《电机与拖运课程》-基于单片机控制的他励直流发电机系统方案

...wd......wd......wd...基于单片机控制的他励直流发电机系统摘要系统采用AT89S52作为控制器(MCU)核心,实现可控的他励直流发电机设计。核心的电压控制采用PWM控制IGBT原理，进而实现压控电压的功能。同时运用光耦电路实现大电压AD采样。控制算法使用模糊PID算法，整个系统的软件设计基于RTX51嵌入式多任务实时操作系统〔RTOS〕，最后利用RS232串口实现与PC机通信，调用MATLAB软件设计GUI接口，从而实现远端的PC机控制。从而实现系统的实时性，鲁棒性，智能化。关键字：AT89S52,PWM,IGBT,MATLAB,RTX51,模糊PID，光耦题目基于单片机控制的他励直流发电机系统系统状况：原动机拖动电机旋转，他励Ufn=100V要求：基于MCU控制的励磁控制系统具体指标：=1\*GB3①输入电压A/D闭环控制=2\*GB3②有键盘显示=3\*GB3③发电机输出电压可控，各启动阶段时间U输出可变=4\*GB3④励磁线圈驱动采用功率管，GTR，MOSFET,IGBT等。较高要求：=1\*GB3①扩展EEPROM，可存储参数=2\*GB3②A/D端采用线性光耦，输入Ui与系统不共地一、设计方案选择1核心控制单片机方案一：C8051F020系列单片机。该单片机内部集成了多种模块如D/A，A/D,UART等模块，可以减少我们外围电路的设计。然而其成本较高，对于我们的系统不需要用到如此高性能的单片机，故放弃该方案。方案二：FREESCALE系列单片机。该系列单片机也是集多种模块为一体。尤其是集成了PWM模块，能够直接编程输出控制电机的PWM信号。然而该系列单片机的费用也相对较高，因此我们也放弃该单片机。方案三：采用ATMEL公司的AT89S52单片机。由于我们在课堂上学到的大多为51系列单片机，同时AT89S52的单片机也能很好的满足我们系统的需要。如我们可以通过其内部定时器产生PWM控制信号等。与此同时，AT89S52单片机的价格低廉，所以我们决定采用AT89S52作为我们的控制核心。2人机交互模块方案一：采用数码管以及开关式按键。采用数码管和开关式按键的设计方案，在软件设计方面会相对简单，但是显示和控制的信息量相对较小，针对本系统，我们不采用该设计方案。方案二：采用字符型LCD以及矩阵式键盘。采用字符型LCD编程方便，且能满足一定的输出要求，同时用矩阵式键盘，能增强控制系统的输入功能。故采用此方案。2A/D转换芯片方案一：采用ADC0809并行8位AD转换芯片。ADC0809使用方便，编程也相对容易，但是由于采用并口，会大大占用单片机的IO口，增加硬件设计难度，故放弃此方案。方案二：采用ADC0832串行8位AD转换芯片。ADC0832的接口设计简单，且在精度方面能满足我们的需要，转换速度也能满足要求，故采用此方案。二、设计方案的实现：=1\*ROMANI硬件电路设计：=1\*GB4㈠发电机控制电路针对发电机的工作特性，我们采用控制励磁电压的方法最终完成对发电机输出电压的控制，具体推导如下：设输出电压发电机感应电动势电枢电流电枢绕组阻值负载电阻励磁电流励磁电压励磁回路电阻电势常数主磁通电机转速对于输出电压当忽略磁路饱和为比例常数，它由直流发电机的磁化曲线决定从而得到了与的线性关系，从而将控制转化为控制对于的控制我们采用现在单片机控制的PWM控制方法根据IGBT的快速通断以及PWM控制产生平均电压原理即〔为PWM高电平时间，为一个时钟周期，为励磁绕组额定电压〕通过控制PWM的高电平时间，控制的电压值即在实际电路中，我们通过全桥整流滤波电路，从市电50HZ、220V交流电路得到100V的直流电压，然后通过PWM控制信号控制IGBT管通断实现电压值的控制。根据电路仿真由于IGBT需要输入的PWM信号幅值为5V,而单片机的I/O端口输出的电压幅值无法到达。故我们采用电压对比器LM311构建电压对比电路，增大单片机的驱动能力，使单片机能输出最高电压为5V的PWM信号，从而实现单片机的脉宽调制。具体电路如下：(图1PWM控制电路)(图2PWM控制励磁电压电路)(图3单片机输出电压变换电路)=2\*GB4㈡AD采样电路由于发电机的输出电压值很大，而我们所用的AD转换芯片的参考电压小于该电压值。为此我们采用光电耦合电路实现电平转换，进而能够将合理的电平电压输入AD芯片，实现AD转换。采用光电耦合电路不仅能实现电平转换，同时能使输入端与输出端不共地，增强系统的抗干扰能力。经过multism仿真测试，在110V~220V输入的情况下光耦的输出为114mV～224mV之间，为了增大电压值，我们通过同相比例放大器将信号放大20被，使输入到AD输入端的电压信号的范围在0～5V之间。在测试的过程中，我们发现光耦两端的输入电压与输出电压之间并不是完全呈线性关系，为此我们通过仿真测试记录两端的电压值，在通过matlab用一次函数进展曲线拟合，最终得到了光耦输入电压与AD输入的电压之间的关系式这样就实现了电平转换。通过8位串行AD芯片ADC0832不仅能减少与单片机的接口，同时在精度与转换速度上都能满足要求。(图4AD采样电路)(图5AD采样测试电路)=3\*GB4㈢人机交互模块人机交互模块我们采用4x4的矩阵式键盘，以及LCM1602作为显示部件。这样就能增强输入与输出功能。具体电路如下(图6键盘显示电路)=4\*GB4㈣扩展模块为了增强系统的功能，系统增加了串行通信接口以及外部存储器EEPROM接口。通过串行通行接口实现与PC机的通信，而通过EEPROM能存储系统的一些重要参数以及保存实时数据。这样我们就完成了硬件电路设计，系统板的总体电路如下：(图7系统板电路)=2\*ROMANII控制算法设计由于采用了AT89S52单片机，其速度以及精度在一定方面不如一些性能较高的单片机，为了使我们的系统在现有的硬件电路上弥补这些缺乏，我们将在软件电路设计上下大功夫。1.方案一：开环控制根据以上分析由于我们采用PWM控制，即控制的大小，而的值可以通过单片机的定时器进展控制，进而就与控制系统实现了对应。这样就能使每个对应着一个，实现简单的开环比例控制。然而经过测试，采用开环控制在精度上不能到达要求，且当不是所要求的电压值时也无法调整，这种方案只有在精度要求不大的情况下才能使用。2.方案二：增量型数字PID控制PID控制是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律。问世至今70年多年来，它以其构造简单、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。在模拟控制系统中，模拟PID控制系统原理框图如下所示rin〔k〕比例rin〔k〕比例微分积分被控对象——+++yout(k)(图8PID控制原理图)PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差：PID的控制规律为：或写成传递函数形式式中--比例系数；--积分时间常数；--微分时间常数简单说来，PID控制器个校正环节的作用如下：=1\*GB2⑴比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。=2\*GB2⑵积分环节：主要用于消除警察，提高系统的误差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之那么越强。=3\*GB2⑶微分环节：反映偏差信号的变化趋势〔变化速率〕，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。由于MCU控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，连续PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。因此按模拟PID控制算法，以一系列的采样时刻点代表连续时间，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即：可得离散PID表达式：式中，，，为采样周期，为采样序号，和分别为第和第时刻所得的偏差信号。如果采用上诉PID控制算法，由于采用全量输出，每次输出均与过去的状态有关，计算时要对量进展累加，MCU输出控制量对应的是执行机构的实际位置偏差，如果传感器出现故障，可能会出现大幅度变化。的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。因此会产生很大的误差。为此我们采用增量型PID控制改良上述PID控制。根据递推原理可得增量式PID控制算法：这种算法编程方便，易于在MCU上实现。增量式PID控制算法程序框图如下开场开场设置A，B，C设初值e(k-1)=e(k-2)=0本次采样输入c(k)计算偏差值e(k)=r(k)-c(k)计算控制量△u(k)=Ae(k)+Be(k-1)+Ce(k-2)输出u(k)=u(k-1)+△u(k)为下一时刻做准备e(k-1)=e(k-2),e(k)=e(k-1)采样时刻到吗否AD转换发电机输出电压(图9增量式PID程序控制流程图)3.方案三：自整定模糊PID控制模糊控制〔FuzzyControl〕是指模糊理论在控制技术上的应用。它用语言变量代替数学变量或两者结合应用；用模糊条件语句来刻画变量间的函数关系；用模糊算法来刻画复杂关系，是具有模拟人类学习和自适应能力的控制系统。模糊控制技术适用于被控过程没有数学模型或很难建设数学模型的工业过程，这些过程参数变动、时变、呈现极强的非线性特征、并伴有时变及滞后，这类系统的数学模型非常复杂或基本就不存在，不能用常规控制方法控制系统。但是因为模糊控制不需要准确的数学模型，所以在解决这类问题时更有优势。3.1、模糊控制系统的组成模糊控制属于计算机数字控制的一种形式，因此，模糊控制系统的组成类似于一般的数字控制系统，其构造如图。A/DA/D模糊控制器D/A执行机构被控机构传感器+——(图10模糊控制器原理图)模糊控制系统一般可分为五个组成局部：=1\*GB2⑴模糊控制器，是模糊控制系统中的核心局部。=2\*GB2⑵输入／输出接口。模糊控制器通过输入／输出接口，从被控对象获取数字量信号，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模转换，将其变换为模拟信号，然后送给被控对象。=3\*GB2⑶执行机构：包括各种交、直流电动机、伺服电动机、步进电动机、气动调节阀和液压电动机、液压缸等。=4\*GB2⑷被控对象。被控对象可以是确定的或模糊的、单变量的、有滞后或无滞后的，也可以是线性的或非线性的、定常的或时变的，以及具有强藕合和干扰等多种情况。对于那些难以建设准确数学模型的复杂对象，更适宜采用模糊控制。=5\*GB2⑸传感器。传感器是将被控对象或各种过程的非电量转换为电信号的一类装置。3.2、模糊控制器的基本构造模糊控制器的基本构造由4个重要部件组成(见图)：知识库、模糊推理单元、模糊化输入接口与去模糊化输出接口．知识库又包含模糊if-then规那么库和数据库，规那么库中的模糊规那么定义表达了与邻域问题有关的专家经历或知识，而数据库那么定义隶属函数、尺度变化因子以及模糊分级数等．推理单元按照这些规那么和所给的事实执行推理过程，求得合理的输出．模糊输入接口将明确的输入转换模糊量，并用模糊集合表示，根据模糊输入得到控制量，控制量也是模糊量，因此，要求清晰化过程，把模糊控制量转换为清晰值作为模糊控制器的输出，去模糊输出接口就是将模糊的计算结果转换为明确的输出。知识库知识库模糊推理清晰化模糊化(图11模糊控制器构造图)3.3设计模糊控制器的流程3.3.1确定模糊化接口针对模糊控制器每个输入空间定义一个语言变量。在模糊控制系统中，通常取系统的误差值e和误差变化率ec为模糊控制器的两个输入。(1)在e上定义语言变量“误差E"，在ec上定义语言变量“误差变化EC〞;(2)定义各语言变量的论域。通常E和EC的论域均设置为：X=Y=｛-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}；在输入量进展模糊化之前，需将e和ec的论域变换到E和EC的论域。(3)定义各语言变量的语言值。通常e和ec的取值为：{“正大〞,“正中〞,“正小〞,“零〞,“负小〞,“负中〞,“负大〞}={PB,PM,PS,N0,NS,NM,NB｝。(4)各语言变量的论域上定义其语言值的隶属函数。对比常用的如高斯基函数，三角基函数。如下是三角基隶属函数的形状和分布(图12三角隶属函数)3.3.2确定模糊控制器的控制规律在模糊控制中主要适用Mamdani模糊控制模型。Mamdani模糊模型是一种语言模型，利用Mamdani模型构成的模糊逻辑系统是指上市一组IF—THEN规那么，在这组规那么中，前件变量和厚健变量均为模糊语言集合，其一般形式如下：R:如果x是A1,andy是B1,那么z是C1R2：如果x是A2,andy是B2,那么z是C2………Rn：如果x是An,andy是Bn,那么z是Cn在现有的模糊控制系统中，大多数均采用这种形式。模糊控制器的控制规那么是由一组彼此通过“或〞的关系连接的条件语句来描述的。集中每一条模糊条件语句，当输入、输出语言变量在各自论域上反映各语言值的模糊子集为己知时，都可以表达为论域的积集上的模糊关系，即，计算出每一条模糊条件语句决定的模糊关系之后，考虑到每条模糊条件语句间的“或〞关系，可得描述整个系统的控制规那么的总模糊关系R为：模糊控制规那么可通过总结模糊关系R的设计来实现。3.3.3输出量的去模糊化有了模糊关系，那么输出的语言变量论域上的模糊子集U记为但此时模糊控制器的输出是一个模糊集，它包含控制量的各种信息。但被控对象仅能承受一个准确的控制量，应从中选哪一个控制量世家到被控对象中去，必须进展模糊判决，把模糊量转化成准确量。把模糊量转化为准确量的过程为清晰化。目前最常用的清晰化方法为最大隶属法这个方法是选取隶属度最大的论域元素为去模糊的结果。如对应的模糊判决的模糊子集U，那么取该模糊子集中隶属度最大的那个元素作为执行量，即3.3.4模糊控制查询表经过模糊化、模糊推理和逆模糊化，对于一组输入(e,ec),可以得到控制的输出ueceu-5-4-3-2-1012345-666666554400-566666554400-466665444400-366665444000-244444420000-144444220000044322000-2-2-41220000-3-3-4-4-42220000-3-3-4-4-430000-3-4-4-5-5-6-640000-4-4-4-4-6-6-650000-4-4-4-5-6-6-660000-4-4-5-6-6-6-6(图13模糊控制查询表)该表被存储在MCU，在线运行时根据e，ec的实测值，查表就能得到控制输出u。综上所述，模糊控制器设计的步骤可以概括为：确定模糊控制器的输入变量和输出变量确定输入、输出的论域总结模糊控制规那么选择推理算法确定模糊化的逆模糊话方法在我们上面的PID控制算法中由于常规情况下，PID调节器不具备有在线调整参数的功能，因此不能满足在不哦他能够环境下系统对参数的自整定的要求，从而影响其控制效果的进一步提高。为此我们在得到输入电压时，实际上同时也能得到该采样时刻的输入电压与上次采样时刻的输入电压之差。将这两个参数送入模糊控制器，通过模糊控制器，确定此时的，，从而实现PID控制参数的自整定，提高系统的控制性能。(图14系统响应曲线)PID自整定的设计思想是先找出PID三个参数与偏差和偏差变化率之间的模糊关系，在工作中通过不断检测和，再根据模糊控制原理对参数，，进展在线校正，以满足不同和时对控制器参数的不同要求，而使被控对象有良好的动态性能，而且计算量小，易于在MCU实现。一般情况下，在不同的和下，被控过程对参数，，的自整定可归纳如下。(1)当较大，即系统响应应出入上图A段时，为了使系统响应具有较好的快速跟踪性能，并防止因开场时的偏差的瞬间便打，可能引起微分过饱和，而使控制作用超出许可范围，应取较大的和较小的，同时为防止系统响应出现较大的超调，需对积分作用加以限制，通常取(2)当为中等大小时，即系统响应处于B段时，为使系统具有较小的超调，应取较小的，适当的和，以保证系统响应速度，其中的取值对系统的响应速度影响较大。(3)当较小时，即系统响应处于曲线C段时，为使系统具有良好的稳定性能，应取较大的和，同时为防止系统在设定值附近出现震荡，并考虑系统的抗干扰能力。当较小时，值可取大些，通常取为中等大小；当较大时，值应取小些。根据以上的控制规律，以及模糊控制的设计方法，我们采用如下控制方法。(1)采用三角基法建设，，，，的隶属函数，即可得它们的隶属函数(图15E的三角隶属函数)(图16EC的三角隶属函数)(图17KP、KD、KI的三角隶属函数)(2)确定模糊控制规那么表EECKPZSMBZZBMBSBBMBMBBMBBMBSM(图18KP的模糊控制规那么)EECKIZSMBZBBZZSBBZZMBBSZBBMSZ(图19KI的模糊控制规那么)EECKDZSMBZBBZZSBBZZMBBSZBBMSZ(图20KD的模糊控制规那么)(3)根据模糊控制规那么确定，，在论域上的模糊集合，即(4)根据得到的模糊集合采用最大隶属法去模糊化(5)最后得到了模糊控制查询表eecukp-5-4-3-2-1012345-666666554400-566666554400-466665444400-366665444000-244444420000-144444220000044322000-2-2-41220000-3-3-4-4-42220000-3-3-4-4-430000-3-4-4-5-5-6-640000-4-4-4-4-6-6-650000-4-4-4-5-6-6-660000-4-4-5-6-6-6-6(图21ukp的模糊控制查询表)eecuki-5-4-3-2-1012345-60.60.60.60.60.60.50.50.40.400-50.60.60.60.60.60.50.50.40.400-40.60.60.60.60.50.40.40.40.400-30.60.60.60.60.50.40.40.4000-20.40.40.40.40.40.40.20000-10.40.40.40.40.40.20.2000000.40.40.30.20.2000-0.2-0.2-0.410.20.20000-0.3-0.3-0.4-0.4-0.420.20.20000-0.3-0.3-0.4-0.4-0.430000-0.30.4-0.4-0.5-0.5-0.6-0.640000-0.4-0.4-0.4-0.4-0.6-0.6-0.650000-0.4-0.4-0.4-0.5-0.6-0.6-0.660000-0.4-0.4-0.5-0.6-0.6-0.6-0.6(图21uki的模糊控制查询表)eecukd-5-4-3-2-1012345-6333332.52.51100-5333332.52.51100-433332.5222200-333332.5222000-222222210000-1222221100000221.511000-1-1-21110000-1.5-1.5-2-2-22110000-1.5-1.5-2-2-230000-1.5-2-2-2.5-2.5-3-340000-2-2-2-2-3-3-350000-2-2-2-2.5-3-3-360000-2-2-2.5-3-3-3-3(图22ukd的模糊控制查询表)模糊PID控制算法程序框图如下开场开场AD采样计算E及EC准确量模糊化查模糊表进展模糊判决并确定，，增量型PID控制采样时刻到吗(图23模糊PID程序流程图)模糊PID控制算法与只采用增量型PID控制的系统响应对比如以以下列图。显然用模糊PID控制算法的控制系统的控制效果更为理想。(图24模糊PID与增量型数字PID控制性能对比图)=3\*ROMANIII软件设计软件设计的目的是将各个控制模块有效的整合起来。由于使用了AT89S52作为控制核心，其处理速度有限，尤其是本系统的功能较多，故对于软件设计造成了很大的困难。如果基于传统的单任务循环顺序控制机制的程序设计方法进展编程的话，对于本操作系统的实时性和稳定性将会提出很大的挑战。为此我们引入多任务机制进展管理，增强系统的使用效率。RTX51Tiny是一种用于8051系列微控制器的多任务实时操作系统(REALTIMEOPERATINGSYSTEM)，它可以很容易地在没有任何外部存储器的单片8051系统上运行。RTX51Tiny仅支持时间片轮转任务切换和使用信号进展任务切换吗不支持抢占式的任务切换，可以并行地利用终端功能，可以强迫一个任务等待中断、超时、或等待从另一个任务或中断发出的信号，但不能进展信息处理，也不支持存储器分配或释放。采用该实时操作系统作为内核，能保证系统对外界信息以足够快的速度进展相应的处理，又能并行运行多个任务，同时可以提高应用软件的开发效率，缩短系统开发周期。对于我们的操作系统，软件主要分为以下几个模块=1