嵌入式Linux內核環境下的水利工程電氣控制系統設計

原標題：

基於高耦合逆變補償的水利工程電氣控制系統設計

摘 要：

嵌入式Linux內核環境下進行電氣的控制系統優化設計,可以提高電氣的集成控制性能,針對當前的電氣控制系統耦合控制能力不佳的問題,提出並設計一種基於魯棒性變結構PID和高耦合逆變補償的電氣控制系統。首先進行了電氣控制系統總體設計構架和功能模塊描述,採用低功耗的STM32F101xx作為核心控制晶片進行控制系統的硬體設計,包括AD模塊、驅動模塊、執行器模塊和高壓調節模塊等。對電氣控制系統的功能指標進行分析,採用魯棒性變結構PID控制算法進行電氣控制系統的高耦合逆變補償,在程序加載模塊進行控制算法加載,完成基於高耦合逆變補償的水利工程電氣控制系統設計。系統調試結果表明,該系統具有較好的電氣智能化控制性能,對基線漂移和高壓過載等失真的補償性較好,負載能力得到提高。相較於傳統系統,該系統的控制精度較高,最高控制誤差不超過40%,且控制耗時較低。

關鍵詞：

嵌入式Linux內核; PID; 電氣控制; 系統設計; 水利工程; 水電站;

作者簡介：

俞娟(1978—),女,實驗師,碩士,主要從事電氣工程與自動化專業的教學與實踐指導研究。

E-mail:[e-mail];

基金：

國家自然科學基金項目(61472429,U1836209)

引用：

俞娟 . 基於高耦合逆變補償的水利工程電氣控制系統設計［J］. 水利水電技術，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

電氣控制系統涉及領域較多,相關技術有計算機技術、網絡智能技術等,在電氣控制系統中對成熟技術的應用使得水利工程領域的電氣控制系統實際應用效果得到了很大提高,為水利水電工程自動化的實現提供了有力的保障。將電氣自動化技術有效地應用於水利水電工程中,不僅能更好地利用資源,還能使工程效率得到提高,進而提高水電工程管理的便捷性。智能技術可以控制複雜、多變的對象模型,大大減少了不可控因素對對象模型的影響,提高了自動化系統的精度。因此,為更好地推進現代化建設,有必要大力推廣電氣自動化技術的應用。集成電氣自動化控制系統是保障電氣自動化穩定性運行的關鍵,通過電氣控制提高電氣設備的輸出穩定性和功率增益。隨著電氣自動化技術的發展,採用集成DSP晶片和低功耗的控制集成軟體進行電氣控制系統設計,測量、記錄、分析電氣設備運行的相關參數,通過參數自整定性分析,能有效對功率損耗、電機的諧波振動、漏磁等損耗進行二次規劃和優化設計,研究電氣控制系統的優化設計方法,能實現電機和電氣設備之間的全局優化耦合控制,抑制輸出失真,提高誤差補償能力,相關的控制系統設計方法研究在電氣自動化系統設計中同樣具有積極重要的意義。

目前,電氣控制系統的設計取得了一定的研究成果。文獻將電氣控制應用到了水利灌溉自動監控系統中,該系統由電氣監控中心和視頻監控模塊以及電氣信息管理模塊組成,系統能夠實現田間智能灌溉,電氣監控中心對無線數據傳輸進行監測,並引入數據採集、數據流量控制以及泵站安防等技術,實現自動灌溉系統的電氣控制。該系統改善了水利工程領域電氣控制應用複雜度較高的問題,但是實際應用中發現該系統的誤差補償能力較弱,容易導致較大的監控誤差。文獻設計一種基於87C196KC單片機的大型水電站電壓電氣節能控制系統。硬體部分由87C196KC單片機、多相電壓檢測電路、功放電路等組成。通過A/D轉換器與D/A轉換器對大型水電站電壓信號進行轉換;系統的軟體部分利用模糊控制算法實現。該系統控制誤差較小,但是存在算法加載過程耗時較長問題。文獻提出基於滑模的永磁同步電機自抗擾控制系統。依據對伺服系統的數學模型分析結果,對電氣控制系統參數變化引起隨機擾動進行監測並補償,此時系統可看做是積分器串聯型,滑模狀態反饋使閉環伺服系統實現快速控制。該電氣控制系統的電機自抗擾控制效果較好,但是存在系統功能指標不明確問題,導致該系統工作效率較低。由於當前方法沒有通過魯棒性變結構PID控制算法,完成電氣控制系統的高耦合逆變補償,導致水利工程電氣控制系統出現控制效果較差的問題,為了解決當前方法存在的問題,實現高效率、高準確度的電氣設備控制,引入高耦合逆變補償方法以更好地實現電氣系統控制,提出基於高耦合逆變補償的水利工程電氣控制系統設計方法。具體步驟如下:

(1)簡單描述了水電工程電氣控制系統對社會經濟發展的重要作用,並介紹了傳統控制方法,存在耗時長、精度差等問題。

(2)通過核心控制晶片設計控制系統的硬體部分,包括AD模塊、驅動模塊、執行器模塊和高壓調節模塊等,實現電氣控制系統總體設計構架和功能模塊的整體描述。

(3)引入魯棒性變結構PID控制算法,完成電氣控制系統的高耦合逆變補償,分析電氣控制系統的功能指標,在程序加載模塊進行控制算法加載,實現基於高耦合逆變補償的水利工程電氣控制系統設計。

(4)試驗與討論,在電氣控制的輸出性能、不同負載下的電氣控制參量、控制誤差對比和控制耗時對比四個方面,驗證本文系統的整體有效性。

1 電氣控制系統總體設計構架

首先分析電氣集成智能控制系統總體設計並進行功能模塊分析和介紹,電氣控制系統建立在通用計算機控制平臺基礎上,同樣可以採用嵌入式控制平臺,實現系統的兼容設計,通過AD採樣電路對採集的電氣機電信息參數進行自整定性處理,設計控制器進行集成智能控制,採用傳感器進行控制中心單元的工況信息,採用繼電器作為執行控制單元輸出到DSP智能處理晶片中進行控制信息處理。在電氣控制系統設計中,選擇了ADI公司的ADSP-BF537進行電氣控制信息處理,在控制執行單元,由輸出控制陀螺儀進行電磁幹擾和電機溫升等參量的穩態控制和誤差補償,基於高耦合逆變補償方法,減少電氣控制中的諧波,防止磁飽和,根據上述電氣控制系統的總體設計原理,得到電氣控制系統的設計結構如圖1所示。

圖1 電氣控制系統的設計結構框圖

根據圖1所示的電氣控制系統的設計結構框圖,建立幾何參數和控制目標函數,進行控制系統優化設計。

2 水利工程電氣控制

2.1 電氣控制系統的功能指標分析

根據上述對電氣控制系統總體設計描述,結合設計的需求和外圍器件的參數性能,進行電氣控制系統的功能指標分析,系統選用ADI公司的A/D和D/A完成24通道的控制信息採集的多通道數據記錄,採用低功耗的STM32F101xx作為核心控制系統進行控制系統的硬體設計。根據上述設計原理,得到電氣控制系統設計的技術指標描述如下。

(1)電氣控制系統的信息採集通道採用低電壓復位實現程序動態加載,加載的信息分貝數為:-20 dB～+30 dB,為了增強系統的抗幹擾性,設計的指令周期為DMA0。

(2)在1.6 s內看門狗輸入端RTC設定為11,DMA控制器具有低電池檢測功能,實現多線程的異步輸入。

(3)PFI管腳電壓低於1.25 V,控制信息採樣率≥1 200 kHz。

(4)DSP程序採用16位打包模式,在1.6 s內A/D解析度:10位(至少)。

(5)周期的保持時間從地址0x20000000執行,控制系統的電源供電為220 V電源,SPI存儲器的動態電流低於2 μA,通過串行的TWI存儲器數據加載到DSP中。

(6)引導ROM開始執行MXI總線控制,D/A轉換速率≥200 kHz。

根據上述功能模塊分析和控制系統的技術指標描述,進行電氣控制系統的集成開發與設計。

2.2 控制算法設計

在上述進行了電氣控制系統的總體設計描述和功能技術指標分析的基礎上,進行控制器的控制律設計,控制器設計的核心在於控制算法,針對當前的控制系統耦合控制能力不好的問題,提出一種基於魯棒性變結構PID和高耦合逆變補償的電氣控制系統設計方法,魯棒性變結構PID神經網絡的結構模型如圖2所示。

選定電氣控制系統的永磁體體積、繞組等參量作為變結構PID神經網絡的輸入訓練矢量集x(t)=(x0(t),x1(t),…,xk-1(t))T;其中k為永磁體磁場下的PID訓練矢量個數,電氣控制通道個數N,電機導體在磁場中的永磁繞組密度和鐵芯密度為ρm、ρw,令控制向量x(t),t=0,1,…,n-1,進行魯棒性變結構PID神經網絡訓練,在輸入層,設定導體在磁場B中運動的初始採樣時間值t=0,得到電氣控制系統的PID三通道輸入模型表述為

式中,φa、ψa、γ為電氣控制輸入變量,分別為線圈截面積、線圈跨度係數和繞組電阻;φ˙aφ˙a、ψ˙aψ˙a、γ˙γ˙為電氣控制的多模決策變量;φ¨aφ¨a、ψ¨aψ¨a、γ¨γ¨為電氣的機電系統輸入功率;b1、b2、b3、d3為控制端電壓的已知係數;Δb1、Δb2、Δb3、Δd3為線圈跨度係數的輸出增益;fd1、fd2、fd3為整距繞組的幹擾參量;δφ、δψ、δγ為靜態神經元控制輸入。採繞組產生的電損耗進行自整定性抑制,對控制目標函數進一步整理可得到

圖2 魯棒性變結構PID神經網絡的結構模型

考慮到漏磁係數的影響,對輸入魯棒性變結構PID神經網絡設定頻率響應計數,採用自適應模糊加權,得到定/轉子鐵芯的加權向量模式x(t)=(x0(t),x1(t),…,xk-1(t))T,設置智能傳感電機的確定性參量描述為(N,M),考慮電氣控制系統的模糊約束參量,得到電氣的控制輸出誤差為

式中,M−1nn-1為智能傳感電機傳輸電量;u為傳感向量;hn(φa,φ˙a)hn(φa,φ˙a)為誤差函數;φ¨adφ¨ad為電氣控制總量。

通過Routh穩定判據對電氣控制系統進行自適應訓練,訓練完所有的L個訓練矢量,得到電氣控制的模糊自適應補償狀態函數為

式中,GC(s)為原始電氣數據;G0(s)為訓練後的電氣數據;e-τs為自適應係數;Gm(s)為電氣控制趨勢函數。

調整與輸出節點Nj*的自適應加權,得到控制參量的輸入模型為

式中,p(ai)為被控對象的控制誤差,0≤p(ai)≤1(i=0,1,2,…,m)。

進而得到控制器的閉環系統為

基於自適應能量均衡進行電機的電流振蕩抑制和高耦合逆變補償,定義d(t)=d1(t)+d2(t),被控對象的開環頻率特徵量取

則PID控制的傳遞函數選為

式中,c為傳遞係數。

通過基線漂移抑制進行逆變誤差補償,進而實現電氣控制系統的優化控制,定義Lyapunov函數為

式中,T為轉置符號。

對Lyapunove函數求導,得到

在上界已知的情況下,幾圈電氣控制系統的慣性階段的增益,得到控制誤差估計值ρ¯ˆ(x,ω)ρ¯^(x,ω),則有

根據Lyapunove穩定性原理得知,本文設計的魯棒性變結構PID和高耦合逆變補償控制算法是穩定收斂的。

3 控制系統的硬體設計與實現

在上述進行了電氣控制系統的算法描述的基礎上,進行系統設計,主要進行系統的硬體模塊設計,系統的模塊化設計包括AD模塊、驅動模塊、執行器模塊和高壓調節模塊等。

3.1 AD模塊

AD模塊實現電氣控制系統的AD採樣和信息輸入,採用STM32F101xx晶片作為AD模塊的核心控制晶片,AD的最大時鐘頻率設置為45 kHz,具有半雙工的雙向埠形式,採用ST超低功耗 ARM CortexTM-M0微控制器為電氣控制系統的Linux內核,電氣控制系統的AD模塊電路設計如圖3所示。

3.2 驅動模塊

驅動模塊是電氣控制系統的核心模塊,採用PXI總線內部總線技術實現16個復用引腳的電氣設備驅動。驅動模塊的觸發方式分為內觸發和外觸發兩種,採用通用的PPI模式進行延時計數,設置完DMA參數後進行程序驅動程序接口設計,得到電氣控制系統驅動模塊的接口電路如圖4所示。

3.3 執行器模塊

執行器模塊在有外部FIFO的情況下實現電氣控制系統的65 MHz的電機控制和執行,採用ADG3301設計開關電平和控制式中,採用低功耗的STM32F101xx作為核心控制晶片,實現執行器模塊的硬體設計。高壓調節模塊實現電氣控制系統的高壓調節功能,使用ADM706S精確監控3.3 V電壓進行高壓調節。

圖3 電氣控制系統的AD模塊電路設計

圖4 驅動模塊的接口設計

最後使用WorkBench電路仿真軟體進行電氣控制系統的集成電路設計,得到設計硬體集成設計如圖5所示。

4 試驗測試分析

為了測試本文設計的基於魯棒性變結構PID和高耦合逆變補償的電氣控制系統的應用性能,進行仿真試驗。試驗地點為江蘇省南京市高淳縣的某重點水利工程項目基地。在該水利工程的電氣控制中心,構建電氣控制系統的Linux內核,通過程序加載模塊進行控制算法的程序加載,編寫CMD命令文件進行程序編譯和控制算法加載,系統PCI總線與5409A數據總線連接,通過S3C2440內部A/D轉換設備進行電氣控制過程中的特徵波形顯示和信息輸出,A/D採樣頻率25 MHz,線圈距離120 mm,電機輸出電壓24 V。以下試驗測試過程均以上述初始參數設置為試驗條件,根據上述仿真環境設定,進行系統調試,得到採用本文控制系統進行電氣控制的輸出電壓和電流波形如圖6所示。

圖5 電氣控制系統的集成設計

圖6 電氣控制的輸出性能分析

圖6得知,本文系統下輸出電壓和電流波動得到了明顯改善,說明系統對電氣控制過程的高壓過載和電流基線漂移等失真的補償性能較好。

在初始試驗條件約束下,為進一步充分驗證本文控制系統的有效性,選取控制輸出誤差為試驗對比測試指標,保持試驗條件的一致性,根據式(3)計算方式,將本文控制系統與文獻[6]系統和文獻[7]系統進行對比,結果如表1所列。

表1 控制誤差對比結果

根據表1分析結果可以看出,本文控制系統的精度較高,在70次的試驗測試過程中,本文系統的最高控制誤差不超過4.0%,文獻[6]系統的控制誤差高達41.0%,文獻[7]系統的控制誤差高達39.8%,兩種文獻系統的誤差均遠遠高於本文系統,由此可以看出,本文的電氣控制系統具有較高的控制性能,能夠高精度完成水利工程電氣控制。

設定70次試驗,每次試驗條件相同,利用本文系統與文獻[6]和文獻[7]系統進行電氣控制,耗時結果記錄如下。

根據表2分析結果可以看出,相較於傳統控制系統,本文控制系統的耗時較低,不超過6.8 s,而文獻[6]系統和文獻[7]系統的控制耗時相對較高,高於40%,遠遠高於本文系統。究其原因,是因為本文系統設計過程中,硬體部分將驅動模塊作為核心,使用16個復用引腳的電氣設備驅動,採用通用的PPI模式進行延時計數,對控制耗時進行了定量分析,由此完成了程序驅動接口設計,大大降低了控制系統耗時。

表2 控制耗時對比結果

5 結 論

電氣自動化控制系統能夠保證設備運行的可靠性與安全性,滿足水利工程智能化發展的需求,促進社會經濟的進步。本文針對當前水利工程電氣控制系統存在系統耦合控制能力較差的問題,提出基於魯棒性變結構PID和高耦合逆變補償的電氣控制系統設計方法。

(1)採用魯棒性變結構PID控制算法進行電氣控制系統的高耦合逆變補償,進行系統的硬體模塊化設計,包括AD模塊、驅動模塊、執行器模塊和高壓調節模塊等,在程序加載模塊進行控制算法加載,實現基於高耦合逆變補償的水利工程電氣控制系統設計。

(2)設計系統對基線漂移和高壓過載等失真的補償性較好,對輸出參量的控制性能較好,同時最高控制誤差不超過4.0%,控制系統耗時低於6.8 s,證明本文系統具有更好的輸出增益和負載能力,系統準確性和控制效率更高。

然而,本文研究仍舊存在一定的不足,對輸出參量的類型、數量等具體信息的描述不足,在以後的研究中,需要逐步細化電氣輸出參量問題,進行進一步的處理,為電氣深入控制研究提供更好的數據基礎,提高控制的全面性,進而促進水利工程電氣工程的順利實施。

---

水利水電技術

水利部《水利水電技術》雜誌是中國水利水電行業的綜合性技術期刊（月刊），為全國中文核心期刊，面向國內外公開發行。本刊以介紹我國水資源的開發、利用、治理、配置、節約和保護，以及水利水電工程的勘測、設計、施工、運行管理和科學研究等方面的技術經驗為主，同時也報導國外的先進技術。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建築、工程施工、工程基礎、水力學、機電技術、泥沙研究、水環境與水生態、運行管理、試驗研究、工程地質、金屬結構、水利經濟、水利規劃、防汛抗旱、建設管理、新能源、城市水利、農村水利、水土保持、水庫移民、水利現代化、國際水利等。