光電無(wú)損檢測(cè)用交流恒流源系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

趙琛　李思穎　沈杰

摘要：本文根據(jù)根據(jù)光電無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)，對(duì)光電無(wú)損檢測(cè)用交流恒流源系統(tǒng)進(jìn)行具體分析，提出了一套基于LPC1768微處理器的大功率交流恒流源的實(shí)現(xiàn)方法，介紹了當(dāng)前逆變調(diào)制中常見的SPWM算法，設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，利用MATLAB和Simulink仿真軟件建立系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案可行，且可以達(dá)到較好的穩(wěn)定性和較高的精度。

關(guān)鍵詞：光電無(wú)損檢測(cè)；交流恒流源；模糊PID；MATLAB/Simulink

中圖分類號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）01-0145-04

0 引言

光電無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是利用光、電、聲、磁等物理學(xué)方法在不損耗或影響被檢測(cè)對(duì)象的前提下，檢測(cè)被檢對(duì)象是否存在缺陷或不均勻性等信息，根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象與應(yīng)用場(chǎng)合采用不同的無(wú)損光電檢測(cè)技術(shù)和相應(yīng)的檢測(cè)裝置來實(shí)現(xiàn)[1-2]。但不管何種光電檢測(cè)技術(shù)中，均應(yīng)用有各類物性型敏感器件，如熱敏、力敏、光敏、磁敏等傳感器，由于這些傳感器一般采用半導(dǎo)體材料制作，在工業(yè)環(huán)境惡劣的情況下進(jìn)行檢測(cè)時(shí)光電無(wú)損檢測(cè)裝置供電如果不穩(wěn)定，將大為降低光電無(wú)損檢測(cè)精度。若采用穩(wěn)壓電源，諸如顯像管、功率發(fā)射管等電真空期間在額定電壓點(diǎn)燃時(shí)，容易因沖擊電流過大而損壞，而交流恒流源能有效避免上述情況，還可省去大量啟動(dòng)設(shè)備，消除半導(dǎo)體制成的傳感器其連接器電阻和接觸電阻的影響，并且在核物理實(shí)驗(yàn)裝置等磁場(chǎng)要求十分穩(wěn)定情況下，必須采用恒流源供電[3-5]。

1 恒流源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

在現(xiàn)有光電無(wú)損檢測(cè)工業(yè)應(yīng)用中，供電方式通常采用市電或者專用電源，本文設(shè)計(jì)方式可根據(jù)使用環(huán)境將無(wú)損檢測(cè)裝置與恒流電源在避免互相干擾的情況下進(jìn)行模塊化封裝。該恒流源系統(tǒng)是基于微處理器LPC1768的控制，配合A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊，采樣處理模塊和光電無(wú)損檢測(cè)裝置等組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

本光電無(wú)損檢測(cè)用恒流源系統(tǒng)與普通程控恒流電源有所不同的是，采用線性負(fù)反饋的方式進(jìn)行電流的恒定，精度更高，系統(tǒng)魯棒性好。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，重置預(yù)設(shè)參數(shù)（若針對(duì)某一常用設(shè)備，則可直接調(diào)用已保存的設(shè)置），光電檢測(cè)用恒流源系統(tǒng)采集380V市電信號(hào)及50Hz/60Hz頻率等信號(hào)，經(jīng)過整流逆變處理后經(jīng)換流器輸出低壓大電流供光電無(wú)損檢測(cè)用電設(shè)備[6-7]。為維持用電電流的穩(wěn)定性，需要將輸出電信號(hào)進(jìn)行反饋，與人機(jī)交互界面預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，通過電壓、電流雙閉環(huán)控制、模糊PID算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并實(shí)時(shí)跟蹤市電電流、相位、頻率等信號(hào)，在頻率相位跟蹤模塊的作用下，實(shí)現(xiàn)光電無(wú)損檢測(cè)用恒流源系統(tǒng)的頻率相位跟蹤，再通過誤差處理模塊，產(chǎn)生雙極性SPWM波形，用以驅(qū)動(dòng)IGBT得到穩(wěn)定輸出電流值。

2 模糊PID控制模型建立

考慮到在光電無(wú)損檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中，在進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)任務(wù)時(shí)，通常在具有輻射的外界環(huán)境下進(jìn)行，且檢測(cè)對(duì)象為非線性負(fù)載，常規(guī)PID閉環(huán)控制方案不具備在線自整定的能力，系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能、輸出電流跟蹤能力等較差，影響光電無(wú)損檢測(cè)結(jié)果，不能滿足實(shí)際使用需求?；诖?，本位采用模糊PID控制策略，設(shè)計(jì)Fuzzy-PID控制器，將無(wú)損檢測(cè)用電設(shè)備輸入電流誤差及其變化率作為控制對(duì)象，配合ARM處理器實(shí)現(xiàn)單相全橋逆變系統(tǒng)中IGBT的開通與關(guān)斷的頻率，使輸出電流頻率相位跟蹤能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，精度高[7]。傳統(tǒng)PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，y（t）和r（t）為實(shí)際輸出電流值與預(yù)設(shè)電流值，e（t）=r（t）-y（t）為兩者電流偏差，u（t）為PID處理后的輸出值。根據(jù)有關(guān)資料可知PID控制系統(tǒng)輸出u（t）為：

（2-1）

式（2-1）中，KP為比例系數(shù)，TI為時(shí)間積分常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。

由于電流采集通過定時(shí)器分?jǐn)喾绞将@取，輸出并非連續(xù)性，時(shí)間t離散化處理后有：

（2-2）

（2-3）

（2-4）

離散化后的位置式PID控制方程為：

式中，；， T為系統(tǒng)采樣周期，e（K）和e（K-1）分別為K時(shí)刻和K-1時(shí)刻輸出與預(yù)設(shè)電流誤差值。

根據(jù)上式可類推增量式為：

（2-5）

由式（2-5）可知，增量式PID的控制輸出量相比傳統(tǒng)位置式PID計(jì)算量大為減少，置于前三次采樣電流誤差值有關(guān)。本光電檢測(cè)用恒流源仿真系統(tǒng)在增量式PID的參數(shù)上利用模糊控制器進(jìn)行在線修改，通過與PID調(diào)節(jié)器組成模糊PID控制器[8]，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

模糊PID控制系統(tǒng)保護(hù)傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器和進(jìn)行參數(shù)校正的模糊控制器，通過模糊自整定方式，以模糊規(guī)則找出PID參數(shù)KP、KD、KI與e和ec之間的關(guān)系，模糊推理后進(jìn)行在線修正，再查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)的精確性，自校正控制流程圖如圖4所示。

3 交流恒流源系統(tǒng)仿真

對(duì)核電站相關(guān)設(shè)備進(jìn)行光電無(wú)損檢測(cè)，其準(zhǔn)確性相比普通光電無(wú)損檢測(cè)要求更高，通過仿真實(shí)驗(yàn)可提前預(yù)估電源使用效果，分析確定該恒流源是否可用于實(shí)際工程中。該光電無(wú)損檢測(cè)用交流恒流源利用MATLAB中的Simulink工具箱搭建仿真系統(tǒng)，并利用MATLAB編寫模糊PID控制器程序，設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)[9-10]。

3.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器誤差E及其變化率EC作為輸入輸入因子，模糊邏輯控制器處理相關(guān)因子后輸出PID的修正參數(shù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙輸入、三輸出的模糊PID控制器仿真模型[11]。模糊控制器的設(shè)計(jì)如圖5所示。

3.2 恒流源主控制系統(tǒng)仿真與實(shí)現(xiàn)

光電無(wú)損檢測(cè)用交流恒流源主控制系統(tǒng)以電源輸出電流和預(yù)設(shè)值得誤差作為反饋數(shù)據(jù)對(duì)輸入端進(jìn)行控制的閉環(huán)系統(tǒng)[12-13]。通過調(diào)節(jié)SPWM波的占空比來控制IGBT組成的H橋，使用輸出交流電達(dá)到穩(wěn)定。主系統(tǒng)模糊PID控制仿真模型如圖7所示。

仿真模型預(yù)設(shè)常用電流值為200A，以市電整流后的530V直流電為輸入，通過逆變?yōu)V波升流后輸出交流電，與預(yù)設(shè)值比較后通過模糊PID控制器進(jìn)行PID調(diào)整，得到穩(wěn)定的交流輸出電流[14-15]，對(duì)輸出電壓波形和輸出電流值波形進(jìn)行示波器采集，波形如圖8所示。

由圖8可知，在模糊PID控制下，電壓波形更加平滑穩(wěn)定；由圖9可知，模糊PID輸出電流波形超調(diào)量小，峰值低，不易對(duì)用電設(shè)備造成電流擊穿損壞，且比傳統(tǒng)PID控制下提前0.1s實(shí)現(xiàn)輸出電流恒定。因此，相比之下，模糊PID控制比傳統(tǒng)PID控制可更好的滿足光電無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過在進(jìn)行光電無(wú)損檢測(cè)過程中遇到的問題進(jìn)行分析，提出光電無(wú)損檢測(cè)用恒流電源模糊PID控制理論，采用MATLAB軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)建模仿真，記錄輸出波形，并進(jìn)行對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明該恒流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在光電無(wú)損檢測(cè)中的可行性，其模糊PID控制策略，良好動(dòng)態(tài)性和魯棒性，對(duì)光電無(wú)損檢測(cè)相關(guān)恒流源設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)提供了參考。

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Abstract：According to according to the characteristics of photoelectric non-destructive test， the constant current source system were analyzed by AC optical nondestructive testing， put forward a set of high power AC constant current source based on LPC1768 microprocessor realization method， introduces the common SPWM algorithm for current inverter modulation， design a fuzzy PID controller， system simulation model is established using the MATLAB and Simulink simulation software. The simulation results show that the design scheme is feasible and can achieve better stability and higher precision.

Key words：optoelectronic nondestructive examination； AC constant current source； fuzzy PID； MATLAB/Simulink