原标题：基于高耦合逆变赔偿的水利工程电气控制系统设计摘 要：嵌入式Linux内核情况下举行电气的控制系统优化设计,可以提高电气的集成控制性能,针对当前的电气控制系统耦合控制能力不佳的问题,提出并设计一种基于鲁棒性变结构PID和高耦合逆变赔偿的电气控制系统。首先举行了电气控制系统总体设计构架和功效模块形貌,接纳低功耗的STM32F101xx作为焦点控制芯片举行控制系统的硬件设计,包罗AD模块、驱动模块、执行器模块和高压调治模块等。

对电气控制系统的功效指标举行分析,接纳鲁棒性变结构PID控制算法举行电气控制系统的高耦合逆变赔偿,在法式加载模块举行控制算法加载,完成基于高耦合逆变赔偿的水利工程电气控制系统设计。系统调试效果讲明,该系统具有较好的电气智能化控制性能,对基线漂移和高压过载等失真的赔偿性较好,负载能力获得提高。

相较于传统系统,该系统的控制精度较高,最高控制误差不凌驾40%,且控制耗时较低。关键词：嵌入式Linux内核; PID; 电气控制; 系统设计; 水利工程; 水电站;作者简介： 俞娟(1978—),女,实验师,硕士,主要从事电气工程与自动化专业的教学与实践指导研究。E-mail:yujuanyj@aliyun.com;基金： 国家自然科学基金项目(61472429,U1836209)引用：俞娟 . 基于高耦合逆变赔偿的水利工程电气控制系统设计［J］. 水利水电技术，2020，51( 7) : 70-76.YU Juan. High coupling inverting compensation-based design of electric control system for water conservancy project［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 7) : 70-76.0 引 言电气控制系统涉及领域较多,相关技术有盘算机技术、网络智能技术等,在电气控制系统中对成熟技术的应用使得水利工程领域的电气控制系统实际应用效果获得了很大提高,为水利水电工程自动化的实现提供了有力的保障。

将电气自动化技术有效地应用于水利水电工程中,不仅能更好地使用资源,还能使工程效率获得提高,进而提高水电工程治理的便捷性。智能技术可以控制庞大、多变的工具模型,大大淘汰了不行控因素对工具模型的影响,提高了自动化系统的精度。因此,为更好地推进现代化建设,有须要鼎力大举推广电气自动化技术的应用。

集成电气自动化控制系统是保障电气自动化稳定性运行的关键,通过电气控制提高电气设备的输出稳定性和功率增益。随着电气自动化技术的生长,接纳集成DSP芯片和低功耗的控制集成软件举行电气控制系统设计,丈量、记载、分析电气设备运行的相关参数,通过参数自整定性分析,能有效对功率损耗、电机的谐波振动、漏磁等损耗举行二次计划和优化设计,研究电气控制系统的优化设计方法,能实现电机和电气设备之间的全局优化耦合控制,抑制输出失真,提高误差赔偿能力,相关的控制系统设计方法研究在电气自动化系统设计中同样具有努力重要的意义。

现在,电气控制系统的设计取得了一定的研究结果。文献将电气控制应用到了水利浇灌自动监控系统中,该系统由电气监控中心和视频监控模块以及电气信息治理模块组成,系统能够实现田间智能浇灌,电气监控中心对无线数据传输举行监测,并引入数据收罗、数据流量控制以及泵站安防等技术,实现自动浇灌系统的电气控制。该系统改善了水利工程领域电气控制应用庞大度较高的问题,可是实际应用中发现该系统的误差赔偿能力较弱,容易导致较大的监控误差。文献设计一种基于87C196KC单片机的大型水电站电压电气节能控制系统。

硬件部门由87C196KC单片机、多相电压检测电路、功放电路等组成。通过A/D转换器与D/A转换器对大型水电站电压信号举行转换;系统的软件部门使用模糊控制算法实现。

该系统控制误差较小,可是存在算法加载历程耗时较长问题。文献提出基于滑模的永磁同步电机自抗扰控制系统。依据对伺服系统的数学模型分析效果,对电气控制系统参数变化引起随机扰动举行监测并赔偿,此时系统可看做是积分器串联型,滑模状态反馈使闭环伺服系统实现快速控制。

该电气控制系统的电机自抗扰控制效果较好,可是存在系统功效指标不明确问题,导致该系统事情效率较低。由于当前方法没有通过鲁棒性变结构PID控制算法,完成电气控制系统的高耦合逆变赔偿,导致水利工程电气控制系统泛起控制效果较差的问题,为相识决当前方法存在的问题,实现高效率、高准确度的电气设备控制,引入高耦合逆变赔偿方法以更好地实现电气系统控制,提出基于高耦合逆变赔偿的水利工程电气控制系统设计方法。详细步骤如下:(1)简朴形貌了水电工程电气控制系统对社会经济生长的重要作用,并先容了传统控制方法,存在耗时长、精度差等问题。

(2)通过焦点控制芯片设计控制系统的硬件部门,包罗AD模块、驱动模块、执行器模块和高压调治模块等,实现电气控制系统总体设计构架和功效模块的整体形貌。(3)引入鲁棒性变结构PID控制算法,完成电气控制系统的高耦合逆变赔偿,分析电气控制系统的功效指标,在法式加载模块举行控制算法加载,实现基于高耦合逆变赔偿的水利工程电气控制系统设计。(4)试验与讨论,在电气控制的输出性能、差别负载下的电气控制参量、控制误差对比和控制耗时对比四个方面,验证本文系统的整体有效性。

1 电气控制系统总体设计构架首先分析电气集成智能控制系统总体设计并举行功效模块分析和先容,电气控制系统建设在通用盘算机控制平台基础上,同样可以接纳嵌入式控制平台,实现系统的兼容设计,通过AD采样电路对收罗的电气机电信息参数举行自整定性处置惩罚,设计控制器举行集成智能控制,接纳传感器举行控制中心单元的工况信息,接纳继电器作为执行控制单元输出到DSP智能处置惩罚芯片中举行控制信息处置惩罚。在电气控制系统设计中,选择了ADI公司的ADSP-BF537举行电气控制信息处置惩罚,在控制执行单元,由输出控制陀螺仪举行电磁滋扰和电机温升等参量的稳态控制和误差赔偿,基于高耦合逆变赔偿方法,淘汰电气控制中的谐波,防止磁饱和,凭据上述电气控制系统的总体设计原理,获得电气控制系统的设计结构如图1所示。图1 电气控制系统的设计结构框图凭据图1所示的电气控制系统的设计结构框图,建设几何参数和控制目的函数,举行控制系统优化设计。

2 水利工程电气控制2.1 电气控制系统的功效指标分析凭据上述对电气控制系统总体设计形貌,联合设计的需求和外围器件的参数性能,举行电气控制系统的功效指标分析,系统选用ADI公司的A/D和D/A完成24通道的控制信息收罗的多通道数据记载,接纳低功耗的STM32F101xx作为焦点控制系统举行控制系统的硬件设计。凭据上述设计原理,获得电气控制系统设计的技术指标形貌如下。

(1)电气控制系统的信息收罗通道接纳低电压复位实现法式动态加载,加载的信息分贝数为:-20 dB～+30 dB,为了增强系统的抗滋扰性,设计的指令周期为DMA0。(2)在1.6 s内看门狗输入端RTC设定为11,DMA控制器具有低电池检测功效,实现多线程的异步输入。

(3)PFI管脚电压低于1.25 V,控制信息采样率≥1 200 kHz。(4)DSP法式接纳16位打包模式,在1.6 s内A/D分辨率:10位(至少)。

(5)周期的保持时间从地址0x20000000执行,控制系统的电源供电为220 V电源,SPI存储器的动态电流低于2 μA,通过串行的TWI存储器数据加载到DSP中。(6)引导ROM开始执行MXI总线控制,D/A转换速率≥200 kHz。凭据上述功效模块分析和控制系统的技术指标形貌,举行电气控制系统的集成开发与设计。

2.2 控制算法设计在上述举行了电气控制系统的总体设计形貌和功效技术指标分析的基础上,举行控制器的控制律设计,控制器设计的焦点在于控制算法,针对当前的控制系统耦合控制能力欠好的问题,提出一种基于鲁棒性变结构PID和高耦合逆变赔偿的电气控制系统设计方法,鲁棒性变结构PID神经网络的结构模型如图2所示。选定电气控制系统的永磁体体积、绕组等参量作为变结构PID神经网络的输入训练矢量集x(t)=(x0(t),x1(t),…,xk-1(t))T;其中k为永磁体磁场下的PID训练矢量个数,电气控制通道个数N,电机导体在磁场中的永磁绕组密度和铁芯密度为ρm、ρw,令控制向量x(t),t=0,1,…,n-1,举行鲁棒性变结构PID神经网络训练,在输入层,设定导体在磁场B中运动的初始采样时间值t=0,获得电气控制系统的PID三通道输入模型表述为式中,φa、ψa、γ为电气控制输入变量,划分为线圈截面积、线圈跨度系数和绕组电阻;φ˙aφ˙a、ψ˙aψ˙a、γ˙γ˙为电气控制的多模决议变量;φ¨aφ¨a、ψ¨aψ¨a、γ¨γ¨为电气的机电系统输入功率;b1、b2、b3、d3为控制端电压的已知系数;Δb1、Δb2、Δb3、Δd3为线圈跨度系数的输出增益;fd1、fd2、fd3为整距绕组的滋扰参量;δφ、δψ、δγ为静态神经元控制输入。采绕组发生的电损耗举行自整定性抑制,对控制目的函数进一步整理可获得图2 鲁棒性变结构PID神经网络的结构模型思量到漏磁系数的影响,对输入鲁棒性变结构PID神经网络设定频率响应计数,接纳自适应模糊加权,获得定/转子铁芯的加权向量模式x(t)=(x0(t),x1(t),…,xk-1(t))T,设置智能传感电机简直定性参量形貌为(N,M),思量电气控制系统的模糊约束参量,获得电气的控制输出误差为式中,M−1nn-1为智能传感电机传输电量;u为传感向量;hn(φa,φ˙a)hn(φa,φ˙a)为误差函数;φ¨adφ¨ad为电气控制总量。

通过Routh稳定判据对电气控制系统举行自适应训练,训练完所有的L个训练矢量,获得电气控制的模糊自适应赔偿状态函数为式中,GC(s)为原始电气数据;G0(s)为训练后的电气数据;e-τs为自适应系数;Gm(s)为电气控制趋势函数。调整与输出节点Nj*的自适应加权,获得控制参量的输入模型为式中,p(ai)为被控工具的控制误差,0≤p(ai)≤1(i=0,1,2,…,m)。进而获得控制器的闭环系统为基于自适应能量平衡举行电机的电流振荡抑制和高耦合逆变赔偿,界说d(t)=d1(t)+d2(t),被控工具的开环频率特征量取则PID控制的通报函数选为式中,c为通报系数。通过基线漂移抑制举行逆变误差赔偿,进而实现电气控制系统的优化控制,界说Lyapunov函数为式中,T为转置符号。

对Lyapunove函数求导,获得在上界已知的情况下,几圈电气控制系统的惯性阶段的增益,获得控制误差预计值ρ¯ˆ(x,ω)ρ¯^(x,ω),则有凭据Lyapunove稳定性原理得知,本文设计的鲁棒性变结构PID和高耦合逆变赔偿控制算法是稳定收敛的。3 控制系统的硬件设计与实现在上述举行了电气控制系统的算法形貌的基础上,举行系统设计,主要举行系统的硬件模块设计,系统的模块化设计包罗AD模块、驱动模块、执行器模块和高压调治模块等。3.1 AD模块AD模块实现电气控制系统的AD采样和信息输入,接纳STM32F101xx芯片作为AD模块的焦点控制芯片,AD的最大时钟频率设置为45 kHz,具有半双工的双向端口形式,接纳ST超低功耗 ARM CortexTM-M0微控制器为电气控制系统的Linux内核,电气控制系统的AD模块电路设计如图3所示。

3.2 驱动模块驱动模块是电气控制系统的焦点模块,接纳PXI总线内部总线技术实现16个复用引脚的电气设备驱动。驱动模块的触发方式分为内触发和外触发两种,接纳通用的PPI模式举行延时计数,设置完DMA参数后举行法式驱动法式接口设计,获得电气控制系统驱动模块的接口电路如图4所示。3.3 执行器模块执行器模块在有外部FIFO的情况下实现电气控制系统的65 MHz的电机控制和执行,接纳ADG3301设计开关电平和控制式中,接纳低功耗的STM32F101xx作为焦点控制芯片,实现执行器模块的硬件设计。

高压调治模块实现电气控制系统的高压调治功效,使用ADM706S准确监控3.3 V电压举行高压调治。图3 电气控制系统的AD模块电路设计图4 驱动模块的接口设计最后使用WorkBench电路仿真软件举行电气控制系统的集成电路设计,获得设计硬件集成设计如图5所示。4 试验测试分析为了测试本文设计的基于鲁棒性变结构PID和高耦合逆变赔偿的电气控制系统的应用性能,举行仿真试验。试验所在为江苏省南京市高淳县的某重点水利工程项目基地。

在该水利工程的电气控制中心,构建电气控制系统的Linux内核,通历程序加载模块举行控制算法的法式加载,编写CMD下令文件举行法式编译和控制算法加载,系统PCI总线与5409A数据总线毗连,通过S3C2440内部A/D转换设备举行电气控制历程中的特征波形显示和信息输出,A/D采样频率25 MHz,线圈距离120 mm,电机输出电压24 V。以下试验测试历程均以上述初始参数设置为试验条件,凭据上述仿真情况设定,举行系统调试,获得接纳本文控制系统举行电气控制的输出电压和电流波形如图6所示。图5 电气控制系统的集成设计图6 电气控制的输出性能分析图6得知,本文系统下输出电压和电流颠簸获得了显着改善,说明系统对电气控制历程的高压过载和电流基线漂移等失真的赔偿性能较好。在初始试验条件约束下,为进一步充实验证本文控制系统的有效性,选取控制输出误差为试验对比测试指标,保持试验条件的一致性,凭据式(3)盘算方式,将本文控制系统与文献[6]系统和文献[7]系统举行对比,效果如表1所列。

表1 控制误差对比效果凭据表1分析效果可以看出,本文控制系统的精度较高,在70次的试验测试历程中,本文系统的最高控制误差不凌驾4.0%,文献[6]系统的控制误差高达41.0%,文献[7]系统的控制误差高达39.8%,两种文献系统的误差均远远高于本文系统,由此可以看出,本文的电气控制系统具有较高的控制性能,能够高精度完成水利工程电气控制。设定70次试验,每次试验条件相同,使用本文系统与文献[6]和文献[7]系统举行电气控制,耗时效果记载如下。凭据表2分析效果可以看出,相较于传统控制系统,本文控制系统的耗时较低,不凌驾6.8 s,而文献[6]系统和文献[7]系统的控制耗时相对较高,高于40%,远远高于本文系统。

究其原因,是因为本文系统设计历程中,硬件部门将驱动模块作为焦点,使用16个复用引脚的电气设备驱动,接纳通用的PPI模式举行延时计数,对控制耗时举行了定量分析,由此完成了法式驱动接口设计,大大降低了控制系统耗时。表2 控制耗时对比效果5 结 论电气自动化控制系统能够保证设备运行的可靠性与宁静性,满足水利工程智能化生长的需求,促进社会经济的进步。

本文针对当前水利工程电气控制系统存在系统耦合控制能力较差的问题,提出基于鲁棒性变结构PID和高耦合逆变赔偿的电气控制系统设计方法。(1)接纳鲁棒性变结构PID控制算法举行电气控制系统的高耦合逆变赔偿,举行系统的硬件模块化设计,包罗AD模块、驱动模块、执行器模块和高压调治模块等,在法式加载模块举行控制算法加载,实现基于高耦合逆变赔偿的水利工程电气控制系统设计。(2)设计系统对基线漂移和高压过载等失真的赔偿性较好,对输出参量的控制性能较好,同时最高控制误差不凌驾4.0%,控制系统耗时低于6.8 s,证明本文系统具有更好的输出增益和负载能力,系统准确性和控制效率更高。

然而,本文研究仍旧存在一定的不足,对输出参量的类型、数量等详细信息的形貌不足,在以后的研究中,需要逐步细化电气输出参量问题,举行进一步的处置惩罚,为电气深入控制研究提供更好的数据基础,提高控制的全面性,进而促进水利工程电气工程的顺利实施。水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文焦点期刊，面向海内外公然刊行。本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护，以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主，同时也报道外洋的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工修建、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水情况与水生态、运行治理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利计划、防汛抗旱、建设治理、新能源、都会水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。

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