...wd......wd......wd...基于單片機控制的他勵直流發電機系統摘要系統采用AT89S52作為控制器(MCU)核心,實現可控的他勵直流發電機設計。核心的電壓控制采用PWM控制IGBT原理，進而實現壓控電壓的功能。同時運用光耦電路實現大電壓AD采樣?？刂扑惴ㄊ褂媚：齈ID算法，整個系統的軟件設計基于RTX51嵌入式多任務實時操作系統〔RTOS〕，最后利用RS232串口實現與PC機通信，調用MATLAB軟件設計GUI接口，從而實現遠端的PC機控制。從而實現系統的實時性，魯棒性，智能化。關鍵字：AT89S52,PWM,IGBT,MATLAB,RTX51,模糊PID，光耦題目基于單片機控制的他勵直流發電機系統系統狀況：原動機拖動電機旋轉，他勵Ufn=100V要求：基于MCU控制的勵磁控制系統具體指標：=1\*GB3①輸入電壓A/D閉環控制=2\*GB3②有鍵盤顯示=3\*GB3③發電機輸出電壓可控，各啟動階段時間U輸出可變=4\*GB3④勵磁線圈驅動采用功率管，GTR，MOSFET,IGBT等。較高要求：=1\*GB3①擴展EEPROM，可存儲參數=2\*GB3②A/D端采用線性光耦，輸入Ui與系統不共地一、設計方案選擇1核心控制單片機方案一：C8051F020系列單片機。該單片機內部集成了多種模塊如D/A，A/D,UART等模塊，可以減少我們外圍電路的設計。然而其成本較高，對于我們的系統不需要用到如此高性能的單片機，故放棄該方案。方案二：FREESCALE系列單片機。該系列單片機也是集多種模塊為一體。尤其是集成了PWM模塊，能夠直接編程輸出控制電機的PWM信號。然而該系列單片機的費用也相對較高，因此我們也放棄該單片機。方案三：采用ATMEL公司的AT89S52單片機。由于我們在課堂上學到的大多為51系列單片機，同時AT89S52的單片機也能很好的滿足我們系統的需要。如我們可以通過其內部定時器產生PWM控制信號等。與此同時，AT89S52單片機的價格低廉，所以我們決定采用AT89S52作為我們的控制核心。2人機交互模塊方案一：采用數碼管以及開關式按鍵。采用數碼管和開關式按鍵的設計方案，在軟件設計方面會相對簡單，但是顯示和控制的信息量相對較小，針對本系統，我們不采用該設計方案。方案二：采用字符型LCD以及矩陣式鍵盤。采用字符型LCD編程方便，且能滿足一定的輸出要求，同時用矩陣式鍵盤，能增強控制系統的輸入功能。故采用此方案。2A/D轉換芯片方案一：采用ADC0809并行8位AD轉換芯片。ADC0809使用方便，編程也相對容易，但是由于采用并口，會大大占用單片機的IO口，增加硬件設計難度，故放棄此方案。方案二：采用ADC0832串行8位AD轉換芯片。ADC0832的接口設計簡單，且在精度方面能滿足我們的需要，轉換速度也能滿足要求，故采用此方案。二、設計方案的實現：=1\*ROMANI硬件電路設計：=1\*GB4㈠發電機控制電路針對發電機的工作特性，我們采用控制勵磁電壓的方法最終完成對發電機輸出電壓的控制，具體推導如下：設輸出電壓發電機感應電動勢電樞電流電樞繞組阻值負載電阻勵磁電流勵磁電壓勵磁回路電阻電勢常數主磁通電機轉速對于輸出電壓當忽略磁路飽和為比例常數，它由直流發電機的磁化曲線決定從而得到了與的線性關系，從而將控制轉化為控制對于的控制我們采用現在單片機控制的PWM控制方法根據IGBT的快速通斷以及PWM控制產生平均電壓原理即〔為PWM高電平時間，為一個時鐘周期，為勵磁繞組額定電壓〕通過控制PWM的高電平時間，控制的電壓值即在實際電路中，我們通過全橋整流濾波電路，從市電50HZ、220V交流電路得到100V的直流電壓，然后通過PWM控制信號控制IGBT管通斷實現電壓值的控制。根據電路仿真由于IGBT需要輸入的PWM信號幅值為5V,而單片機的I/O端口輸出的電壓幅值無法到達。故我們采用電壓對比器LM311構建電壓對比電路，增大單片機的驅動能力，使單片機能輸出最高電壓為5V的PWM信號，從而實現單片機的脈寬調制。具體電路如下：(圖1PWM控制電路)(圖2PWM控制勵磁電壓電路)(圖3單片機輸出電壓變換電路)=2\*GB4㈡AD采樣電路由于發電機的輸出電壓值很大，而我們所用的AD轉換芯片的參考電壓小于該電壓值。為此我們采用光電耦合電路實現電平轉換，進而能夠將合理的電平電壓輸入AD芯片，實現AD轉換。采用光電耦合電路不僅能實現電平轉換，同時能使輸入端與輸出端不共地，增強系統的抗干擾能力。經過multism仿真測試，在110V~220V輸入的情況下光耦的輸出為114mV～224mV之間，為了增大電壓值，我們通過同相比例放大器將信號放大20被，使輸入到AD輸入端的電壓信號的范圍在0～5V之間。在測試的過程中，我們發現光耦兩端的輸入電壓與輸出電壓之間并不是完全呈線性關系，為此我們通過仿真測試記錄兩端的電壓值，在通過matlab用一次函數進展曲線擬合，最終得到了光耦輸入電壓與AD輸入的電壓之間的關系式這樣就實現了電平轉換。通過8位串行AD芯片ADC0832不僅能減少與單片機的接口，同時在精度與轉換速度上都能滿足要求。(圖4AD采樣電路)(圖5AD采樣測試電路)=3\*GB4㈢人機交互模塊人機交互模塊我們采用4x4的矩陣式鍵盤，以及LCM1602作為顯示部件。這樣就能增強輸入與輸出功能。具體電路如下(圖6鍵盤顯示電路)=4\*GB4㈣擴展模塊為了增強系統的功能，系統增加了串行通信接口以及外部存儲器EEPROM接口。通過串行通行接口實現與PC機的通信，而通過EEPROM能存儲系統的一些重要參數以及保存實時數據。這樣我們就完成了硬件電路設計，系統板的總體電路如下：(圖7系統板電路)=2\*ROMANII控制算法設計由于采用了AT89S52單片機，其速度以及精度在一定方面不如一些性能較高的單片機，為了使我們的系統在現有的硬件電路上彌補這些缺乏，我們將在軟件電路設計上下大功夫。1.方案一：開環控制根據以上分析由于我們采用PWM控制，即控制的大小，而的值可以通過單片機的定時器進展控制，進而就與控制系統實現了對應。這樣就能使每個對應著一個，實現簡單的開環比例控制。然而經過測試，采用開環控制在精度上不能到達要求，且當不是所要求的電壓值時也無法調整，這種方案只有在精度要求不大的情況下才能使用。2.方案二：增量型數字PID控制PID控制是工程實際中應用最為廣泛的調節器控制規律。問世至今70年多年來，它以其構造簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。在模擬控制系統中，模擬PID控制系統原理框圖如下所示rin〔k〕比例rin〔k〕比例微分積分被控對象——+++yout(k)(圖8PID控制原理圖)PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值與實際輸出值構成控制偏差：PID的控制規律為：或寫成傳遞函數形式式中--比例系數；--積分時間常數；--微分時間常數簡單說來，PID控制器個校正環節的作用如下：=1\*GB2⑴比例環節：成比例地反映控制系統的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。=2\*GB2⑵積分環節：主要用于消除警察，提高系統的誤差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數，越大，積分作用越弱，反之那么越強。=3\*GB2⑶微分環節：反映偏差信號的變化趨勢〔變化速率〕，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。由于MCU控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，連續PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。因此按模擬PID控制算法，以一系列的采樣時刻點代表連續時間，以矩形法數值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，即：可得離散PID表達式：式中，，，為采樣周期，為采樣序號，和分別為第和第時刻所得的偏差信號。如果采用上訴PID控制算法，由于采用全量輸出，每次輸出均與過去的狀態有關，計算時要對量進展累加，MCU輸出控制量對應的是執行機構的實際位置偏差，如果傳感器出現故障，可能會出現大幅度變化。的大幅度變化會引起執行機構位置的大幅度變化。因此會產生很大的誤差。為此我們采用增量型PID控制改良上述PID控制。根據遞推原理可得增量式PID控制算法：這種算法編程方便，易于在MCU上實現。增量式PID控制算法程序框圖如下開場開場設置A，B，C設初值e(k-1)=e(k-2)=0本次采樣輸入c(k)計算偏差值e(k)=r(k)-c(k)計算控制量△u(k)=Ae(k)+Be(k-1)+Ce(k-2)輸出u(k)=u(k-1)+△u(k)為下一時刻做準備e(k-1)=e(k-2),e(k)=e(k-1)采樣時刻到嗎否AD轉換發電機輸出電壓(圖9增量式PID程序控制流程圖)3.方案三：自整定模糊PID控制模糊控制〔FuzzyControl〕是指模糊理論在控制技術上的應用。它用語言變量代替數學變量或兩者結合應用；用模糊條件語句來刻畫變量間的函數關系；用模糊算法來刻畫復雜關系，是具有模擬人類學習和自適應能力的控制系統。模糊控制技術適用于被控過程沒有數學模型或很難建設數學模型的工業過程，這些過程參數變動、時變、呈現極強的非線性特征、并伴有時變及滯后，這類系統的數學模型非常復雜或基本就不存在，不能用常規控制方法控制系統。但是因為模糊控制不需要準確的數學模型，所以在解決這類問題時更有優勢。3.1、模糊控制系統的組成模糊控制屬于計算機數字控制的一種形式，因此，模糊控制系統的組成類似于一般的數字控制系統，其構造如圖。A/DA/D模糊控制器D/A執行機構被控機構傳感器+——(圖10模糊控制器原理圖)模糊控制系統一般可分為五個組成局部：=1\*GB2⑴模糊控制器，是模糊控制系統中的核心局部。=2\*GB2⑵輸入／輸出接口。模糊控制器通過輸入／輸出接口，從被控對象獲取數字量信號，并將模糊控制器決策的輸出數字信號經過數模轉換，將其變換為模擬信號，然后送給被控對象。=3\*GB2⑶執行機構：包括各種交、直流電動機、伺服電動機、步進電動機、氣動調節閥和液壓電動機、液壓缸等。=4\*GB2⑷被控對象。被控對象可以是確定的或模糊的、單變量的、有滯后或無滯后的，也可以是線性的或非線性的、定常的或時變的，以及具有強藕合和干擾等多種情況。對于那些難以建設準確數學模型的復雜對象，更適宜采用模糊控制。=5\*GB2⑸傳感器。傳感器是將被控對象或各種過程的非電量轉換為電信號的一類裝置。3.2、模糊控制器的基本構造模糊控制器的基本構造由4個重要部件組成(見圖)：知識庫、模糊推理單元、模糊化輸入接口與去模糊化輸出接口．知識庫又包含模糊if-then規那么庫和數據庫，規那么庫中的模糊規那么定義表達了與鄰域問題有關的專家經歷或知識，而數據庫那么定義隸屬函數、尺度變化因子以及模糊分級數等．推理單元按照這些規那么和所給的事實執行推理過程，求得合理的輸出．模糊輸入接口將明確的輸入轉換模糊量，并用模糊集合表示，根據模糊輸入得到控制量，控制量也是模糊量，因此，要求清晰化過程，把模糊控制量轉換為清晰值作為模糊控制器的輸出，去模糊輸出接口就是將模糊的計算結果轉換為明確的輸出。知識庫知識庫模糊推理清晰化模糊化(圖11模糊控制器構造圖)3.3設計模糊控制器的流程3.3.1確定模糊化接口針對模糊控制器每個輸入空間定義一個語言變量。在模糊控制系統中，通常取系統的誤差值e和誤差變化率ec為模糊控制器的兩個輸入。(1)在e上定義語言變量“誤差E"，在ec上定義語言變量“誤差變化EC〞;(2)定義各語言變量的論域。通常E和EC的論域均設置為：X=Y=｛-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}；在輸入量進展模糊化之前，需將e和ec的論域變換到E和EC的論域。(3)定義各語言變量的語言值。通常e和ec的取值為：{“正大〞,“正中〞,“正小〞,“零〞,“負小〞,“負中〞,“負大〞}={PB,PM,PS,N0,NS,NM,NB｝。(4)各語言變量的論域上定義其語言值的隸屬函數。對比常用的如高斯基函數，三角基函數。如下是三角基隸屬函數的形狀和分布(圖12三角隸屬函數)3.3.2確定模糊控制器的控制規律在模糊控制中主要適用Mamdani模糊控制模型。Mamdani模糊模型是一種語言模型，利用Mamdani模型構成的模糊邏輯系統是指上市一組IF—THEN規那么，在這組規那么中，前件變量和厚健變量均為模糊語言集合，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在現有的模糊控制系統中，大多數均采用這種形式。模糊控制器的控制規那么是由一組彼此通過“或〞的關系連接的條件語句來描述的。集中每一條模糊條件語句，當輸入、輸出語言變量在各自論域上反映各語言值的模糊子集為己知時，都可以表達為論域的積集上的模糊關系，即，計算出每一條模糊條件語句決定的模糊關系之后，考慮到每條模糊條件語句間的“或〞關系，可得描述整個系統的控制規那么的總模糊關系R為：模糊控制規那么可通過總結模糊關系R的設計來實現。3.3.3輸出量的去模糊化有了模糊關系，那么輸出的語言變量論域上的模糊子集U記為但此時模糊控制器的輸出是一個模糊集，它包含控制量的各種信息。但被控對象僅能承受一個準確的控制量，應從中選哪一個控制量世家到被控對象中去，必須進展模糊判決，把模糊量轉化成準確量。把模糊量轉化為準確量的過程為清晰化。目前最常用的清晰化方法為最大隸屬法這個方法是選取隸屬度最大的論域元素為去模糊的結果。如對應的模糊判決的模糊子集U，那么取該模糊子集中隸屬度最大的那個元素作為執行量，即3.3.4模糊控制查詢表經過模糊化、模糊推理和逆模糊化，對于一組輸入(e,ec),可以得到控制的輸出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(圖13模糊控制查詢表)該表被存儲在MCU，在線運行時根據e，ec的實測值，查表就能得到控制輸出u。綜上所述，模糊控制器設計的步驟可以概括為：確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量確定輸入、輸出的論域總結模糊控制規那么選擇推理算法確定模糊化的逆模糊話方法在我們上面的PID控制算法中由于常規情況下，PID調節器不具備有在線調整參數的功能，因此不能滿足在不哦他能夠環境下系統對參數的自整定的要求，從而影響其控制效果的進一步提高。為此我們在得到輸入電壓時，實際上同時也能得到該采樣時刻的輸入電壓與上次采樣時刻的輸入電壓之差。將這兩個參數送入模糊控制器，通過模糊控制器，確定此時的，，從而實現PID控制參數的自整定，提高系統的控制性能。(圖14系統響應曲線)PID自整定的設計思想是先找出PID三個參數與偏差和偏差變化率之間的模糊關系，在工作中通過不斷檢測和，再根據模糊控制原理對參數，，進展在線校正，以滿足不同和時對控制器參數的不同要求，而使被控對象有良好的動態性能，而且計算量小，易于在MCU實現。一般情況下，在不同的和下，被控過程對參數，，的自整定可歸納如下。(1)當較大，即系統響應應出入上圖A段時，為了使系統響應具有較好的快速跟蹤性能，并防止因開場時的偏差的瞬間便打，可能引起微分過飽和，而使控制作用超出許可范圍，應取較大的和較小的，同時為防止系統響應出現較大的超調，需對積分作用加以限制，通常取(2)當為中等大小時，即系統響應處于B段時，為使系統具有較小的超調，應取較小的，適當的和，以保證系統響應速度，其中的取值對系統的響應速度影響較大。(3)當較小時，即系統響應處于曲線C段時，為使系統具有良好的穩定性能，應取較大的和，同時為防止系統在設定值附近出現震蕩，并考慮系統的抗干擾能力。當較小時，值可取大些，通常取為中等大??；當較大時，值應取小些。根據以上的控制規律，以及模糊控制的設計方法，我們采用如下控制方法。(1)采用三角基法建設，，，，的隸屬函數，即可得它們的隸屬函數(圖15E的三角隸屬函數)(圖16EC的三角隸屬函數)(圖17KP、KD、KI的三角隸屬函數)(2)確定模糊控制規那么表EECKPZSMBZZBMBSBBMBMBBMBBMBSM(圖18KP的模糊控制規那么)EECKIZSMBZBBZZSBBZZMBBSZBBMSZ(圖19KI的模糊控制規那么)EECKDZSMBZBBZZSBBZZMBBSZBBMSZ(圖20KD的模糊控制規那么)(3)根據模糊控制規那么確定，，在論域上的模糊集合，即(4)根據得到的模糊集合采用最大隸屬法去模糊化(5)最后得到了模糊控制查詢表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(圖21ukp的模糊控制查詢表)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(圖21uki的模糊控制查詢表)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(圖22ukd的模糊控制查詢表)模糊PID控制算法程序框圖如下開場開場AD采樣計算E及EC準確量模糊化查模糊表進展模糊判決并確定，，增量型PID控制采樣時刻到嗎(圖23模糊PID程序流程圖)模糊PID控制算法與只采用增量型PID控制的系統響應對比如以以下列圖。顯然用模糊PID控制算法的控制系統的控制效果更為理想。(圖24模糊PID與增量型數字PID控制性能對比圖)=3\*ROMANIII軟件設計軟件設計的目的是將各個控制模塊有效的整合起來。由于使用了AT89S52作為控制核心，其處理速度有限，尤其是本系統的功能較多，故對于軟件設計造成了很大的困難。如果基于傳統的單任務循環順序控制機制的程序設計方法進展編程的話，對于本操作系統的實時性和穩定性將會提出很大的挑戰。為此我們引入多任務機制進展管理，增強系統的使用效率。RTX51Tiny是一種用于8051系列微控制器的多任務實時操作系統(REALTIMEOPERATINGSYSTEM)，它可以很容易地在沒有任何外部存儲器的單片8051系統上運行。RTX51Tiny僅支持時間片輪轉任務切換和使用信號進展任務切換嗎不支持搶占式的任務切換，可以并行地利用終端功能，可以強迫一個任務等待中斷、超時、或等待從另一個任務或中斷發出的信號，但不能進展信息處理，也不支持存儲器分配或釋放。采用該實時操作系統作為內核，能保證系統對外界信息以足夠快的速度進展相應的處理，又能并行運行多個任務，同時可以提高應用軟件的開發效率，縮短系統開發周期。對于我們的操作系統，軟件主要分為以下幾個模塊=1