单片机模糊控制直流调压系统的研究.doc

摘要本系统以单片机作为控制核心,以模糊控制为主要的控制思想,将原有的依靠模拟电路实现各项功能的直流电源柜改造成数控直流电源柜,调压范围在0250V可调。在本论文中详细的阐述了在本系统中所用到的三相半控桥式整流电路的工作原理,介绍了所选用的MCS一51系列单片机的性能特点;论述了在本系统中所用到的模糊理论,设计了模糊自整定PID参数控制器,将模糊控制运用在单片机控制系统中；本论文对于系统的硬件及软件设计进行了详细的解释,包括三相半控桥主电路的选择、保护电路的设计、触发模块的设计、检测模块的设计等以及软件的控制思想和编程方法；并且提出了对于实验过程中出现的各种干扰情况所给予的相应的抑制措施。本系统的设计顺应了目前国外直流电源朝着数字化发展的趋势,充分利用了单片机的优点,使得通用性得到了提高。在实验过程中使用南京万利公司生产的INSIGHT52一E型号的单片机仿真器,使用MEDW州开发工具,在WINDOWS环境下进行调试开发,设计完成的直流电源柜基本能够使用。关键词:电站;电源;单片机;晶闸管;模糊控制 IAbstractThe control unclear of this system is base on the single chip micro-computer , and use the fuzzy control , transform the dc votager-stabilized power supply based on simulate compenent into a digital one . In this paper , it discussed the theory of three-phase half control ; design the fuzzy controler ; used the fuzzy control in this system . This paper also introduce the plan of hardware and software , including the three-phase circuit、protect circuit、trigger circuit、examine circuit and so in detail . The paper explained the method of control and the thought of software . In regard to the disturb in this system , adopt corresponding methods to avoid it . This system got used to the trend of digital power in the international , used the micro-computer fully , and improve the general use of the power . In the experiment I used the simulator of INSIGHT52-E and the MEDWIN of windows . The experiment is completed in the ship power station institute of ship engine , because work of the laboratory is very busy , there are some disadvantages in this system should be improve .Key words : Power station ; Power ; Single micro-computer ; Thyristor ; Fuzzy control III目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题研究的背景11.2 直流调压系统在国内外的发展趋势11.3 模糊控制算法简介22 可控整流工作原理及单片机的选择32.1概述32.2晶闸管的工作原理和特性32.2.1晶闸管的工作原理32.2.2晶闸管的特性42.3可控整流电路52.3.1三相半控桥式整流电路53 模糊PID控制算法应用分析93.1基于HD的单片机双闭环直流调压系统的控制93.2模糊控制理论基础103.2.1模糊控制原理103.2.2模糊控制器的组成113.3基于模糊PID参数自整定的电流环和速度环控制器设计124 系统的硬件设计144.1可控整流电源主电路的设计144.1.1三相半控桥主电路的设计144.2单片机功能设计144.3显示器设计方案164.3.1同步信号形成模块174.3.2数据采集模块184.3.3触发模块195 系统的软件设计235.1系统的总体构成及主程序框图235.2触发模块程序流程图245.3数据采集处理程序流程图265.4模糊自整定PID参数程序流程图286 系统的抗干扰设计306.1微机系统中的主要干扰渠道和杭干扰措施306.1.1主要干扰渠道306.1.2抗干扰措施306.2印刷电路板的抗干扰设计306.3WATCHDOG技术316.4 CPU抗干扰技术32致谢33参考文献34附录A35附录B40附录 C44江西理工大学应用科学学院毕业设计1 绪论1.1 课题研究的背景电子技术的快速发展，促使直流调压技术逐步从模拟化向数字化转变，特别是随着单片机技术的应用，使控制系统硬件电路简单、实时控制精度高，使直流调压技术又进人个新的阶段。智能化、高可靠性已成为直流调压系统的发展趋势，由单片机控制的直流调压系统就剧噘应这潮流而产生的。1.2直流调压系统在国内外的发展趋势在现代工业中,电动机作为电能转换的传动装置应用广泛,随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长,越来越多的生产机械要求能实现自动调压。在可调压系统中,按照传动电动机的类型来分,可分为两大类:直流调压系统和交流调压系统。交流电动机具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点,但主要缺点为调压较为困难。相比之下,直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点,但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速,因此直流调压系统至今仍是自动调压系统的主要形式。直流调压系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和危机应用技术的最新发展成就。正式这些技术的进步使直流调压系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由穆尼控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制,形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统,并正向全数字控制方向快速发展。1964年A.Schonung和H.stemmer首先提出把PWM技术应用到电机传动中,从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。进入70年代以来,体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化,把电机控制腿上了一个崭新的阶段,以微处理器为核心的数字控制(简称微机数字控制)成为现代电器传动系统控制器的主要形式。国内发展情况:我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来,晶闸管直流调压系统开始得到迅速的发展和广泛的应用。用于中、小功率的0.4200KW晶闸管直流调速装置己作为标准化,系列化通用产品批量生产。目前,全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调压系统的开发,提出了许多关于直流调压系统的控制算法:(1)直流电动机及直流调速系统的参数辨识的方法。该方法据系统或缓解的输入输出特性,应用最小二乘法,即可获得系统环节的内部参数,所获得的参数具有较高的精度,方法简便易行。(2)直流电动机调压系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器,取代常规的PI调节器,成功解决了转速照跳问题,能使系统获得优良的动态和静态性能,而且设计方法简单,控制器容易实现。(3)单神经元自适应智能可能控制的方法。该方法针对直流传动系统的特点,提出了单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静、动态性能,而且还具有令人满意的鲁棒性与自适应性。国外发展概况：着各种微处理器的出现和发展,国外对直流电机的数字控制,调压系统的研究也在不断发展和完善,尤其80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型直流电机的调压系统一般采用晶闸管整流来实现,为了提高调速系统的性能,研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法做了大量研究,提出了内模控制算法、IP控制器取代PI调节器的方法,自适应和模糊PID算法等等。1.3模糊控制算法简介以往的各种传统控制方法均是建立在被控对象精确数学模型的基础上,然而,随着系统复杂程度的提高,将难以建立系统的精确数学模型。在工程实践中,人们发现,一个复杂的控制系统可由一个操作人员凭着丰富的实践经验得到满意的控制效果。这说明,如果通过模拟人脑的思维方法设计控制器,可实现复杂系统的控制,由此产生了模糊控制。模糊控制不需要被控对象的数学模型；是一种反映人类智慧的只能控制方法,它采用人类思维中的模糊量,如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等,控制量由模糊推理导出；它易于被人们接受,其核心是控制规则,模糊规则是用语言来表示的,如“今天气温高,则今天天气暖和”等,易于被一般人所接受；它构造容易,其规则易于用软件实现；鲁棒性和适应性好,通过专家经验设计的模糊规则可以对复杂的对象进行有效的控制。模糊控制方法：该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流启动和恒速运行控制,并能获得理想的控制曲线。上诉的控制方法仅是直流电机调压系统应用和研究的一个侧面,国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。国外发展概况随着各种微处理器的出现和发展,国外对直流电机的数字控制,调压系统的研究也在不断发展和完善,尤其80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型直流电机的调压系统一般采用晶闸管整流来实现,为了提高调压系统的性能,研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法做了大量研究,提出了内模控制算法、I一P控制器取代PI调节器的方法,自适应和模糊PID算法等等。492 可控整流工作原理及单片机的选择2.1概述我国近几十年来,晶闸管制造与应用技术发展迅速,目前己能大规模生产各种类型的晶闸管元件,单个元件容量已达4000V、电流2000A以上。由晶闸管组成的整流器可以在交流电压不变的情况下,方便的改变直流输出电压的大小,所以可控整流是方便的实现交流到可变直流的方法。2.2晶闸管的工作原理和特性2.2.1晶闸管的工作原理晶闸管,也称可控硅,使目前应用比较广泛大容量功率变换和控制的主要电力电子器件,具有容量大、效率高、控制特性好、寿命长以及体积小的优点。晶闸管随着半导体工艺的发展和进步,现在的型号和品种十分齐全,整流电流从数安培到数千安培。虽然型号繁多,但是基本分为单向、双向、可关断三种结构。由于本设计中用到了单向晶闸管,因此简要介绍一下它的原理及特性。单向晶闸管可成为可控硅整流器,术语中称为反向阻断三极半导体元件在美国联合电子器件工程委员会JEDEC的(Reverse Bloeking Triode)。图2-1 单向晶闸管结构图单向晶闸管的最大特点是有截止和导通这两种稳定状态。单向晶闸管这种特点是由它的内部结构所决定的。图2一1所示的是单向晶闸管的内部结构示意图。从图中可以看出它是由P一N一P一N这四层半导体材料组成,可以把单向晶闸管理解成由一个PNP晶体管和一个NPN晶体管结合而成;并且由PNP管的基极既是NPN的集电极,PNP管的集电极既是NPN的基极:这种情况如图2一1中的(b)所示。在其中,晶体管Tl的基极是和T2的集电极连在一起的;而T1的集电极则和T2的基极相连,并且把它引出作为门极。单向晶闸管的电气符号如图2一1中的(c)所示。单向晶闸管的截止和关断两种状态可以由图2一1中的(b)说明。当在门极不加任何控制信号,或将门极和阴极短接时,晶体管T2就会截止;这时,晶体管T1的基极就无法产生基极电流,Tl就会截止。由于Tl和T2都截止,所以晶闸管也就处于截止状态。当在门极加上一个相对晶体管T2的射极为正的触发脉冲,则在T2的基射极之间产生基极电流Ib2,从而令T2导通;T2导通会产生集电极电流IC2，IC2本质上也就是晶体管Tl的基极电流Ibl,从而使T1导通；Tl导通就会产生集电极电流IC1,它也就是T2的基极电流Ib2。上述的正反馈过程使晶闸管的T1、T2全导通,故晶闸管处于导通状态。并且,在门极的正触发信号消失后,由于T1的集电极电流IC1完全作为T2的基极电流Ib2,所以晶闸管仍处于导通状态。单向晶闸管的工作原理可以用两个条件加以说明一个是导通条件,一个是关断条件。导通条件是指晶闸管从阻断到导通所需的条件,这个条件是在晶闸管的阳极加上正向电压,同时在门极加上正向电压。关断条件是指晶闸管从导通到阻断的条件。晶闸管一旦导通,门极对晶闸管就不起控制作用,关断条件要求流过晶闸管的电流小于保持晶闸管导通所需的电流。在晶闸管的阳极加上交流电压时,在电压的正半波,晶闸管才有可能导通,而在电压负半波晶闸管则关断,而且,电源电压在过零时就会因正电压太小而令晶闸管关断。2.2.2晶闸管的特性晶闸管相当于一个由门极电压控制的单向无触点开关,实际应用中的晶闸管是在一定条件下按需要不断地进行导通和关断。晶闸管导通和关断两个状态是由其上的阳极电压,阳极电流和门极电流共同决定的,用伏安特性曲线来描述它们的关系。图2-2晶闸管伏安特性曲线实测的晶闸管伏安特性曲线如图2一2所示。门极不加电压(ig=0),让晶闸管承受正向阳极电压uA,则晶闸管处于正向阻断状态。当uA从零开始逐渐上升时,阳极电流iA也从零逐渐上升,但其数值很小,上升也很缓慢即使uA值己很大iA也只有几或几十毫安。增大uA值大于UDSM以后, iA急剧上升。当uA值升到UBO时,iA突然剧增,晶闸管由关断突然变导通,在伏安特性曲线上是从A点突变到B点。UBO是正向转折电压,此时晶闸管上电压降很小,只有1伏左右。晶闸管导通后的伏安特性与二极管的正向特性相似。当晶闸管加反向阳极电压时,由于其中J1、J3两个PN结承受反向电压,所以其反向伏安特性与一般二极管的反向特性相似。晶闸管承受反向电压时,晶闸管处于反向阻断状态,留有反向漏电流。反向电压增加时,反向漏电流略有增加,但是总的来说很小。当反向电压增加到较高数值后,反向电流剧增,晶闸管反向击穿,此时会造成晶闸管的损坏。2.3可控整流电路可控整流电路分为单相可控整流电路和三相可控整流电路。单相可控整流电路线路简单、调整方便,但是只适用小功率场合,当功率较大,考虑到三相负载的平衡采用三相可控直流电路。三相可控整流电路分为三相全控整流电路和三相半控整流电路,由于三相半控整流电路只用三个晶闸管,只需三套触发电路,不需要宽脉冲或双脉冲触发,因此在不要求可逆的场合中,采用三相半控整流电路更简单、经济。在实验室中,考虑到经济性,而且三相半控桥能够达到要求,所以采用三相半控桥式整流电路。2.3.1三相半控桥式整流电路如图2一3(a)所示,三相半控桥式整流电路由共阴极接法三相半波可控整流电路与共阳极组接法三相半波不可控整流电路串连而成,因此这种电路兼有可控和不可控两者的特性。共阳极组三个整流二极管总是在自然换流点换流,使电流换到阴极电位更低的一相中去;共阳极组三个晶闸管则要在触发后才能换到阳极电位高的一相中去。输出整流电压ud的波形是两组整流电压波形之和,改变共阴极组晶闸管的控制角。可获得02.34xU2的直流可调电压。图2一3三相整流电路一 电阻负载分别就a=30,a=60,a=120进行分析。a=30时,整流电路中共阴极组的晶闸管在自然换向点后30时刻换相,在图2一3(b)电源相电压波形图中用粗实线描出,共阳极组的二极管在相电压负半波的自然换相点换相,在相电压波形图上用粗实线描出。图2一3(b)相电压波形图上,。tl一t2区间,晶闸管KP1和二极管D6导通,输出线电压uAB；在t2一t3区间,晶闸管KP1和D2导通,输出uAC,继续下去就得到a=30电阻负载三相半控桥输出电压波形,如图2一3(c)所示。a=60时,晶闸管换流时刻恰好与二极管换流时刻(自然换相点)重合,即共阴极组和共阳极组中的导通管同时换流,如图2一4(a)所示。从图2一4(b)可以看出,输出电压ud波形临界连续。a=120时,在图2一5(a)tl一t2区间,晶闸管KP1和二极管D2导通,输出uAC,在t2一t3区间,输出电压ud=0,输出电压波形图如图2一5(b)所示。输出电压平均值计算公式为:Ud=1.17U2(l十a)二 电感性负载与单相半控桥一样,在电感负载时,三相半控桥桥路内部有续流作用。因此,在感性负载中电感L的作用下,输出电压波形中也不会出现负值。当突然切断触发信号或把控制角突然调到180以外时,会出现一个晶闸管一直导通,共阳极组三个二极管轮流导通的失控现象,为避免失控,负载两端并接续流二极管,要求续流二极管的正向压降要小,与续流二极管的接线要粗,尽量短一些好,并且选择维持电流较大的晶闸管。将三相交流电源的相电压表示为:Uan=UmtUbn=Um(t)Ucn=Um(t+)线电压为: Uac=Uan-Ucn=Um(t- ) Uba=Ubn-Uan=Um(t- )Ucb=Ucn-Ubn=Um(t+ )对于a ,输出电压平均值和有效值分别为:Ud= U2(t- )d(t)= (l十a),(断续)U=U2对于a，输出电压平均值和有效值分别为:Ud= U2(t- )d(t)= (l十a),(连续) U=U2由此可知在0a范围内,整流输出电压的计算公式是一样的。 并接续流二极管后,整流电路输出电压ud波形和平均值计算公式与未接续流二极管时相同。当a60时,续流二极管才起到续流作用。三、可控整流电路带反电动势负载直流电动机负载本身有电阻、电感外,还有一个反电动势E,因此晶闸管在加触发脉冲后能导通的必要条件是,电动机的反电动势E和电感中的感应电动势eL的代数和应小于变压器二次绕组的瞬时电压。在整流情况下,电动机反电动势E的极性与整流电压的极性相反。对于e的极性,当电流在增加的过程中,el的极性与整流电压的极性相反;当电流在减小的过程中,eL的极性与整流电压的极性相同,当电流为极值时,eL为零。由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动波,在它的作用下,输出电流波形也是脉动的,输出脉动电流可以看成一个恒定的直流分量和一个交流分量组成。负载只需要直流成分,为了平稳负载电流的脉动,一般在电枢回路中串连一平波电抗器,保证整流电流在较大范围内连续。对于直流电动机负载,过大的交流分量会使电机的换相恶化和铁耗增大,因此在直流侧串入直流电抗器,使输出电流连续。可以通过下式计算电感量:L1=Kl（mH） 21其中K1是与主电路形式有关的系数,为1.46,Idmin为最小负载电流,U2为三相相电压值,经计算得:Lm=32.56mH触发晶闸管,待电动机起动达稳态后,虽然整流电压的波形脉动较大,由于电动机有较大的机械惯量,故其转速和反电动势都基本上无脉动。3 模糊PID控制算法应用分析3.1基于HD的单片机双闭环直流调压系统的控制将调节器控制规律分为比例、积分、微分的控制,简称PM控制,又称PID调节。在工程实际应用中,大量采用的仍然是PID算法,由于被控对象受负荷变化或干扰因素影响,对象特性参数或结构容易发生改变,得不到精确的数学模型,所以控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便,即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用Pro控制技术。应用最为广泛的PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数,这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改,而且由于本课题的准确数学模型难以建立,所以此方法不适用。二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。 (l)PID参数作用l)比例调节作用:是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。2)积分调节作用:是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。3)微分调节作用:微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法调节时间。微分作用对噪声千扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。(2)电流环控制器和速度环控制器的PID控制算法电流环或速度环控制器的控制算法可以采用传统的数字PID控制算法,主要有位置式、增量式和速度式三种。设为比例增益, 为积分时间, 为微分时间,T为采样周期,k为采样序号,u(k)为kT时刻的控制量。l)当计算机输出量u(k)直接去控制电流或转速时,为全量输出,输入量u(k)的值和电流或转速的大小是一一对应的,则常采用位置式算法,位置式算法为:u(k)= e(k)+ +e(k)-e(k-1) 3-1= 为积分系数， = 为微分系数。位置式PID控制算法的积分项是对以前逐次偏差的累加,这样就须占用较多的存储单元,而且不便于计算机编程,所以位置式PID目前很少使用2)当控制电流环或速度环控制器的执行机构需要的是控制量的增量(如驱动步进电机)时,可采用增量式算法,增量式控制算法为:=e(k)-e(k-1)+ e(k)+ e(k)-2e(k-1)+e(k-2) 3-2 =u（k）-u（k-1）,对应电信号的增量。增量式PID和位置式PID实质是一样的,但增量式比位置式有许多优越之处3)速度式PID是指PID运算后的输出是位置相对时间的变量,如直流伺服电动机的转动速度。=e（k）-e（k-1）+ e（k）+ e(k)-2e(k-1)+e(k-2) 3-3 可表示为直流伺服电机的转动速度。在具体应用数字PID控制器时,还有一些改进算法,如积分分离PID控制算法、不完全微分PID控制算法等,对于改进算法本文在这里就不介绍了。由于增量式算法应用比较广泛,特点比较明显,且本文的研究对象为电流环和速度环控制器,此算法的输出可以表示电流环和速度环控制器的输出增量,故本文采用增量式PID算法。3.2模糊控制理论基础3.2.1模糊控制原理1965年美国加州大学自动控制系LA.Zedeh提出模糊集合理论,奠定了模糊控制的基础,1974年伦敦大学的Mamdani博士利用模糊逻辑,开发了世界上第一台模糊控制的蒸汽机,从而开创了模糊控制的历史。1983年日本富士电机开创了模糊控制在日本的第一项应用)水净化处理,之后,富士电机致力于模糊逻辑元件的开发与研究,并于1987年在仙台地铁线上采用了模糊控制技术,1989年将模糊控制消费推向高潮,使日本成为模糊控制技术的主导国家。模糊控制的发展可分为3个阶段:(1)1965一1974年,为模糊控制发展的第一阶段,即模糊数学发展和形成阶段；(2)1974一1979年,为模糊控制发展的第二阶段,产生了简单的模糊控制器；(3)1979年至今,为模糊控制发展的第三阶段,即高性能模糊控制阶段。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论,把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法,这种方法不仅能实现控制,而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。模糊控制的原理是:首先将操作人员或专家经验编成模糊规则,然后将来自转换器的实时信号模糊化,将模糊化后的信号作为模糊规则的输入,完成模糊推理,将推理后得到的输出量加到执行器上。它的核心部分是模糊控制器,如图中划线框中所示,模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。实现一步模糊控制算法的过程描述如下:微机经中断采样获取被控量的精确值,然后将此量与给定值比较得到误差信号e,一般选误差信号e作为模糊控制器的一个输入量,把误差信号e的精确量进行模糊化编成模糊量。误差e的模糊量可用相应的模糊语言表示,得到误差e的模糊语言集合的一个子集e(e是一个模糊矢量),再由e和模糊控制规则R(模糊算子)根据推理的合成规则进行模糊决策,得到模糊控制量uU=eR 3-4将此控制量经过D/A转换,加到执行机构上比如:电动阀、步进电机等,即可实现控制作用。它与通常的计算机数字控制系统的主要差别是采用了模糊控制器。一个模糊控制系统的性能优劣主要取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成推理算法,以及模糊决策的方法等因素。模糊控制与传统控制方式相比具有以下突出优点1不需要精确的被控对象的数学模型。模糊控制是以人对被控对象的控制经验为依据而设计的控制器,故无须知道被控对象的数学模型。2使用自然语言方法,控制方法易于掌握。模糊控制的核心是控制规则,模糊规则是用语言来表示的,如“今天气温高,则今天天气暖和”等,易于被一般人所接受。3鲁棒性和适应性好。通过专家经验设计的模糊控制规则可以对复杂的对象进行有效的控制。4构造容易。模糊控制规则易于软件实现。5模糊控制是一种反映人类智慧的智能控制方法。模糊控制采用人类思维中的模糊量,如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等,控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊推理是智能活动的体现。模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法,已经在工业控制领域,家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题,取得了令人瞩目的成效,己经引起了越来越多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。3.2.2模糊控制器的组成模糊控制器(Fuzzy Controller,FC)也称为模糊逻辑控制器,由于所采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句描述的,因此模糊控制器是一种语言型控制器,故也称为模糊语言控制器,它是模糊控制系统的核心,有模糊化接口!知识库和推理与解模糊接口组成,如图3一1所示。图3一1 模糊控制的组成框图(l)模糊化接口模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于控制输出,因此,它实际上是模糊控的输入接口,其主要作用是将真实的确定量输入转换为一个模糊矢量。对于一个模糊变量e,其模糊子集通常可以进行如下方式划分:(a) e=负大,负小,零,正小,正大=NB,NS,20,PS,PB(b) e=负大,负中,负小,零,正小,正中,正大=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB(c) e=负大,负中,负小,零负,零正,正小,正中,正大=NB,NM,NS,PZ,PS,PM,PB(2) 知识库知识库由数据库和规则库两部分构成: l)数据库,存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值(即经过论域等级离散化以后对应值的集合),若论域为连续域,则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方城求解过程中,向推理机提供数据。2)规则库,模糊控制器的规则库给予专家知识或手动操作人员长期积累的经验,它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常有一系列的关系词连接而成,关系词必须经过/翻译0才能将模糊规则数值化(3)推理与解模糊接口推理是模糊控制器中,根据输入模糊量,由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方城,并获得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中,考虑到推理时间,通常采用运算较简单的推理方法。最基本的有Zadeh近似推理,它包含正向推理和逆向推理两类。正向推理常被用于模糊控制中,而逆向推理一般用于知识工程学领域的专家系统中。推理结果的获得,表示模糊控制的规则推理功能已经完成。但是,至此所获得的结果仍是一个模糊矢量,不能直接用来作为控制量,还必须进行一次转换,求得清晰地控制量输出,即为解模糊。通常把输出端具有转换功能作用的部分称为解模糊接口。综上,模糊控制器实际上就是依靠微机(或单片机)来构成的。它的绝大部分功能都是由计算机程序来完成的。随着专用模糊芯片的研究和开发,也可以由硬件逐步取代各组成单元的软件功能。3.3基于模糊PID参数自整定的电流环和速度环控制器设计PID整定的方法很多,比如扩充临界比例度法、扩充相应曲线法、归一参数整定法、优选法、凑试法以及经验法等,但这些方法大多数都是以对象特性为基础的。此外,大多数现代生产过程的控制对象特性复杂,有很大的时变性和非线性,当工况改变时,调节器参数的最佳值不同,一组整定好的PID参数远远不能满足系统的要求,这些不确定性能造成模型参数变化甚至模型结构突变,调节性能恶化,使得原整定参数无法保证系统继续良好的工作,在原有整定的PID参数下,系统的动态响应曲线明显变差,这时我们就必须重新调节PID参数,而这在实际控制过程中是不现实的调整。这时就要求PID控制器具有在线修正参数的功能。模糊PID参数自整定控制器是一种近年来发展很快的新型控制器。它应用了模糊数学的基本理论和方法,把控制规则的条件、操作用模糊集来表示、并把这些模糊控制规则以及有关信息,诸如PID控制参数等作为知识存入计算机知识库,然后计算机根据控制系统的实际情况(系统的输入、输出),运用模糊推理,实现对PID控制参数的自动调节。按照不同的e和ec情况下被控过程对参数、和的自整定要求,可简单的总结出以下规律:（1） 当偏差e较大时,应取较大的和较小的,(使系统响应速度加快,具有较好的快速跟踪性能,避免开始时偏差的瞬间变大引起的微分过饱和,导致控制作用超出允许范围。)且使=0避免较大的超调)。（2） 当偏差e中等大小时,应取较小的 (使系统响应具有较小的超调),适当的和 (保证系统响应速度,特别是凡的取值对系统的响应速度影响较大时)。（3） 当偏差e较小时,应取较大的和 (以使系统能有较好的稳态性能,同时避免系统在设定值附近出现振荡,并考虑系统的抗干扰性能),而且的取值要恰当(当ec较小时, 应大些,通常为中等大小;当ec较大时, 应小些,以避免在平衡点附近出现振荡)模糊PID控制器的核心是如何利用模糊规则对PID控制参数的在线校正。本文采取增量式控制算法进行参数调整。 由于模糊控制器的输入、输出变量都是精确量,模糊推理是针对模糊量进行的,因此控制器首先要对输入量进行模糊化处理。 模糊本文解模糊采用加权平均法。修正后的参数是在模糊论域上的,把模糊论域上参数转化为真实论域上的参数,即输出控制电流和速度的实际量。经过此方案设计的模糊PID控制器可以利用软件实现比如C语言,也可以用单片机实现,如现在的CSl和DSP等,很容易实现控制功能。由于其实现简单,实用方便,被广大工程研究人员所喜爱,也是目前工业控制中普遍采用的方法。它的绝大部分功能都是由计算机程序来完成的,所以此控制器能够很容易实现在线调整PID控制参数,然后再用实际量驱动执行机构。4 系统的硬件设计4.1可控整流电源主电路的设计4.1.1三相半控桥主电路的设计三相380V电源经空气开关送至三相变压器ZB,为减少高次谐波对电网造成的不良影响,变压器采用/Y接法,主电路采用由晶闸管KP1、KP2、KP3和二极管D1、D2、D3组成的三相半控桥。主电路图见图4一1,负载额定电压为220V,额定电流为82.2A。一 整流变压器的选择（1）次级相电压对于三相半控桥式整流电路,变压器次级相电压。与最大整流电压的关系为:=2.34 3 - 4为理想空载输出电压和整流电路的总的压降,在考虑电网电压波动的影响,一般取(1.151.20) 。于是可得: =108V （取110V）(2)、变压器次级相电流由已知数据可知=82.2A,考虑适当余量,取=100A,变压器次级相电流和负载电流的关系为:=0.816=0.816x100=81.6A 3 - 5(3)、变压器额定视在功率S=3=311081.6=27 KVA(取30 KVA) 3 - 6(4)、变压器初级相电流=46A3 - 7空气开关自动脱扣电流一般整定为2,取用100A。二、整流元件的选择选择晶闸管的原则是首先要可靠,其次要经济。选择整流元件主要是合理的选择额定电压和额定电流。(1)、额定电压U、的确定额定电压U,根据器件能够承受的最大峰值电压乘上(23)倍的安全裕量来确定。这里还需要考虑电网电压波动,所以乘上系数1.1。=l.l (23)=l.l2.5110=740V,所以选择l000V元件。(2)、额定电流的确定额定电流一般取 (1.52) 0.367,则=2x0.367l00=73.4 A所以选用100A元件。4.2单片机功能设计89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM- Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS一51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的89C51是一种高效微控制器,89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其主要特性有:(a)与MCS一51兼容;(b)4K字节可编程闪烁存储器;(c)寿命:1000写/擦循环;(d)数据保留时间:10年;(e)全静态工作:0Hz一24MHz;(f)三级程序存储器锁定;(g)128*8位内部RAM;(h)32可编程I/O线;(i)两个16位定时器/计数器;(j)5个中断源;(k)可编程串行通道;(i)低功耗的闲置和掉电模式;(m)片内振荡器和时钟电路(1) 管脚说明VCC:供电电压。GND:接地。PO口:PO口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。PO能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,PO口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,PO输出原码,此时PO外部必须被拉高。Pl口:Pl口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,Pl口缓冲器能接收输出4TTL门电流。Pl口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,Pl口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,Pl口作为第八位地址接收。P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写I/O时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示: 口管脚备选功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INTO(外部中断O)P3.3 /INTI(外部中断l)P3.4 TO(记时器0外部输入)P3.5 Tl(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7/RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFRSEH地址上置0。此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H一FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式l时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器(2)振荡器的特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。(3)芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下,CPU停止工作。但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。.4.3显示器设计方案(1)LED显示电路设计单片机将收集到的数据通过数据口传给显示器,本设计采用以下设计方案连接LED显示电路。硬件电路和软件设计如下: 图4-7 LED显示器电路图4.3.1同步信号形成模块为了保证触发脉冲与主电路交流电源具有相同的频率,并且保持一定的相位关系,必须形成同步信号。同步信号形成电路如图4一8所示。同步电压由变压器原边输入,经变压器隔离变压得到副边电压,副边电压经过RI限流后输入LM358的反相输入端,LM358的同相输入端接地,由此构成一个过零检测电路,该电路输出一方波,方波的下降沿对应着正弦波的正半波。此方波信号作为中断信号送入单片机,使8051获悉某一相已经过零,计算触发时刻,准备触发。为防止比较器损坏,可在正、反向输入端加二个二极管加以保护。由于三相电压每相之间相位相差角度固定,故只需一个同步信号形成环节,其余两相的过零点进行相应的计算即可推知过零时刻。对于A相而言,检测到A相过零点,送入单片机,触发角度如果确定,由交流电压的周期可计算出该触发角度所对应的时间t,在t时刻给A相晶闸管提供触发脉冲,此时刻A相触发。B相在A相触发后120度触发,C相在B相触发后120度触发。电网频率为50Hz,周期为20ms,每两相之间相差的时间约为6.67ms,按照A、B、C的相序,分别触发A、B、C三相晶闸管。这种检测电路节省硬件资源,利于设备的维护与检查。同步变压器的输出波形及经过运放之后形成的方波如图4一9所示。图4一8同步信号检测电路图4-9 过零检测波形4.3.2数据采集模块此模块的主要功能是采集给定电压值和实际电压值,经过模数转换后送入单片机中,在单片机内进行比较,得到给定电压值和实际电压值的偏差以及偏差的变化率。实际量的采样由芯片ADCO8O9来完成。A