电力科学研究院和清华大学等少数几家电力系统动态模拟实验 室。这一期间清华大学高景德、郭淑英等教授翻译或撰写了相关著作和论文。 第2 阶段：7 0 9 0 年代，直流电动机一晶闸管直流传动一模拟控制方式。国内 电力系统动态模拟实验室的数量逐步增加，8 0 年代初已超过2 0 家。这一期间， 清华大学、中国电力科学研究院、南京自动化研究院、天津大学、华中理工大学 等院校和湖南大学等，改造常规晶闸管直流传动装置，加入自行研制的专用模拟 计算机，构成模拟控制原动系统仿真器并在各自动模实验室使用。1 9 8 5 年，天津 大学郑玉森教授在天津大学学报率先公开发表关于原动系统仿真的研究论文叩1 。 2 硕十学位论文 自1 9 8 9 年始，湖南大学研制的模拟控制型原动系统仿真器在国内多家动模室应 用，使这一研究成果首次进入国内市场。 第3 阶段：动模原动系统仿真进入数字控制的新时期。在19 9 5 年全国高校电 力系统学术年会论文集上，湖南大学与清华大学分别率先发表了数字控制原动系 统仿真的研究论文。 2 0 0 4 年，清华大学、华中理工大学和湖南大学相继研制成功数模控制的原 动系统仿真器并在各自动模室和国内其他动模室投入应用。 国外，前苏联根据电力系统动态模拟理论和相似定理，于1 9 4 5 年建成世界第 一座电力系统动态模拟实验室；在查阅相关文献时发现，俄罗斯权威刊物电工学 文摘杂志1 9 9 4 第1 1 期收录在湖南大学学报发表的论文“原动机调速系统仿真模 型动态特性研究 ，未见国外英文科技期刊关于电力系统动态模拟的相关研究论 文；这从一个侧面说明俄罗斯和东欧比较重视电力系统的动态模拟试验研究，欧 美等国家注重电力系统的计算机数学仿真试验研究。 1 3 原动系统仿真器的发展趋势 电力系统动态模拟应用范围的扩大，以及电力系统新的运行方式和新型自动 调节装置的大量采用，对原动机模拟的要求也相应提高。例如，调速系统的不断 改进以及新型调速系统的采用，使得调速器动作的灵敏性明显提高，因此可利用 原动机的按程序调节，或按运行参数的偏差及其导数的调节来提高系统的动态稳 定，这时，原动机模拟仅仅考虑其静态特性是不够的，还必须考虑水锤效应( 水轮 机) 和容汽惯性( 汽轮机) 等动态特性。 由于电力系统非同步运行、系统综合稳定和系统的综合自动控制等新研究课 题的提出，要求全面模拟原动机及其调速系统。在这种情况下，系统的过渡过程 时间加长( 可达几秒到几百秒) ，电机转子的速度变化范围变大，这时原动机及其调 速系统的非线性可能对过渡过程产生较大的影响，因此，要求原动机和调速系统 的模拟能够正确地反应这些非线性过程。 速度越来越快，其实时性将会大幅提高， 且随着微处理芯片的高速发展，其处理 数字式的固有弱点将会进一步减小，以 及价格越来越低，全数字化的原动系统仿真器将是未来的发展趋势，数模混合式 控制技术提高了速度控制精度，加强了保护功能，增设了诊断技术，在控制技术 上取得了进步，然而，原动机自平衡特性控制部分仍然采用模拟式。因此，并未 完全解决模拟式控制所固有的问题。 全数字控制电路包括速度调节、电流调节、移相触发等环节。这种数字式直 流调速系统以高速微机为基础，不仅在稳态精度上，而且在动态特性上都优于模 拟控制。 进入8 0 年代以来，关于电力系统动态模拟中的原动机仿真系统，经历了模拟 3 基于l9 6 单片机控制的新型原动系统仿真器及j e 软件设计 控制、数模控制两个阶段。随着控制技术日渐成熟，模拟控制将逐步被数字控制 所取代，控制技术的重点已从模拟式转向数字式，并且发展相当成熟，模拟式调 速器是由运放构成的比例器、微分器、积分器或它们的组合电路共同实现的。而 这些电路完全可以通过微机来实现，它较之模拟调速器有明显的优越性口1 ： 1 可靠性高 数字调速器的器件高度集成化，整套控制电路基本上由微处理芯片取代，使 控制器向小型化、轻量化发展，全套控制系统硬件大幅度减少，并且数字式控制 器可以增加自诊断自组织功能，c p u 监视各环节，发现问题，组织对策，提高系 统的可靠性。数字式调速器即使出现故障，由于控制电路主要由集成块组成，也 可用相同芯片替换，维修方便、快捷。 2 环境适应性强，抗干扰能力强 模拟式控制系统控制规律是采用运放和分立元件组成的积分、微分等电路来 实现的，其电路受温度漂移和元件老化的影响而使特性变化。而数字式控制器的 控制规律是在微处理机内部由程序来实现的，其受温度、元件老化等的影响很小。 因而稳定性大大提高。例如，模拟式调速器由于零点漂移的原因，每次开机需通 电预热，而数字式调速器则可省去这些工作。 3 控制精度明显提高 模拟式调速器由于运放的非理想性而造成计算误差，而使其控制精度低，一 般只能达到干分之几。而数字式调速器采用双字节运算，计算精度可达万分之一， 因而数字式调速器可以反映速度的微小变化，其控制精度大大高于模拟调速器哺1 。 4 直观性好 数字式控制器使调速器向智能化发展，数字调速器通过小键盘实现水汽选 择，参数输入等。并通过液晶显示屏显示出来，调整简单，人机对话方便、直观。 1 4 本文主要研究内容和创新点 本项目将微机控制理论和仿真技术结合起来，详细地研究和分析了以1 6 位单 片机8 0 c 19 6 k c 为核心的原动机及其调速系统仿真器的功能和特点。完善了数字 化控制原动机系统仿真的硬件电路，编写和修改了系统部分软件，对调试过程中 出现的软件和硬件问题进行了深入分析和改进，中国电力科学院和许继电气集团 公司的现场调试和应用，证明了该系统的可行性。 本文的主要研究内容如下： 1 查阅大量国内外相关文献，资料，建立反应原动机( 即汽轮机和水轮机) 及 其调速系统主要动态特性的通用数学模型。 2 设计f y x f 0 3 型原动机模型装置的新型测速程序、防止水轮机调速器模型 积分整量化误差程序、调速器变步长加速程序改善系统超调现象。 4 硕十学位论文 3 设计修改并调试了控制电路全部p c b 试验板，基本调试证明其正确性和可 行性。 4 对系统电路的抗干扰问题、可靠性问题等进行了分析和探讨。 5 对项目实施过程中所遇到的问题和经验进行了总结，特别是系统软件调试 方案和故障排除，指出存在的问题，并进行了改进，提出了下一阶段的任务和预 案。 本文的主要创新点有： 1 利用1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k c 在水轮机积分环节中采用“零存整取 的方 法有效的克服了积分整量化误差的出现，改善了水机启动震荡的现象。 2 补充和完善系统测速程序、原动机变步长启动及改善其超调现象；充分发 挥系统数字控制的稳定性、可靠性、电磁兼容性等方面的优势。 5 基于l9 6 单片机控制的新型原动系统仿真器及其软件设计 第2 章原动系统基本特性及数学模型 原动机特性对电力系统静态稳定和暂态稳定都有着很大的影响，因此，在研 究电力系统稳定运行和过渡过程时，原动机特性对电力系统的影响是必须考虑的。 在研究电力系统静态稳定运行和过渡过程时，对原动机的静态特性( 也称自平衡特 性) 和动态特性( 水锤效应和容汽惯性) 的模拟是非常必要的。 在全面的研究原动机模拟问题时，必须考虑到调速系统的模拟，因为它们具 有最直接的联系，共同组成一个完整的调速系统。 调速系统的模拟，可以采用物理和数学两种方法来实现。物理模型就是把原 型调速器按一定的相似条件加以缩小。这种调速系统由于结构复杂，特性和参数 调整不方便，所以很少采用。 调速系统也可以采用数学的方法模拟。在采用这种方法时，首先必须找出原 型调速系统的运动方程组( 一般是非线性微分方程组) 根据相似原理，用另一种具 有同样微分方程组的装置进行模拟，只要满足相似条件，则模拟就能够很好地复 制原型的动态过程四，。 我们采用数学的方法模拟，因此，必须对原动机及其调速系统的特性进行分 析，寻找出它们的运动方程组，建立准确的数学模型，为进行下一步的模拟奠定 基础。 2 1 发电机原动系统的基本特性 原动机仿真系统主要包括调速器仿真和原动机自平衡特性的仿真，其基本特 性即指的其自平衡特性。自平衡特性是所有作旋转运动元件的普遍规律，只不过 因为能量来源及其通道、机械结构等的差别而有不同数值的自平衡系数k r ，原动 机的自平衡系数k p 5 1 ，而直流电动机的自平衡系数k r = 3 0 4 0 ，因此，必须软化 直流电动机的自平衡特性，使之具有与原动机相同的自平衡系数n 们。 在仿真模型中，一般没有对k ，的非线性进行模拟，只是开度不变时近似地在 额定功率和额定转速附近实现k r = 1 ，线性化特性曲线如图2 1 所示，其中m m 和 1 3 分别为转矩和转速的标么值。 开度不变时，静态力矩方程得： m 辫= 心! 争吵= 以一k c y ( 2 1 ) 口 其中m m 、n m 、甲分别为力矩、力矩功率和转速偏差的标么值。 6 硕_ f 二学位论文 0 图2 i 线性化特性曲线 用直流电动机作原动机模型在不采用一定改造措施的情况下是很难实现的， 下面讨论用直流电动机模拟原动机自平衡特性的原理n 。 当忽略一些次要因素，如测量环节、综合环节、电液转换环节中极小的时间 常数，以及机械间隙和错油门活塞对压力油孔的叠加因素所产生的失灵区，并考 虑开度限制非线性后，可将机械液压式和电液调节器的传递函数表示如下： 烈力。告2 ：甄i j i j i 三；掌( 。1 ) 。2 2 ， 式中： ”一一执行环节开度位移标么值 伊一一机组转速偏差标么值 z 、霉一一执行环节和软反馈时间常数，单位为秒 万一一调差系数 f 一一硬反馈系数 厂一一软反馈系数 p 一一微分算子 未经改造的电动机控制系统框图如图2 2 所示： 图2 2 未经改造的电动机控制系统框图 电动机遭受干扰后的电枢负载电流方程为： ，= 警一旦r 血其中e = 鲁 ( 2 3 ) 式中：u d o ：空载电枢电压 u d ：负载电压 7 基于1 9 6 单片机控制的新型原动系统仿真器及其软件设计 e 。：欷足反电势 1 1 。：恒定转速 其标么值形式为： = 急鼍如一 亿4 ， e e 恒定时，设急= 口，刀= ，= ， 则上式可改写为： 鼍妙 亿5 ， 则k ? ：鲁 ( 2 6 ) 砒e 、。 对于一般的模拟机组，显然k ? k ；= 1 ，难以实现自平衡特性的模拟。为此 对电动机控制线路作如下改进：采用电枢电流负反馈后，再加上转速负反馈，改 造后的申动机图如图2 3 所示。 图2 3 改造后的电动机控制系统框图 则受扰动后电枢负载电流方程为： j ：堡一g 坚z 幽 r - i - k k i r d - k - k l 同样可得 k 当k 专0 0 时， 一心- i - k k 。加。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中，n 一机组额定转速 i 广额定电枢电流 只要k 足够大， 与k 无关，要模拟原动机自平衡特性，即要求 = k ；= 1 ，只需整定k n n e = k i i e 即可。 8 硕上学位论文 2 2 原动系统调速数学模型的建立 调速器仿真模型的建立，主要是根据机械液压式调速器的基本数学模型，其 原理框图如图2 4 所示1 2 1 。 图2 4 通用调速器结构图 由图可知。调速器主要分为飞摆环节、错油门环节、油动机环节、水锤效应( 蒸 汽效应) 环节、反馈环节n 3 1 。 各环节数学模型如下： 1 飞摆环节： 在转速变化范围不大时，可以认为飞摆相对位移1 1 与转速相对偏差v 成正比。 即 r = 吉甲三 式中：t 1 一飞摆套管相对位移 6 一调差系数 、i ，一机组转速相对位移 _ 失灵区 万：鱼二丝1 0 0 炉竺旦 刀t 式中：n o 一空载转速 n 广额定负荷时额定转速 n 一机组转速 2 错油门环节 错油门动作时间远小于原动机惯性时间常数， 9 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 故可忽略不计。此时错油门运 基于1 9 6 荦片机控制的新型原动系统仿真器及j e 软件设计 动方程式可表示如下： 6 = 玎一 式中：6 一错油门相对开度 ”一飞摆套管相对位移 一反馈杠杆相对位移 油动机方程式： 2 壶万 式中：卜油动机相对位移 z 一油动机时间常数 p 一微分算子符号 3 反馈环节 a 硬反馈量： 知2 f 。 式中：知一硬反馈量 i 一硬反馈系数 卜油动机相对位移 b 软反馈量： 缸= ，! i + p l t ， 亏软2 ，二一 式中：苏一软反馈量 z 一软反馈时间常数 卜油动机相对位移 卜软反馈系数 c 总反馈量： 孝= 岛+ 颤 邓 高 令= f + ， 得孝= 等。尸z + 1 。 式中：芎- 总反馈量 p 一总反馈系数 4 水锤效应与汽惯性环节 a 水锤效应： 1 0 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 硕十学位论文 水锤效应的物理现象是：当减小水轮发电机的功率时将进水阀门开度减小以 减少进水水轮机的进水量。由于导管中流动的水有一定惯性，突关水门时会使导 管中水压力突然增大。此时会出现水轮机功率突然增大，然后再减小的现象。 其数学表达式为： m ，：黑 ( 2 1 8 ) 1 + 0 5 p 、7 式中：m ，一水轮机输出转柜 一水轮机进水阀门开度( 对应油动机相对位移) l 一水锤效应时常数 b 汽惯性： 汽惯性亦称蒸汽容积效应，汽轮机调速器调节主汽门与蒸汽喷嘴之间有一定 的距离和容积，由于这个容积的存在，主汽门开启或关闭后，喷嘴压力或流量不 会马上发生变化。汽轮机输出功率不会立即发生变化。这种延迟现象即汽惯性“钔。 其数学表达式为： m p = 忐 ( 2 1 9 )。 l + p 瓦 、7 式中：m 。一汽轮机输出转矩 一主汽门开度 死一汽惯性时间常数 综上所述，水轮发电机组调速器考虑水锤效应后总的传递函数为： 缈( p ) = 专。可面丽1 p 面t 丽丽1 - p t ( 2 2 0 ) 整理后得： 矽( 尸) 2 平面霜巫互- t t w 巫p 2 + ( 巫t - t w i ) p + 巫1 亚匾司2 - 2 1 ) l 2 f2 f2 f j 汽轮发电机组调速器考虑蒸汽惯性后总的传递函数为： 舻) = 1 万编。丽1 ( 2 2 2 ) 整理后得： 矽( p ) 2 否1 面i 石1 丽 2 2 3 ) 在模拟电路中，运算放大器可进行加、减、乘、除和微分、积分等运算，运 算放大器是根据电压量的大小进行运算的，将调速器方程用运算电路来模拟时， 必须把调速器原方程化为模拟装置上的电压方程式： 基于1 9 6 单1 机控制的新型原动系统仿真器及其软件设计 = 吉 u 6 = u , 7 一u e u 。2 彘砌5 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 邓+ 高心 ( 2 2 7 ) - ( 1 - 3 嵩暴) u u ( 2 2 8 ) 或。丽1 u u ( 2 2 9 ) 式中的变量均为电压量。 通过对原动机及其调速系统的特性分析，利用相似性原理采用直流电动机模 榭厦动加可d i 得到厦劫加信直系统的魇理棍图如图，5 所示。 图2 5 原动机仿真系统原理框图 图中：k a 一调节器放大倍数；百r 调节器积分时间常数；t 广_ 整流桥等效时间 常数；k s e 一整流桥电压放大倍数；强一电枢回路时间常数；r 一电枢回路等效电 阻；c m 一转子系数；j n - 转动惯量；s 一微分算子；k i 一电流反馈系数( 1 ) ；k n ，k n 一 速度反馈系数( 1 ) ； 2 3 本章小结 本章节主要介绍了原动机即水轮机和汽轮机的调速器数学模型，将复杂的调 速过程用清晰的数学表达式进行描述，为下一步工作做好了充分的准备。同时还 对原动机的特性和直流电动机的特性进行了分析比较，提出了用直流电动机模拟 原动机特性的方法。 1 2 硕十学位论文 第3 章原动系统硬件及基本结构 原动机仿真系统，实质上是一个直接数字控制系统d d c ( d i r e c td i g i t a l c o n t r 0 1 ) ，设计中用一单片机对被控现场的多个过程参数( 电机转速n 、端电压u d 、 电枢电流i d 和励磁电流i f ) 进行巡回检测，并将结果与给定值进行比较，再按照 数学模型中的控制规律进行运算，然后输出相应的结果，去实现对整流模块的控 制，从而最终完成对电机转速的闭环控制n 副。 3 1 系统结构 如图3 1 所示，系统通过a d 对原动机的励磁电流、电枢电流和电枢电压进 图3 1 系统原理框图 行采样；同时，接在电动机主轴上的电磁感应测速器产生的速度信号则直接进入 了c p u 的高速输入单元；系统获得了上述信号之后，按照用户设定的运行参数， 进行一系统复杂的运算，最后所得将数字控制量通过d a 转换输出到可控硅整流 模块；系统的按键、开关量及用作保护的继电器接口则通过一片8 2 5 5 a 拓展；为 了方便用户，系统中设计了一个液晶显示模块和一个串行通讯接口；而程序运监 视和原动机运行参数掉电保护功能则通过了一片x 2 5 0 4 3 来实现。 1 3 基于1 9 6 单片机控制的新型原动系统仿真器及其软件设汁 3 1 1c p u 及存储器 该仿真系统的数字控制部分以i n t e l 公司生产的新一代1 6 位单片8 0 c 1 9 6 k c 作为控制核心，晶振频率为1 2 m ，对应的指令周期为1 3 3 u s 。8 0 c 1 9 6 k c 能够对 c p u 内的5 1 2 字节寄存器直接操作，有很高的操作速度和数据吞吐能力。此外， 8 0 c 19 6 k c 具有外设事务服务器，能有效处理中断事务。外设事务服务器 p t s ( p e r i p h e r a l t r a n s a c t i o ns e r v e ) 对中断能提供一种类似直接存储器访问 d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 的响应，c p u 的开销比一般的中断响应要少的多。 由于8 0 c 1 9 6 k c 单片机没有片内r o m ，本身提供的存储单元十分有限，而控 制系统需要处理大量的数据，同时程序也要占用存储空间，因此，需要对存储器 进行扩展。如图2 1 所示，系统采用了一片6 2 6 4 ( 8 k ) 作为系统的数据存储器；因 为液晶显示程序中用到的汉字和英文字符的字模所占存储器空间很大( 一个汉字 为3 2 x 3 2 、1 2 8 字节，而一个数字或英文为1 6 x 3 2 、6 4 字节) ，所以系统采用了一 片2 7 5 l2 ( 6 4 k ) 做为程序存储器，但由于程序需要及地址分配的原因，实际系统只 用到了该程序存储器3 2 k 的地址空间( 2 0 0 0 h - - 一9 f f f h ) 。 3 1 2 模拟信号通道的设计 仿真系统中共有三路模拟信号( 电枢电压u d 、电枢电流i d 、励磁电流i f ) 需要 检测，以用于实时控制、保护和监视。为了使三路模拟信号共用一片a d ，增加 了一个多路开关c d 4 0 5 1 。如图3 2 示 u v1 3 1 6v c c u a l1 4 c h 0v d d u a 21 5 c h l 1 2 c h 2 3 l c h 3o u t 5 c i t 4 l lh s 0 0 2 c h 5a 1 0h s 0 1 4 c h 6 b 9a g n d a g n d7 c h 7c v e e a g n d86a 6 n d v s si n h 图3 2 多路开关c d 4 0 5 1 c d 4 0 5 1 是一个八选一的数据选择器，其控制脚a 、b 分别接在了c p u 的 h s o 0 、h s o 1 端，c 脚则接地；而三路模拟信号则分接在了c h 0 、c h l 和c h 2 ， 其余通道接地；这样，通过c p u 的控制即可选择把需要的信号选通，送入a d 转换芯片。8 0 c 1 9 6 k c 片内有4 通道的8 位或1 0 位数模转换器，对于一般设计可 直接采用片内a d 。但是，片内a d 输入电压为0 , - 5 伏，且最高只有1 0 位，为 了提高系统的运算精度，系统采用了一片高速的1 2 位a d 转换芯片a d l 6 7 4 ，采 用了单极+ 1 0 v 输入的接法。a d l 6 7 4 片内有内部采样保持器( s h a ) ，无需再外接 1 4 采样保持器，其转换时间仅为1 0 u s ，而且内含三态缓冲器和锁存器，采样精确快 捷，因而可简化电路设计和提高系统可靠性。 计算机对各输入数据进行处理，最后得到原动机的输出功率p m ( k ) ，去控制可 控硅整流电路的输出电压n 引。我们选用了一片1 2 位的d a 转换器a d 7 2 4 5 来实 现输出功率p m ( k ) 由数字量到模拟量的转化。为了保证输出电压的稳定，在 a d 7 2 4 5 之后，可控硅整流电路之前，我们采用了一片o p 0 7 对d a 输出进行跟 随和反相，增强其驱动能力，并将d a 转换输出的0 一- 5 v 电压转变为对应可控硅 整流电路所需要的一5 0 v 输入电压。 3 1 3 实时转速测量 目前常用的数字式转速测量方法有m 法和t 法。m 法测速是在相等的时间 间隔t 内读出脉冲数m ，由m a t 计算出转速，转速越高，在t 时间内得到的 脉冲数m 就越多，由1 个计数脉冲误差所引起的转速测量误差就越小。所以， 该法适用于高速。t 法测速则是根据相邻两个脉冲时间间隔所对应的时钟脉冲计 数值m 来计算转速的，转速越慢，每转对应的脉冲数就越小，其计数值m 就越 大，计数器1 个位所引起的误差就越小，故该法适用于低速。本系统采用的测 速方法是t 法，对应在原动机高速的情况下，其每一个脉冲的周期太短，我们则 采取了计多个周期求平均值的办法。 为了保证对电动机转速测量的实时性和准确性，磁感应测速主要利用电磁感 应原理实现，在电机转轴上安装n 个齿的齿轮，附近固定一个磁头，通过接收装 置时，由于闭合回路切割磁力线便可产生感应电流，通过取样电阻r 转换为电压， 每个齿对应产生一个脉冲电压，电机轴转动一周可以产生1 1 个脉冲，此脉冲经三 极管放大电路( 图3 4 ) 放大，得到放大信号信号经过光耦与数字系统隔离，再经过 施密特触发器方波整形电路( 图3 3 ) 整形后输入到c p u 的高速输入器h s i ，高速输 入器h s i 用于记录某一外部事件发生的时间。 图3 3 速度信号方波整形电路 通过对c p u 高速输入单元h s i 进行编程，分别将相邻两次脉冲发生的时刻 读取出来并相减，就能方便的知道此时速度信号的周期，再通过一系列的数学运 算即可获得原动机的实时速度n 。 1 5 基于1 9 6 单片机控制的新型原动系统仿真器及其软件设计 图3 4 速度信号采样放大电路 3 1 4 并口的扩展 当微机系统扩大时，经常需要对i o 进行扩展，使用了一块8 2 5 5 a 并行接口 芯片对系统的i o 进行扩展。8 2 5 5 a 有p a 、p b 和p c 三个可编程的8 位i o 接口， 为d i p 4 0 封装。我们使用了p a 口来实现按键和开关量的输入，p b 口则用作了继 电保护信号的输出，而p c 口则能在必要的时候对系统的其它外设进行复位。 8 2 5 5 a 有三种基本工作方式：方式0 ，基本输入输出方式；方式1 ，选通输入 输出方式；方式2 ，双向数据传送方式。根据系统要求，我们将8 2 5 5 a 的工作方 式设置为0 ，p a 口输入，p b 、p c 口输出，对照8 2 5 5 a 的控制字的含义，其控制 字为1 0 0 1 0 0 0 1 b ，即9 1 h 。 3 1 5 看门狗电路及数据掉电保护 为了保证在系统的正常工作，就必须对c p u 的运行进行监控，避免死机、程 序跑飞或进入死循环。为此，选用x 2 5 0 4 3 作为系统的看门狗在系统失控时能发 出复位信号，使系统摆脱故障状态。x 2 5 0 4 3 采用的是s p i 接口，由于8 0 c 1 9 6 k c 没有s p i 接口，所以使用c p u 的p 1 口来模拟s p i 接口对看门狗进行编程。此外， x 2 5 0 4 3 内含5 1 2 字节的e e p r o m ，可以满足一万次的数据擦写，至少十年的数 据保存期。所以，将其用作系统掉电后各参数的保存，使电动机运行参数一经整 定后，就能自动记忆和保存而无需每次开机都要重复整定。 3 1 6 其它外设 本系统还设计了一个r s 4 8 5 串行通讯接口，可用来与p c 机或者与监控连接， 系统通过串行口接受上位机的各种命令，或者将控制系统的各种运行状态、运行 参数等信息上传到p c 机，供运行人员监控使用。此外，为了给用户一个良好的 1 6 硕士学位论文 人机界面，方便用户操作，系统还采用了一块分辨率为3 2 0 2 4 0 的液晶显示器， 其显示的字符也采用了大字体( 汉字为3 2 x 3 2 ，英文为1 6 3 2 ) ，使用户能更直观地 进行原动机运行参数调整和获取运行数据。 3 2 用p l d 实现i o 地址分配 p l d 器件的逻辑功能描述一般分为原理图描述和硬件描述语言描述，原理图 描述是一种直观简便的方法，它可以将现有的小规模集成电路实现的功能直接用 p l d 器件来实现，而不必去将现有的电路用语言来描述，但电路图描述方法无法 做到简练；硬件描述语言描述是可编程器件设计的另一种描述方法，语言描述可 能精确和简练地表示电路的逻辑功能，现在在p l d 的设计过程中广泛使用，并且 有更加浒的趋势。不管是用硬件描述语言描述的逻辑还是用原理图描述的逻辑， 必须通过计算机软件对其进行编译，将其描述转换为经过化简的布尔代数表达式 ( 即通常的最简与或非表达式) ，编译软件再根据器件的特点将表达式适配迸具体 的器件，最终形成p l d 器件的熔断丝文件( 通常叫做j e d e c 文件，简称为j e d 文 件) 。 3 2 1 系统的i o 地址分配 8 0 c 1 9 6 k c 是采用程序存储器和数据存储器统一编址的普林斯顿结构。基于