脉冲电源在污水处理中的应用研究 72页

●学校代号：10731学号：082080804004密级：公开兰州理工大学硕士学位脉冲电源在污水处理中的应用研究\n一\nAppliedResearchofPluseGeneratorforWasterwaterTreatmentZHA0JinshanB．E．(ShandongUniversity)2006AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringPowerElectronicsandPowerDriversintheGraduateSchoolofLanzhouUniversityofTechnologySupervisorProfessorWANGXingguiMay,2011哪4Ⅲ7川4㈣5㈣8洲8iiii■l删Y\n\n兰州理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：赵缸日期：劬『／年石月7El学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名导师签名期：3．-011年期叫年∥月丫日I多月力日\n—————————————————————————’。。。。1\n硕十学位论文!lEEI,：．．--,l,a寡曼曼曼目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I√jLBSTRACT．⋯．⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．II第1章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．1用于污水处理的脉冲电源研究的背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一21．3课题主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2第2章脉冲电源基础性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．42．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．42．2流光放电⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．52．3交直流电源的工作原理及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．62．4反应器电压幅频特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．122．5流光放电时间与反应器电气参数的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．132．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18第3章脉冲电源电压控制策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯193．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯193．2数字PID控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．193．3模糊控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2l3．4模糊PID电压控制器设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．223．5仿真对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯263．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯27第4章控制系统硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯284．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯284．2PICl6F877芯片外围功能电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．284．3功能实现有关的寄存器和定时器／计数器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．304．4光电耦合器与单片机的连接方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．324．5驱动芯片IR2113结构原理及应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯344．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．36第5章控制系统软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯375．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯37T\n\n■■■，\n\n■■^k硕十学位论文摘要本文分析了污水处理脉冲电源的工作机理和工作特点，以及反应器电压幅频特性，针对反应器所在脉冲电源电路非线性和反应器模型不确定性的特点，通过对模糊控制理论和传统PID控制的研究，设计出模糊自适应PID控制器。将该控制器应用于脉冲电源输出电压的控制，提高了系统的动静态性能，达到了反应器流光放电工作状态的要求。根据流光放电的基本条件，对污水处理脉冲电源的电路、控制方法、软硬件设计进行了研究。分析了交、直流脉冲电源结构，以及脉冲电源的工作原理；对脉冲电源、反应器以及限流电感组成的串联电路进行了计算，分析了反应器在流光放电模式下电压幅值与频率的关系特性；流光放电时间与交流周期的比值分析表明，对提高流光放电时间而言，增加电源频率比增加交流电源电压幅值更有效。基于具有交互功能的MATLAB仿真工具和以PICl6F877为核心的硬件平台，进行了仿真和实验。仿真与实验结果表明软件设计实现交流电源主电路输出电压频率可调的SPWM波，以及直流电源主电路输出占空比可调的PWM波；交流电源电压与直流电源电压能够在反应器上实现电压叠加，满足反应器流光放电的工作条件。硬件设计实现电路安全、可靠运行。关键词：脉冲电源；幅频特性；流光放电；模糊PID控制；软硬件设计\n／■0J-rpJ—一r\n譬'I、～脉冲电源在污水处理中的戍用研究AbstractTheworkingmechanismandoperatingcharacteristicsofthewastewatertreatmentpulsepowerandthevoltageamplitude-frequencyofthereactorareanalyzed．Basedonthenonlinearcharacteristicsofthepowersupplycircuitandtheuncertaintyofthereactormodel，thefuzzycontrolandthetraditionalPIDcontrolarestudied，todesignthefuzzyself-adaptivePIDcontroller．Thecontrollerisappliedtotheoutputvoltagecontrolofpulsepower，toimprovethesystemdynamicandstaticperformanceandtoachievetheworkingrequirementsofthereactorinthestateofthestreamerdischarge．Inthispaper，combinedwiththebasicconditionsofstreamerdischarge，thesewagetreatmentpulsepowercircuit，controlmethods，hardwareandsoftwaredesignarediscussed．Thecalculationoftheseriescircuitconsistedofthepulsepower，current—limitinginductorandthereactor,furtherdefinestherelationshipbetweenvoltageamplitudeandfrequencyinthestreamerdischargemode．Assayingtheratiobetweenstreamerdischargetimeandthepowerperiodshowsthatintermsofimprovingthestreamerdischargetime，increasingthefrequencyofthepowersupplyismoreeffectivethanincreasingACvoltageamplitude．BasedonMATLABwithinteractivefunctionsandthePIC16F877asthecorehardwareplatform，TheoreticalanalysisandexperimentalresultsshowthatthesoftwaredesigncanenablethemainACcircuittooutputSPWMwave，andthemainDCcircuittooutputPWMwave．Thehardwaredesigncanenablethecircuittooperatesafelyandreliably．Keywords：thePulsePower；theAmplitude—FrequencyCharacteristics；StreamerDischarge；fuzzyPIDcontrol；softwareandhardwaredesignIl\n膏一-lb僧-，\n硕士学佛论文第1章绪论1．1用于污水处理的脉冲电源研究的背景和意义随着现代工业的发展，社会对环境的忽视以及人类活动的不断扩大，造成了越来越严重的环境污染。水体中大量污染物严重威胁着人类自身的健康，制约了社会的进步和经济的发展，这已经是一个不争的事实。水污染造成的危害已引起了世人的高度关注，污水处理已迫在眉睫，刻不容缓。目前市场上的污水处理设备大多采用常规的污水处理方法，包括生物处理法和物理化学絮凝法等，这些方法存在的明显不足是：1、前者从长远角度看，投资较大，不经济。2、后者在污水处理设备中很多装有高速离心部件，工作中需投入较多人员进行检修及维护，且由于离心部件的高速旋转，部分部件损坏、更换频繁，故障率较高。水污染形势的日益严峻，人们对污水处理技术、设备提出了越来越高的要求。流光放电理论与脉冲电源相结合的污水处理设备具有工作稳定，运行安全可靠，检修方便，易维护等特点；并且工作于流光放电模式下的污水处理设备的性价比要高于传统的污水处理设备。脉冲电源应用于污水处理中，利用了低温等离子体污水处理技术原理。低温等离子体属于强氧化性的自由基，其与废水中的污物作用，将其氧化为二氧化碳、盐，或水，且不会再产生二次污染。早在上个世纪90年代，浙江大学教授严克平等人发现，在直流电压上叠加上升率大于2×108V／S，峰值大于1KV的交流电压，可使放电转化为流光放电模式【l】。流光放电理论与脉冲电源相结合的污水处理设备其基本构成包括：控制电路、脉冲电源电路、作为流光放电工作体的反应器、水循环系统、雾化装置等。该污水处理设备工作时，直流高压与高频高压的交流电压叠加在反应器上，可实现反应器在流光放电模式下工作。该污水处理设备应用于污水处理中，不仅可以达到将污水净化的目的，而且应用该技术的污水处理设备还具有高效率、低成本、易控制、绿色环保等优点。目前，由于污染形势的日趋恶化，及治污力度的不断增大，该技术具有良好的实用性、市场前景、研发价值。在实际中，为使反应器在流光放电模式下工作，需要调节脉冲电源的参数，其中，交流脉冲电源的参数为电压幅值和频率，直流脉冲电源的参数为电压幅值。本文从脉冲电源的实用性、安全性、可靠性出发，基于对脉冲电源电路的计算，通过对反应器在流光放电时的工作规律，以及流光放电时间与交流周期的比值分析表明，通过调节方式增加电源频率更有利于反应器流光放电的实现。基于脉冲电源电路的非线性分析以及反应器在流光放电时自身参数变化的1\n脉冲电源在污水处理中的应用研究特点，脉冲电源的控制策略采用模糊PID控制，提高了脉冲电源的控制性能；采用光电耦合器将PICl6F888芯片进行有效隔离，避免强电环境下对其的破坏和外电路对其的干扰，保证芯片安全运行；驱动芯片独特接线方式提高了脉冲电源电路触发的可靠性。1．2国内外研究现状在流光放电这一理论模式发现之前，利用脉冲电源产生低温等离子体技术已用于污水处理设备。上个世纪70年代初，美国利用脉冲电源进行非食用水的处理；随后，日本也把脉冲电源技术用于生活污水的循环使用。但是，随着流光放电理论的出现，人们将脉冲电源与流光放电理论相结合并用于污水处理的研发才逐渐开始。流光放电理论应用于污水处理的优点及其结果已被公认。2008年，l0月哈尔滨工业大学研制了一台等离子体高压脉冲电源。2009年世界科技发展联合国和国际组织科技事务回顾中，提及乌克兰哈尔科夫物理技术研究所(国家科学中心)研发的辉光放电臭氧发生器【2】。目前，我们中国的污水处理设备、技术与欧美及日本等国相比仍处于比较落后状态。总体而言，污水处理作为一项公益事业投入资金不足、研发力度不够。目前，污水处理的研究大都限于其局部工作上，譬如，利用全桥移项技术，零点流、零电压关断，减小对IGBT的冲击，延长模块寿命；利用专用芯片控制，实现频率可调、功率可调；利用过流保护、过压保护、温度保护可输出485信号，实现PLC控制和远程控制；先进的电路设计；独特的电路整体设计，不加保护电路，电路自身就能实现短路保护；为适合稳定性强、高效率、高频开关等特点，开关器件采用东芝第五代IGBT模块；大功率铁氧体磁芯的使用，大大提高了变压器的效率，大幅度减小了中频硅钢高压包体积；采用高压包多股丝包线绕制、防潮防击穿、环氧树脂灌注、真空浸漆，克服了高频的集肤效应等。将流光放电理论用于污水处理脉冲电源，不仅为污水处理事业注入了生机，而且使污水处理设备在技术应用方面朝前又迈进了一大步。随着电力电子技术和电力电子器件及微处理器和大规模集成电路的进一步发展，用于污水处理的脉冲电源研究将朝大功率、自动化、智能化方向发展。1．3课题主要研究内容课题的目标是在脉冲电源电路计算分析、电气参数与流光放电关系的研究基础上，利用模糊PID电压控制器对脉冲电源进行控制。通过MATLAB(MatrixLaboratory)指令语言编程、仿真验证，该方案有效、可行。通过硬件设计和软件编程搭建实验平台，所用芯片为美国Microchip公司生产的PIC(Periphery2\nII’～硕士学何论文曼曼曼!曼曼曼曼曼量曼曼鼍曼鼍曼曼曼皇曼曼曼!曼曼曼曼!!!!!!曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅舅曼!曼曼曼曼曼曼曼曼曼lI鼍InterfaceChip)系列中档产品PICl6F877单片机，软件编程语言为汇编语言，在该实验平台上对理论分析的相关结果进行实验验证。本课题解决的主要问题有：1．选择适合于本文脉冲电源自身特点的控制方法脉冲电源电路分析以及反应器电压幅频特性表明脉冲电源电路的非线性。反应器在流光放电过程中其自身参数会发生变化，反应器流光放电前，其电阻为无穷大，电容为静态时电容；反应器发生流光放电时，其电阻阻抗呈指数规律下降，电容减小，容抗增大；流光放电结束后，反应器恢复至最初的状态。模型参数在很大范围内变化，建立一个精确的数学模型十分困难。根据脉冲电源电路的非线性以及反应器流光放电时自身参数变化很大的特点，将传统PID控制策略与模糊控制策略相结合，为脉冲电源控制系统设计出参数可自整定的自适应模糊PID控制器，使系统获得良好的动、静态特性【3】。2．污水处理脉冲电源输出高频高压，高压引起的设备故障较多流光放电时间与交流周期的比值分析表明，流光放电时间与反应器交流电压幅值和电源频率有关。当流光放电时间为常数时，反应器交流电压幅值与电源频率为反比关系，因此在保持流光放电时间为某一常值的条件下，通过提高电源频率降低反应器电压幅值，可以实现脉冲电源输出较低的交流电压，这不仅降低对设备绝缘强调的要求，同时还可以减少因高压击穿而引起的设备故障。3．提高脉冲电源电路以及控制电路工作的可靠性由于该电源为高频高压脉冲电源，电源对PICl6F877单片机影响较大。为保证单片机安全、可靠运行，利用光电耦合器的隔离作用，将单片机与外围电路进行了有效隔离，避免了单片机在强电环境下造成的破坏，消除了外电路对单片机的干扰【4】。为实现脉冲电源的可靠触发，每一驱动芯片均采用独立电源的供电方式，从而提高了脉冲电源工作的可靠性。3\n脉冲电源在污水处理中的戍用研究2．1引言第2章脉冲电源基础性分析脉冲电源作为主电路的一部分，其为反应器在流光放电模式下工作提了供物质基础。脉冲电源主电路如图2．1所示。图2．1脉冲电源主电路原理结构框图图2．1示出，脉冲电源主电路主要由交流电源主电路、直流电源主电路和反应器等三部分串联组成【5】。反应器是负载、流光放电的工作体，其等效电路模型为电容C，和非线性电阻R，并联电路。脉冲电源的工作原理：通过SPWM信号的触发，交流电源主电路逆变桥输出SPWM脉冲，该脉冲由电容C滤波为正弦电压后，经升压变压器输出。由PWM信号的触发，直流电源桥式斩波电路输出PWM脉冲，经升压变压器、桥式整流和滤波电路，PWM脉冲变为脉动的直流电压。脉动直流电压和交流电压叠加作用在与之串联的反应器上，从而满足了反应器在流光放电模式下的工作条件。4\nh、～硕十学位论文为使反应器在流光放电模式下工作，需要对交直流电源的参数进行调节，其中，直流电源的参数为直流电压，交流电源的参数为电源频率和电源电压幅值。基于反应器电压幅频特性分析以及流光放电时间与交流周期比值的计算关系，通过调节提高电源频率则更有利于流光放电时间的增加。2．2流光放电有研究表明，上升率大于2×103V／s，峰值大于1KV的交流电压与直流电压叠加，可使放电转化为流光放电模式12】。流光放电可产生低温等离子体，而低温等离子体属于强氧化性的自由基，其与废水中污染物作用，将其氧化为二氧化碳、盐，或水，从而达到净化污水的目的。随着反应器上电压不断升高，气体放电类型顺序为：起始流光、辉光放电、流光放电、火花放电，且每个阶段都有与其对应的阀值电压。其中辉光放电与流光放电之间阀值电压为Vps(Prebreakdownvoltage)，或称之为预击穿电压。当反应器电压大于预击穿电压时，放电为流光放电形式：当电压小于预击穿电压Vps时，放电为辉光放电形式。辉光放电形成的主要原因是：在反应器上电压不是很高时，电负性气体负离子包围在正极尖端表面，屏蔽了正电场，正流光向外延伸被严重阻塞，因而影响到流光放电形成。电负性气体负离子形成屏蔽层大约需要0．1ms，因此，如果交流电源频率大于10KHz，在发生辉光放电之前，电压又回升到流光放电区域，那么放电仍保持在流光放电状态【6】。采用在反应器上叠加交直流电压的方式，可以实现反应器在流光放电区域内工作的目标，直流电压的作用是使加在反应器上的电压大于预击穿电压，达到流光放电的目的；交流电压的作用是为了破坏辉光放电形成条件。因此，交直流叠加电源的供电方式为反应器在流光放电模式下工作奠定了基础。脉冲电源的简化原理，如图2．2所示。图2．2脉冲电源主电路简化原理结构框图反应器等效电路为电容CL和非线性电阻如的并联电路模型，如图2．2。反应器作为负载，其在流光放电前后变化很大：在流光放电前，反应器电阻为无穷大；反应器发生流光放电时，反应器电阻呈指数规律下降，其电容减小：流光放电结5\n脉冲电源在污水处理中的应用研究束后，反应器恢复至最初状态。电路中电感厶为限流电感，在流光放电时，反应器处于高压放电状态，易造成击穿短路，反应器上串联电感可抑制电流上升率，起保护作用；兄为集中电阻，主要包括线路、回路电阻等。2．3交直流电源的工作原理及分析1．交流电源的工作原理及分析1)交流电源工作原理交流电源主电路主要由高频单相逆变桥电路、升压变压器和反应器负载回路等组成，其结构如2．3图。其中，￡』cR为变压器原边串联谐振电感；C为滤波电容；Lc为升压变压器；厶为限流电感：R．为回路中的等效集中电阻。2．3交流电源主电路结构框图工作原理：通过SPWM信号的触发和电容C的滤波，交流电源主电路逆变桥实现由直流电压到交流电压的逆变过程；变压器r。f将滤波后的交流电压升为交流高压，经变压器r。r副边输出加载于反应器。2)交流电源的等效电路及分析在交流电源主电路中，变压器r。r的作用是隔离和电压变换，因此可将交流电源主电路等效为RLC串联谐振电路，其激励源为正弦交流电压。分析高频高压变压器及其负载的工作特性，首先要进行归算：将一个匝数与原绕组相等，电磁效应与副绕组相同的绕组去代替实际副绕组；归算的原则是归算前后磁势平衡关系、各种能量关系应保持不变【71。交流电源主电路的等效电路模型，如图2．4所示。为便于分析，将图2．4中反应器等效电阻R，忽略掉。在等效电路中，R为电路中所有回路和线路电阻的折算值；C，为电路中所有电容折算后的等效电容；三，6\n硕十学伊论文皇鼍曼曼鼍曼曼曼曼曼曼皇曼曼III．I曼曼曼!!曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼兰曼皇曼曼曼曼蔓!曼曼曼曼曼曼曼曼甍曼曼曼曼曼璺曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼!!曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼皇为电路中所有电感折算后的等效电感。JUc(t)2．4交流电源王电路的等效电路模型由图2．4示出，交流电源主电路的等效电路中的电源电压、回路电流和电路元件电压的参考方向均已标出；外加激励电压信号源为u(t)=cos(cot)。根据基尔霍夫电压定律，得回路电压方程：‰O)+％(，)+Uc(，)=u(f)“(2．1)根据电阻、电容和电感元件的伏安特性以及(2．1)式，得以i(t)、％(f)、UL(，)作为变量的微分方程：Ld2，i(：t)+R掣+去f(f)：一洲n(cot)(2．2)m。斑c、‘、。三c掣+Rc掣也∽-cos(cot)(2．3)dt2m。～学-I-·zR掣一I-1L。u一(D=--0)2COS(研)(2．4)dt2LdtLo一。、。‘微分方程的通解形式为：厂(f)=厶(f)+^(f)(2．5)在式(2．5)中，fh(t)=K，e一邓+K2e吖2‘为齐次微分方程的通解形式，是电路中的暂态响应，其中墨、K2为待定系数，由初始条件确定；函、s，是特征方程的特征根，其数值均为：屯：一瓦R±√(务2』LC(2-6)由(2．6)式可知，电路达到稳定状态后，当电路中电阻R≠0时，电路暂态响应六(f)为零。在式(2．5)中，二阶齐次线形微分方程的特解形式为无(f)=Acos(cot)+Bsin(cot)，其中待定系数为A、B；该表达式为电路稳态响应。因此电路处于稳定状态时，电路中的响应i(t)、Uc(，)、U工(f)为稳态响应：砸)=Aicos(cot)+Esin(cot)=墨cos(cot-呼o,)(2．7)％(r)=Auccos(cot)+瓦sin(cot)=Kcos(cot一纵)(2．8)叽O)=以cos(cot)+％sin(at)=也cos(cot-呼％)(2．9)将(2．7)、(2．8)和(2．9)式分别代入(2．2)、(2．3)和(2．4)式的微分方程中，可得相应待定系数为4、鼠；A埘、既；A讲、厶：7\n脉冲电源在污水处理中的应用研究4=面矛jRC汀200丽2E=蕊矛Ccoj(LC河c02丽-1)1一LC国2“”一(LCc02-1)2+(RCco)2玩=硪矛jR万Cco丽一LC002(1一LC002)Aul2=—(—L——C——c—o——2——-——1—!)—2——+——(——R——C——c—oL)2比=蕊矛-jLR汀C2丽c03(2．10)(2．11)(2．12)(2．13)(2．14)(2．15)由表达式(2．10)～(2．15)，求各响应合成余弦的振幅和初相位分别为：回路电流的振幅和初相位：仍：嘴鲁～等电容电压的振幅和初相位：Kuc=厩=缈2甜c留笔2伽培鬲RCcoO)o电感电压的振幅和初相位：，力、4L——JO)o(与一1)2+R2C2缈2cpul2arctg-等2·8。。+‰8(2．16)(2．17)(2．18)(2．19)(2．20)■(2．21)r\n、■硕十学位论文其中，‰为谐振频率，‰2击响应信号i(t)、U￡(f)、％(r)的谐振条件及分析：一＼＼＼图2．5i(t)、UL(f)、％(f)相应信号的振幅和角频率的关系曲线由i(t)、U￡(f)、％(f)相应信号的结果分析可知，在余弦电压信号的激励作用下，RLC串联谐振电路中的稳态响应i(t)、U￡(，)、Uc(，)都是同频率的余弦量。初相位和振幅都是角频率∞的函数，其与角频率∞关系曲线，如图2．5所示。Fh信号振幅和初相位表达式以及图2．5示出的关系曲线，可得RLC串联谐振电路中响应信号i(t)、U工(r)、％O)的谐振条件及其谐振特性【8】【9】：(1)在∞=‰处，回路电流i(t)为最大值，这表明：在RLC串联谐振电路中，当外加激励信号的频率与电路固有频率相等时，回路电流发生串联谐振，此时电压U￡(f)、Uc(f)则没有达到最大值。因此在RLC串联电路中，回路电流、电容电压和电感电压的谐振频率各不相同。(2)由图2．5示出，在q处，电感电压％(r)为最大值，此时q>‰，即电感电压为最大值时，其频率高于电路固有频率‰。由b表达式可得q为：国，：—』坠(2．22)‘1R=C·这表明，电感电压的谐振频率与R有关，且满足1一兰÷>0。因此只有nz月R<√等时，电感电压u三o)才可能发生谐振而达到最大值。(3)由图2．5示出，在国。处，电容电压％(f)为最大值，此时吐<‰，这表明，电容电压为％(，)最大值时，其频率小于电路固有频率‰。由如表达式得：(0C=0)0√卜鲁(2．23)由公式(2．23)示出，电容电压的谐振频率不仅与电路中电阻的大小有关，9\n脉冲电源在污水处理中的应用研究而且还与电路中电容和电感的参数有关，且只有在满足l一≤等>o，即R<√警时，RLC串联电路中的电容电压％O)才可能发生谐振，使％(，)达到最大值。2．直流电源的工作原理及分析1)直流电源主电路结构由直流电源主电路与交流电源主电路比较可看出，直流电源主电路在变压器副边增加了高压整流电路，其结构如2．6图所示。么∑么j厂反应器HLCLp=——么∑么j≤图2．6直流电源主电路结构框图在图2．6中，％为升压变压器；C，与R，并联电路为反应器等效电路模型；厶为限流电感，在电路中起保护作用。直流电源主电路的工作过程【loJ：(1)首先通过电源对反应器电容进行充电，充电电流逐渐减小。(2)当反应器电容电压充电到充电电流为零时，电流流过变压器副边的寄生电容和串联电感组成谐振电路。由于谐振的影响，电压大于反应器电容电压，继续通过整流电路对电容充电。(3)当反应器电容电压充电到一定程度，即达到放电电压时，反应器上的电荷通过并联电阻R，放电，电容电压下降。(4)电源继续对反应器电容充电，如此周而复始。因此可将反应器实现该充放电过程的电路看作为并联负载串联谐振电路，其中负载并联在串联谐振电容C。两端。2)直流电源主电路的等效电路及分析直流电源主电路的简化等效电路，如图2．7所示。由图中看出，电路可等效为并联负载的串联谐振电路。其中，R。为反应器折算到变压器原边的等效电阻；三nr为变压器原边等效串联谐振电感，其包括直流侧串联电感和变压器漏感；C。为变压器原边寄生电容，主要是因变压器原边采用扁平铜带作为绕组所致。10\n硕士学位论文反应器电阻尺，的折算：将反应器电阻尺，折算到变压器原边，令变压器原边电压、电流、匝数分别为U。、厶、nl；变压器副边电压、电流、匝数分别为U，、12、1"12。根据磁势平衡关系得：厶％=12n2(2．24)根据能量平衡关系得：UIIi=U2，2(2．25)由公式(2．24)、(2．25)得反应器电阻R，折算到变压器原边为：k=等=鲁×c卺，2=RLXc卺，2c2舶，由于该变压器为升压变压器，故有惕<疗2，即旦<1，因此反应器电阻RL折门2算到变压器原边后，等效电阻尺。。变小。图2．7直流电源王电路的等效电路图由直流电源主电路的等效电路图可得：三罢+％_CoS(cot)CdUc+U__cc：fdtR叼由(2．27)、(2．28)式化简、计算得：三c孥dt+墨R盟dt+％-cos(研)z。、由(2．29)式得到微分方程特解，即电路的稳态解为：％(r)=Acos(cot)+Bsin(rot)=Kuccos(cot一‰)利用待定系数法得A、B表达式：彳=磊再R2i(1-瓦c02丽LC)B=磊再iR正coL丽(2．27)(2．28)(2．29)(2．30)(2．31)(2．32)\n脉冲电源在污水处理中的应用研究K，矿=√彳2+召2=—F====』兰==一(2．33)u-’1’4(02R2+(1—022LC)2从上述表达式的推导可看出，反应器输出电压的频率与输入电压频率相同。由于反应器为该电路负载，输出电压与R。有关，在放电过程中，其阻抗会迅速下降，所以反应器输出电压会有一定下降。2．4反应器电压幅频特性反应器的幅频特性指反应器电压幅值与频率的关系特性，通过幅频特性分析可以进一步了解反应器在流光放电模式下的工作规律。由于反应器所在电路为二阶电路，因此反应器电压幅值U(s)表达式的根表现为共轭复数根的情况。反应器电压幅值求解过程如下：1垮∞)=箫删蜘器k帅或k器k州m。2)K。。和K搿：互为共轭，将K。l(或屹：)实部和虚部平方求和，得：X=rael(K。1)2+imag(K埘1)2。3)反应器电压幅值为：u(co)=2Xo一。根据交流电路中的参数、电路的结构、反应器电压幅值与共轭复数根的关系，通过编程对反应器电压幅值进行计算。程序由初始化、运算、幅值输出三部分构\n硕十学位论文R：1X106三：10-3C=10_2％参数初始化力厂缈=40×(10)3：20：41．6x(10)3S=j∞U(缈)=(100a,)／(LCs4+RCs3+(LCc02+1)s2+RCc02s+国2)+epsx=rael(U(ao))2+imag(U(co))2少=2x0‘5％反应器上的电压幅值厅DldOllplot([co，缈】，【y，y】，’，柑)办Dldonend反应器交流电压幅值随电源频率变化的规律，如图2．8所示。电源频率较低时，反应器交流电压幅值较低；随频率升高，反应器交流电压幅值升高；当电源频率上升到电容谐振角频率时，反应器交流电压幅值达到最大。当电源频率继续升高，反应器交流电压幅值随频率的升高而下降。这种变化规律是谐振电路自身因素造成的。反应器电压幅频特性与电路中元件参数及其电路结构直接有关。2．5流光放电时间与反应器电气参数的关系1．计算流光放电时间与交流周期的比值按照放电转化为流光放电的要求，反应器上交流电压上升率必须大于2×108V／S，这是反应器在流光放电模式下工作的必要条件【21。由于反应器电压是正弦电压，而正弦交流电压的上升率是随时间变化的，设反应器上正弦交流电压为Umsin(cot)，则交流电压变化率为duldt=U，cocos(cot)，如图2．9所示。图2．9反应器电压上升率随时间变化曲线令一个交流周期内反应器上电压上升率大于2×108V／S的时间段与该电源周期的比值为五，即五=f，／丁。其中，‘为一个交流周期内电压上升率大于2×108矿／s13\n的时间段；T为电源交流周期。五表示在一个交流周期内流光放电时间，若五越大，则一个交流周期内流光放电时间越长。流光放电时间与交流周期的比值计算过程：①计算电压上升变化率，设反应器上交流电压为Umsincot，则电压上升率为：du／dt=U。02CDS(．or(2．34)按照流光放电的要求有：Um(9COSCOt>2×108(2．35)②计算电压上升率大于2x108V／S的时间段。U。cocoscot=2x108时，求得各时间点为：n／／"!㈦23—6一，^=一—————!L—L．)nT／"!㈦23川肿l=+————』一L·，)电压上升率大于2x108V／S的范围r。<，<乙+l，‘=f州一t。为满足要求的时间段，其中，n为偶数(n=0、2、4⋯⋯)。电压上升率大于2x108V／S的时间段为：。：!竺==兰互2xlOst!㈦23㈣．=———————』一L．芍J③交流电源周期T：r：一1(2．39)④计算流光放电时间与交流周期的比值五为：五：生(2．40)丁由(2．38)、(2．39)、(2．40)式得：arccos(掣)芸)力：!翌竺(2．41)万由(2．41)式示出，比值兄是关于反应器交流峰值电压U。和交流电源频率∞的函数。反应器电压上升率最大值在，=船万(n取偶数)处，上升率最小值在t=咒万(n取奇数)处。比值五与反应器交流峰值电压U。和电源频率(I)呈非线性关系。2．流光放电时间与反应器电气参数的关系1)反应器电压幅值作为常数，流光放电时间与电源频率的关系流光放电时间与交流周期的比值表达式为：14\n．一硕+学位论文五：—arccos(2×—10s／U,,co)(2．42)以=一kZ．qZJ万在Matlab环境下，反应器电压幅值U。为常数时，比值名与电源频率∞关系曲线，如图2．10所示。其中，横坐标为电源频率；纵坐标为比值名；反应器电压幅值分别为常数2KV和2．2KV。图2．10比值九与电源频翠和反应器电压幅值关系曲线由图2．10示出，反应器电压幅值为常数2KV时，比值旯与电源频率关系曲线以电源频率15．9KHz为界点，分为电源频率小于15．9KHz和电源频率大于15．9KHz两部分。当电源频率小于15．9KHz时，比值元近乎为零，故流光放电时间为零，说明反应器不在流光放电模式下工作：当电源频率大于15．9KHz时，比值川箍着电源频率的增加而呈非线性增长，即流光放电时间呈非线性增加。反应器电压幅值为常数时，比值五与电源频率之间呈非线性关系；反应器电压幅值为任意常数时，比值兄与反应器电压幅值之间都对应一个下限频率，若低于该频率，流光放电时间为零；若高于该频率，则流光放电时间随着电源频率的增加呈非线性增加。2)电源频率为常数时，流光放电时间与反应器电压幅值的关系图2．10示出，在电源频率为常数时，比值五随反应器电压幅值的增加而呈非线性增加，因此增加反应器电压幅值同样可延长反应器上的流光放电时间。由公式(2．42)示出，分别增加电源频率和反应器电压幅值对于延长流光放电时间具有相同的效果。3)流光放电时间与交流周期比值为常数，电源频率与反应器电压幅值关系在流光放电时间与交流周期的比值为常数时，电源频率与反应器电压幅值的关系，根据公式(2．42)可得：u。：丛．(2．43)一功COS无7r在Matlab环境下，电源频率与反应器电压幅值的关系，如图2．11所示。图中比值五分别为0．15和O．3。l5\n脉冲电源在污水处理中的应用研究图2．11反应器电压幅值与电源频率关系曲线图2．1l示出，比值名为常数0．3时，G点数据为反应器电压幅值4．1657×103V、电源频率1．3×104Hz；E点数据为反应器电压幅值3．6103×103V、电源频率1．5×104Hz。在G点和E点上，反应器电压幅值与电源频率的乘积均为5．4154×107，因此比值五为某一常数时，反应器电压幅值与电源频率为反比关系。生产实际中可利用这一关系。在保持流光放电时间不变的前提下，通过提高电源频率而降低反应器电压幅值，使脉冲电源输出较低的交流电压，这不仅可降低对设备绝缘强调的要求，同时还可减少因高压击穿而引起的设备故障f121。3．提高流光放电时间的措施由公式(2．42)示出，流光放电时间与反应器交流电压幅值和频率有直接关系，根据2．7节内容，提高比值五的方法是增加反应器电压幅值和电源频率。比值九越大，则流光放电时间越长，因此提高流光放电时间的措施是提高反应器电压幅值和电源频率。图2．12交流电源电压幅值为1V和4V时，反应器电压幅频特性通过调节脉冲电源的参数，可实现对反应器电压幅值和频率的控制。为便于说明问题，交流电源幅值分别为4V和lV时，反应器电压幅频特性曲线，如图2．12所示，其频率范围为40x103—41．6x103rad／s。16\n硕十学位论文[z104】4t02‘044．064．∞|．1‘12u(tad／s)416图2．13反应器上电压幅值倍比关系图2．12示出，交流电源电压幅值分别为4V、1V时，反应器电压幅频特性曲线为相似关系。数据表明，在频率点为40．2x103rad／s、40．4x103rad／s、40．6x103rad／s时，在反应器电压幅频特性曲线上电压幅值之比分别为：126．8921／31．7320=4、185．8817／46．4704=4、334．2501／83．5625=4。因此，在电源频率不变的条件下，提高交流电源电压幅值，则反应器电压幅值也提高相应的倍数。由图中离散点数据看出，在不同的频率点，交流电源电压幅值之比与反应器电压幅值之比相等。通过编程得到反应器输出电压幅值倍比关系，如图2．13所示，其中，交流电源幅值分别为4V、lV，电源频率的范围4x104—4．16x104rad／s。由图2．13示出，在任意角频率下，交流电源电压幅值增加的倍数与反应器电压幅值增加的倍数相同。因此在电源频率不变时，增加交流电源电压幅值，则比值五增加，在该情况下，流光放电时间的延长是由反应器电压幅值增加引起的。表2．1流光放电时问与电源频率和交流电源电压幅值的数值对比关系基数交流电源频率交流电源电压幅值反应器交流电压幅值流光放电时问(KHz>(KV)与周期的比值5．96．O28．124o．438859006．O5．934．1270．45046．06．135．346o．452060006．16．O44．62lo．46276．16．246．108o．46396loo6．26．162．12lo．47376．26．364．1580．474562006．36．297．372o．48356．36．4100．5lo．484063006．46．3203．9lo．49226．06．O34．766o．45126．145．365o．46336000-64006．263．1390．47416．398．9430．48376．4207．15o．492417\n脉冲电源在污水处理中的应用研究增加电源频率，同样可以使比值旯增加、流光放电时间延长，但与增加交流电源电压幅值相比则有较大区别。由图2．12示出，在交流电源电压幅值不变的条件下，增加电源频率的同时反应器电压幅值也在增加，此时流光放电时间的延长是由反应器电压幅值和电源频率共同增加引起的。因此，对于提高流光放电时间，增加交流电源频率比增加交流电源的电压幅值效果更显著。在脉冲电源的控制过程中，可将电源频率控制作为粗调节，而将交流电源电压幅值控制作为细调节。由表2．1示出，不论增加电源频率还是增加交流电源电压幅值，还是二者同时增加，通过控制都能使流光放电时间延长；若单独增加交流电源频率比单独增加交流电源电压幅值则更能有效地延长反应器流光放电时间。2．6本章小结本章分析了交直流电源的结构、工作原理，并通过对其等效电路的计算，明确了电路电流、电感电压、电容电压与频率的关系；反应器电压幅频特性说明了反应器流光放电模式下工作时，其电压幅值随电源频率变化的规律。基于流光放电时间与交流周期的比值分析，讨论了流光放电时间与电源频率和反应器电压幅值的关系。从控制角度看，增加交流电源频率能够更加有效地提高流光放电时间。18\n硕十学位论文曼|1—一一一．一一一i—I皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼!曼曼皇曼曼!蔓曼!!曼曼曼舅曼皇曼曼苎曼曼曼曼曼曼曼曼量曼皇曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼!曼曼曼曼曼曼曼曼第3章脉冲电源电压控制策略3．1引言在脉冲电源控制系统中，电压调节器的设计性能将直接影响到反应器的工作状态，因此选用合适的控制策略实现对该控制系统的电压调节十分必要。反应器所在的脉冲电源电路具有非线性、模型参数不确定性等特点。反应器在流光放电前，其电阻为无穷大，电容为静态时电容；反应器在流光放电过程中，其电阻呈指数规律下降，电容减小，容抗增大；流光放电结束后，反应器恢复至最初状态。由于模型参数在很大范围内变化，建立精确的数学模型十分困难。脉冲电源控制系统模糊PID电压控制器，如图3．1所示。传统的PID控制器可通过自身的比例(P)、微分(D)和积分(I)三个参数，实现对被控对象的精确控制。在本文中，反应器模型参数的不确定性因素，决定了只单独采用传统的PID控制策略难以实现对脉冲电源控制系统的控制。模糊控制不需要被控对象的精确数学模型，是基于人对被控对象的控制经验而设计的控制器，其具有适应性和鲁棒性好等特点【3】。因此，基于模糊控制和传统PID控制器的控制特点，采用模糊PID控制策略对脉冲电源控制系统进行控制，可以实现控制对象自行规划和智能决策的工作目标【31。图3．1脉冲电源控制系统模糊PID电压控制器框图图3．1示出，被控对象是脉冲电源逆变器输出电压；电压传感器输出电压信号砜为反馈量；电压偏差e为给定电压U‘与反馈电压砜的比较信号。3．2数字PID控制在模拟控制系统中，控制器常采用的控制规律为PID控制，如图3．2所示。传统PID控制器控制规律可以表示为：m)=KpMf)+寺扣)dr+％掣】(3．1)式(3．1)中，(，)：控制系统参考输入信号；19\n脉冲电源在污水处理中的应用研究c(f)：被控对象输出反馈信号；P(f)：控制器输入信号，其中，df)=，．(f)一c(f)；“(f)：控制器输出信号；K，正，％：控制器比例系数、积分时间常数和微分时间常数；图3．2传统PID控制器原理图对(3．1)式进行离散化处理，可以得到位置式PID控制算法：一甜(玎)=KpP(，z)+K，∑P(／)+KD【P(聆)一P(门一1)】(3．2)j=0式(3．2)中，’e(n—1)：控制器在第(n．1)次采样时刻的偏差输入量，(其中，11为采样序列编号，一般取0、1、2、3⋯)P(，z)：控制器在第n次采样时刻的偏差输入量“(，z)：控制器在第n次采样时刻的输出量如：微分系数，KD=K尸％／TK，：积分系数，K，=K尸：r／r,T：离散系统采样周期。根据(3．2)式，可以得到增量式PID控制算法：k-Iu(k-1)=KP(P(七一1)+K，∑e(j)T+KD(e(k-1)-e(k-2)))(3．3)J=O七“(七)=Kp(P(七)+如∑e(j)T+Ko(e(k)-e(k-1)))(3．4)』等OAu(k)=“(七)一u(k-1)(3．5)由(3．3)、(3．4)、(3．5)式可以得：Au(k)=KJP(P(七)一e(k—1)+K』P(尼)+KD(P(七)一2e(k—1)+e(k一2)))(3．6)由(3．6)式示出，在增量式PID控制算法中，其控制增量au(k)可以通过简单的加法运算直接得出，其中，e(k一1)为第(k．1)次采样时刻的偏差，e(k)为第k次采样时刻的偏差。该控制算法的优点：降低了运算的复杂程度；减小了存储器空间的占有；提高计算机的工作速度，因此系统控制效果比较好【13】。本文采用增量式PID控制算法，其中微分(D)环节能够对偏差变化速率e(t)／dt做出快速反应；积分(I)环节能够对系统的静态误差进行消除；比例(P)环节能够成比例地反映被控制系统的偏差信号PO)，并通过控制器的控制作用减20\n硕士学位论文小偏差。3．3模糊控制从模糊控制问世以来，其形成和发展大体经历了三个阶段：模糊数学形成的发展阶段；模糊控制器的发展阶段；模糊控制的应用阶段。模糊控制作为智能控制的一个重要分支，在自动化控制、智能控制等领域有着广泛应用。模糊控制原理，如图3．3所示。模糊控制器依靠其自身的模糊运算、模糊推理和输出精确控制量等功制14】，可实现对被控对象的控制。模糊运算的对象是模糊化的输入量，因此在模糊运算前必需将精确的输入量经相应的隶属度函数转换为模糊输入量。模糊推理是将模糊控制器的所有模糊输入量进行直积运算得到总的可信度，然后将该结果与模糊控制规则进行合成运算得到总的模糊输出量。模糊输出量反模糊化后，控制器输出精确控制量，并实现被控对象的精确控制。图3．3模糊控制原理框图具有智能运算和控制功能的模糊控制器是模糊控制系统的核心部分，其主要由模糊化接口、知识库、推理机和反模糊接口等组成，结构如图3．4所示。图3．4模糊控制器的组成框图模糊化接口作为模糊控制器的输入接口，能够实现将精确的输入信号转换为模糊输出信号的运算功能。在信号的转换过程中，输入信号经相应隶属度函数的模糊运算，精确量变换为模糊量，模糊数值范围在0—1之间。在编写模糊控制器程序时，构造隶属度函数常用到的指令主要为：addvar、addmf、trimf、zmf、smf等，通过这些指令可实现对隶属度函数范围、函数类型以及其特征参数进行设置。隶属度函数类型主要为：Z形、S形、梯形、钟形、高斯型以及三角形函数等。知识库由规则库和数据库两部分组成，设计模糊控制器的主要工作就是设计出适合被控对象特点的规则库和数据库。2l\n脉冲电源在污水处理中的应用研究数据库的作用是存放所有输入、输出变量的模糊集论域及其隶属度函数。模糊集论域是输入、输出变量的数值允许范围，若输入或输出变量值低于论域下限时，则下限值有效；若高于论域上限时，则上限值有效，因此模糊集论域确定以后，输入、输出变量在任何情况下都不会在论域范围之外工作。隶属度函数是基于专家知识和操作经验，其类型和参数是隶属函数的基本特征。目前，隶属度函数参数确定还没有统一、成熟的方法，一般在经验和实验基础上，采用试探性、粗略估算的方法，然后再通过不断学习和实践对隶属度函数参数进行完善、调整。规则库的作用是存放所有模糊控制规则。模糊控制器的规则是对被控制对象长期实践经验的总结，其体现为模糊输入变量与模糊输出变量的模糊对应关系。常用的模糊控制规则是两模糊输入与一模糊输出的对应形式，用模糊语言描述时，可以将其表示为平面型模糊规则控制表，其中模糊输入和模糊输出可表示为：NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)等形式；在程序运行时，与模糊规则控制表有关的指令主要为rulelist等。‘反模糊化是将模糊控制量转化为精确控制量的求解过程。精确控制量经反模糊接口输出，可实现对控制对象的模糊控制。根据模糊控制器输入维数的不同，其可划分为一、二、三维模糊控制器。在实际控制过程中，二维模糊控制器应用最为常用，其结构如图3．5所示。e二维模糊控制—皿匝[卢器图3．5单变量二维模糊控制器3．4模糊PID电压控制器设计本文采用模糊控制策略与传统PID控制策略相结合，为脉冲电源控制系统设计出参数可白整定的模糊PID电压控制器，如图3．6所示。图3．6模糊PID电压控制器系统框图图3．6示出，模糊PID控制器由模糊控制器和PID调节器等组成。模糊控制器可实现模糊化、模糊推理和解模糊等功能，其输入量是偏差e和偏差变化率de／dt，\n硕十学停论文输出量是AK。、从，、必d。模糊控制器工作时，计算机能够根据当前误差e和误差变化率de／dt的实际输入量进行模糊推理运算，最后经反模糊化分别输出比例系数AK。、积分系数AK,和微分系数塍d。该模糊控制器实际为三变量二维模糊控制器，但从模糊控制器的工作效果看，也可将其看作为由三个单变量二维模糊控制器组成，这与本文采用的单变量二维模糊控制器具有一致性。在模糊PID电压控制器系统中，PID调节器的输出量为电压。采用增量式算法，输出电压可表示为：u(k+1)=z，(七)+Au。由电压公式可以看出，当前电压输出量u(k+1)为上一次电压输出量u(k)与当前电压变化量△甜之和，当前电压输出量的计算过程由计算机完成。PID调节器输出量求取的关键问题是如何得到微分(D)、积分(I)和比例(P)三个参数。由图3．6示出，模糊控制器能够向PID调节器提供微分(D)、积分(I)和比例(P)--个参数的变化量，即AK口、AKi、AKd。由PID参数初始值的砟。、K，。、KD。，以及模糊控制器的实际输出量从p、AKj、刖匕，则可以得到模糊PID控制器三个调整参数的具体计算公式：I／c,=Keo+从P{ICi=ICio+必(3．7)l如=如o+峨模糊PID电压控制器是模糊控制器和PID调节器的有机结合，二者分工明确，能够独立地实现其功能。根据误差e和误差变化率de／dt的实时变化情况，模糊控制器通过模糊控制关系可输出相应的AKP、战、啦数值。根据数值AKp、嵋和从d以及第k采样附近的误差e(k一2)、e(k—1)和P(Jj})等，PID调节器能够输出被控对象的电压控制量。因此所设计的模糊PID电压控制器可以实现对反应器输出电压的实时在线控制。基于模糊控制器的结构以及模糊控制的基本原理，模糊控制主要设计内容包括：隶属度函数的确定、模糊规则表的建立和反模糊方法的选择等。将变量进行模糊化处理，必须优先确定隶属函数的类型、范围及其模糊子集的划分等内容。本文所采用隶属函数的类型为三角形、S形和Z形三种形式，其中S形和Z形隶属函数能够将变量描述为一个完整的模糊概念。1．变量的模糊化本文设计模糊PID电压调节器，其输入变量为误差e、误差变化率ec：输出变量为AK。、必、刖匕。变量的论域及其模糊子集定义如下：输入量误差e、误差变化率ec的论域及其模糊子集均为：模糊集论域为：卜3，3】：模糊子集及其相应的隶属函数为：NB(负大)，zmf,[．3，．1】；NM(负中)，trimf,[-3，一2，O】；NS(负小)，trimf,[-3，-l，1】；Z(零)，trimf,[一2，0，2】；PS(／Ed,)，trimf,[．1，1，3]；PM(正中)，trimf,[0，2，3]；PB(正大)，smf,[1，3】。23\n脉冲电源在污水处理中的应用研究输出／kKp的论域及其模糊子集为：模糊集论域为：【．0．3，O．3】；·模糊子集及其相应的隶属函数为：NB(负大)，zmf,[一0．3，0．11；NM(负中)，trimf,[一0．3，．O．2，0]；NS(负小)，trimf,[-0．3，一0．1，0．1】；Z(零)，trimf,[-0．2，0，。0．2]；PS(正小)，trimf,[-0．1，0．1，O．3]；PM(正中)，trimf,[0，0．2，0．3]；PB(正大)，smf,[0．1，O．3】。输出△Ki的论域及其模糊子集为：模糊集论域为：【．0．06，O．06】；模糊子集及其相应的隶属函数为：NB(负大)，zmf,[．0．06，-0．02】；NM(负中)，trimf,[．0．06，．O．04，O】；NS(负小)，trimf,[-0．06，-0．02，0．02】；Z(零)，trimf,[-0．04，O，0．04]；PS(正小)，trimf,[-0．02，O．02，0．06]；PM(正中)，trimf,[0，O．04，0．06]；PB(正大)，smf,[0．02，0．06】。输出△Kd的论域及其模糊子集为i模糊集论域为：【．3，3】；模糊子集及其相应的隶属函数为：NB(负大)，zmf,[一3，-1】；NM(负中)，trimf,[．3，一2，O】；NS(负小)，trimf,[-3，-1，1】；Z(零)，trimf,[一2，0，2】；PS(iEd,)，trimf,[-1，l，3]；PM(正中)，trimf,[0，2，3]；PB(正大)，smf,[1，3】。‘图3．7误差eR其变化量ec的隶属度函数图3．8AKp的隶属度函数图3．9AKi的隶属度函数图3．10AKd的隶属度函数输入变量误差e、误差变化率ec以及输出变量AKp、AKi、AKd的隶属度。函数均采用Z形、S形、三角形函数，如图3．7、3．8、3．9、3．10所示。24\n硕卜学位论文2．建立模糊规则模糊规则是体现模糊输入与模糊输出之间的对应关系。基于长期经验积累和专家知识，人们总结出PID控制器的三个参数K”足，、KD对系统输出特性有不同影响，适当选择这三个参数，可使系统获得很好的动静态特性116】。基于PID控制参数与输出特性关系，建立模糊规则表，如表3．1、3．2、3．3所示。表3．12XKp的模糊规则表憋NBNMNSZOPSPMPBNBPBPMPSZONMPBPMPSZONSPMPSZONSZOPMPSZONSNMPSZoNSNMPMPSZoNSNMNBPBZ0ZoNMNB表3．2△Ki的模糊规则表感NBNMNSZ0PSPMPBNBNMNSzoZONMNBNMNSzoZONSNBNMNSZOPSZ0NMNSZ0PSPMPSNMNSZOPSPMPBPMZOPSPMPBZOPSPMPB表3．3△Kd的模糊规则表蟪NBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNMPSNMPSNSNBNMNSZONSZONSNMNSZONSZOPSZOZ0ZOPMPBPSPBPMPSPB模糊规则利用了专家知识和人们在生产实践中的经验，使PID控制器的三个参数KpK，、KD与系统输出特性的具体关系在模糊规则表中有着充分体现。在控制过程中，适当调节积分系数K，值，使积分系数K，按由小到大的规律25\n脉冲电源在污水处理中的应用研究进行调节，能够使系统静态误差得到有效抑制；适当调节微分系数K门值，可加快系统的动态响应速度，在调节过程中基于人们实际控制操作经验，微分系数Kn遵循由大到小的调节规律；比例系数K，的调节，综合了系统的响应速度、稳态误差、稳定性和调节精度等多种因素，在整个调节过程中，比例系数K，遵循先大后小再到大的调节规律。3．模糊推理模糊推理是根据模糊语言规则而进行的模糊推理决策。模糊控制规则因模糊控制器输入／输出维数的不同而采用不同形式，对于单变量二维模糊PID自整定的模糊控制过程，首先分别求出输入量的隶属度；当有多个输入量时，在同一规则中取输入量隶属度最小值作为前件部的隶属度；前件部与后件部隶属函数进行取小运算得到各规则结论；所有规则结论再取大运算后，得到推理结果【17J【1引。在模糊推理过程中，推理机所采用的语言均为模糊语言。对于单变量二维模糊控制的所有模糊规则，可分别用如下描述形式：R1：如果X是Ai，andY是蜀，则Z是Cl；R2：如果X是A2，andY是B2，则z是C2；R?：如果X是A。，andY是鼠，则Z是C；本文采用Mamdani模糊模型，输入量为误差e、误差变化ec；输出变量为AK。、AKi、刖匕，将用于模糊推理的模糊规则可概括为：If(eisNB)and(ecisNB)then(AkpisPB)and(AkiisNB)and(AkdisPS)4．反模糊化模糊量转换为精确量的模糊推理过程被称之为反模糊，或称为解模糊。反模糊最常见方法有最大隶属度法、加权平均法、面积重心法等‘31。本文采用面积重心法，其具体表达式为：⋯雠B㈣面积重心法具有更加平滑的输出推理控制特性，当输入信号发生微小变化时，面积重心将随之改变，因而输出也会发生相应变化。3．5仿真对比在MATLAB环境下，对模糊控制的设计过程以及PID控制的增量式算法进行编程，并通过指令plotmf()输出仿真结果。被控对象为脉冲电源电路简化模型，其仿真参数为：c1=5x10-9F，厶=10-3H，cL=10_12F，R￡=106Q；模糊PID控制器输入为单位阶跃脉冲信号；误差e和误差变化量ec的初始化值均为O；26\n硕十学位论文K尸。、如o、局。的初始化值分别为0．40、1．0、0。仿真结果为：图3．1l为模糊PID控制器单位阶跃输入；图3．12为模糊PID控制器阶跃响应。由图3．11与图3．12比较可以看出，1)系统输出无超调。2)系统响应速度快，由图3．12示出，经0．12s，系统输出已稳定。仿真结果表明，通过模糊PID控制使整个系统的动静态特性明显改善。图3．1l模糊PID控制器阶跃输入信号图3．12模糊PID控制器响应信号3．6本章小结本章基于反应器所在的脉冲电源电路的非线性、以及模型参数不确定性等特点，在PID算法分析和模糊控制原理的基础上，设计出模糊控制与PID控制相结合的参数可自整定的模糊PID控制器。仿真结果表明，系统采用模糊PID控制有效地改善了系统的输出特性，控制效果满足设计要求。27\n脉冲电源在污水处理中的戍用研究4．1引言第4章控制系统硬件设计软件编程与硬件设计必须保证设计目的一致性，有什么样的软件就需要设计出相应的硬件；有什么的硬件就需要编写出相应软件。在本方案中，控制系统硬件设计对象为脉冲电源，其主要实现SPWM、PWM脉冲输出、A／D转换等功能。选用芯片为美国Microchip公司生产的PIC16F877单片机。该PIC系列单片机采用了独特的哈佛结构，将芯片内部的指令总线和数据总线有效分离，为扩展指令字长、采用不同字节宽度奠定了技术基础；采用精简指令RISC(ReducedInstructionSetComputer--精简指令集计算机)，合理地提高了计算机运算速度、改善了计算机的内部结构；采用CMOS结构，使其功率消耗极低：芯片I／O端口具有较强驱动负载的能力，每个引脚输出驱动电流可达20～25mA，一般端口总驱动能力约为60～70mA。PIC系列单片机从其执行功能考虑，可将单片机分为专用功能模块和基本功能模块。基本功能模块主要包括，输入／输出端口模块、多功能定时器模块、核心模块等；专用功能模块包括串行通信和并行数据传送模块、捕捉／比较／脉宽调制模块、A／D转换器模块等【”】【201。PICl6F877单片机模块功能强大、内部结构合理，选用PICl6F877单片机可满足设计功能的要求。为了避免系统与外电路直接连接而造成的干扰，保护系统不至于因为处于强电环境造成的破坏，通过TLP521光电耦合器的隔离作用，将单片机系统和外电路彼此隔开【211。采用IR2113驱动芯片提高电路的驱动能力。为实现对主电路中MOSFET管的可靠、稳定触发，采用独立电源为IR2113驱动芯片供电【22】【231。4．2PIC16F877芯片外围功能电路PICl6F877单片机实际上是一台计算机，其芯片上集成了包括中央处理单元、程序存储器、数据存储器、定时器／计时器和输入／输出等部件。随着芯片集成度不断提高，其功能得以扩充，并增加了强大外围功能模块，为用户带来极大方便。实现脉冲电源输出电压、频率可调，首先必须使PICl6F877单片机及其外围电路满足该设计功能的要求。其基本功能主要包括：SPWM脉冲输出、A／D转换、程序运行指示、在线串行编程功能、程序运行复位功能等，如图4．1所示。PICl6F877单片机输出SPWM脉冲信号及方波信号：通过编程，两路SPWM脉冲信号CCP2、CCPl分别从输入／输出端口RCl／CCP2(引脚编号16)、RC2／CCPl28\n硕士学位论文(引脚编号17)输出，经TLP521-4光电耦合器和IR2113驱动芯片作为单相逆变桥VS3、VSl管的触发信号；RD2、RDl端口输出的方波信号经光电耦合器和驱动芯片作为单相逆变桥VS4、VS2管的触发信号。程序运行时，RD3端口输出为高电平，VDl发光-5管亮，作为程序运行输出SPWM脉冲的信号指示。+5图4．1PICl6F788单片机外围功能电路图为保证PICl6F877单片机及外围功能电路正常工作，完成基本功能的设计要求，设计单片机外围电路中元件参数，如表4．1所示。表4．1PICl6F788单片机外围功能电路元件参数表序号代号名称规格型号数量备注1VD肖特基二极管lN5819l2Rl电阻lOKl3R2电阻460l4Cl、C2、C6电容器lllF35SA复位按钮l6C3、C4电容器20pF27XTAL晶振4Ml8lU、I巧5电阻lOK29lU、l玛3电阻20K210R4、R44电阻2K2llPIC单片机PICI6F877lMicrochip12R6、R7、R66电阻loo313C5、C55电容0-1IIF214VDl发光二极管l\n脉冲电源在污水处理中的应用研究A／D转换功能由电阻R3、R4、R5、R6和电容C5组成的充放电电路实现。A／D转换电路工作前，芯片上RB0端口输出为低电平，电阻R6对电容C5上的电荷进行放电。经过一段延时，电容C5放电完毕后，程序设定RB0为输入端口，此时MRT0定时器开始计时，计时时间应满足公式：，=一RsCsxLnc·一甚，(4．-，其中，Vx为被测电压，Vt为单片机端口门槛电压(其为高电平+3V)。通过MRTO定时器计时，可得到与输入电压Vx相对应的充电时间，并将充电时间在ROM中建立数据表。RB0端口输入电压对应K1为电源频率可调；RBl端口输入电压对应K2为电源电压可调。程序运行复位功能由单片机的复位端口MCLR实现，与其对应的单片机引脚为l。复位电路由电阻R1、电容Cl、二极管VD和复位按钮SA组成。PICl6F877单片机上电后，由于复位按钮SA处于断开位置，电容Cl开始充电至U+5v，程序启动。当按下复位按钮后，复位端口MCLR变为低电平，．电容C1放电，程序停止运行；当松开复位按钮，电容C1充电至O+5v后，程序启动并从NOP指令开始运行【24】(NOP为程序的起始地址，为0000H)。在线串行编程功能【251：PIC单片机系列产品一般都带有Flash闪速存储器。其在线串行编程功能的实现可通过5根引线将程序下载到单片机的Flash程序存储器中。从1到5，5根线排列顺序分别是MCLR／Vpp、Vdd、Vss、PD(或PGD)和PC(或PGC)。5根引脚的具体含义分别是：MCL刚Vpp一一编程电压(对于PIC单片机一般为l3V左右)；Vdd一一编程电压(5V)；Vss一一地；PD一一编程数据信号；PC一一编程时钟信号。在编程连接电路支持下，单片机在线串行编程和调试功能仅需合适的编程软件和编程硬件就可以实现。4．3功能实现有关的寄存器和定时器／计数器论文中要求实现的功能主要由SPWM脉宽调制主程序、PWM脉宽调制程序和A／D转换程序程等完成。程序在运行过程中，为保证功能的顺利实现，需要有特殊功能寄存器提供相应的硬件支持。SPWM脉冲程序编写时所用到寄存器及其功能编写SPWM脉冲程序用到的寄存器主要有：状态寄存器SL盯US、PR2(PeripheralRegister)周期寄存器、第一外围中断寄存器PIRl(PeripheralInterruptionRegister)、脉宽调制寄存器CCPRlL、脉宽调制控制寄存器CCPlCON、定时器／计数器TMR2、计数器／定时器控制寄存器T2CON等。在SPWM脉冲程序中，状态寄存器STATUS的作用是由汇编语言的特点决30\n硕士学位论文定。由于特殊功能寄存器，诸如，周期寄存器PR2、中断寄存器PIRl、计数器／定时器控制寄存器T2CON等，在使用前必须先明确该寄存器所在的“体域"，才能保证程序正常运行。其具体所在“体域"由STATUS状态寄存器的Bit5和Bit6位的状态确定，如果寄存器所在“O体域”，则将STATUS状态寄存器的Bit5位设置为1；如果在“l体域”，则将状态寄存器Bit6位设置为l。编写SPWM正弦电压上半波程序时，所用寄存器主要有PR2周期寄存器、脉宽调制寄存器CCPRlL、脉宽调制控制寄存器CCPlCON、计数器／定时器T2CON、外围中断标志寄存器PIRl等。脉冲周期、脉冲宽度、脉冲宽度精度是表征SPWM脉冲的特征参数，PR2周期寄存器装载脉冲周期值，CCPRlL寄存器装载脉冲宽度值，CCPlCON控制寄存器装载脉冲宽度精度。计数器／定时器控制寄存器T2CON的Bit2位设置为l，SPWM脉冲由芯片端口RC2／CCPl输出。定时器／计数器TMR2增计数记录脉冲周期的时间长度，当定时器／计数器TMR2寄存器中的值与脉冲周期的时间长度相等时，中断标志寄存器PIRl的Bitl自动置l，说明一个脉冲周期工作已结束。在编写SPWM正弦电压下半波程序时，CCPR2L寄存器装载脉冲宽度数值，CCP2CON控制寄存器装载脉冲宽度精度。而周期寄存器PR2、计数器／定时器T2CON、中断标志寄存器PIRl属于正弦电压上、下半波程序共用。正弦下半波脉冲由芯片端口RCI／CCP2输出。脉宽调制控制寄存器CCPlCON各位功能【17】，如表4．2所示。表4．2脉宽调制控制寄存器CCPlCON位功能表宽精度是0；CCPlX：CCPlY为0l时，脉宽精度是O．25；CCPIX：CCPlY为10时，脉宽精度是O．5；CCPlX：CCPlY为ll时，脉宽精度是0．75。Bit3～Bit0位是CCPl工作方式选择位，决定设置为捕捉方式、比较方式还是脉宽调制方式。CCPlM3～CCPlM为01XX时，设置捕捉工作方式；CCPlM3～CCPlM为10XX时，设置比较工作方式：CCPlM3～CCPlM为11XX时，设置脉宽调制工作方式。实现A／D转换的寄存器及其功能A／D转换功能主要用到的寄存器包括，选项寄存器OPTION．REG、中断控制寄存器INTCON、定时器／计数器TMR0、端口PORTB寄存器、方向寄存器TRISB以及其它由用户自定义的临时寄存器等。在A／D转换过程中，对于选项寄存器OPTION．REG，设置的主要位是Bit5、Bit3、Bit2、Bitl、Bit0。Bit2～Bit0为分频器倍率选择位，若设置为000时，定时器／计数器TMR0的分频器的值为l：2(论文中，TMR0分频器设定为1：2)。若Bit3设置为0，则将前分频器分配给TMR0；若将Bit5设置为0，则内部指令31\n脉冲电源在污水处理中的应用研究周期时钟作为TMR0的触发脉冲。定时器／计数器TMR0的主要作用是对A／D转换电路中电容C5的充电时间进行计时，为保证TMR0计时的准确性，使用前应对TMR0寄存器内容清零【261。中断控制寄存器INTCON的作用是判断定时器／计数器TMR0是否有计时溢出，其Bit2(即TOIF)位若为l，则表明计时有溢出。寄存器PORTB的作用主要是通过对RB0和RBl端口的输入、输出设置来体现。以RB0口为例，定时器／计数器TMR0计时前，RB0端口设置为0输出，电容C5放电；当RB0端口设置为输入时，A／D转换的计时开始，直到电容C5的充电电压上升N+3V，定时器／计数器TMR0计时结束。4．4光电耦合器与单片机的连接方式光电耦合器TLP52l的主要作用是电气隔离。为了避免系统与外电路直接连接而造成干扰，保护系统输入／输出端不至于因处于强电环境而造成破坏，通过TLP521光电耦合器隔离作用，将单片机系统和外电路彼此隔离开【27J。光电耦合器是电一光一电转换器件，其以光为媒介传输电信号。它由发光源和受光器两部分组成。受光器和发光源被组装在同一密闭壳体内，用透明绝缘体将二者彼此隔离。受光器引脚为输出端，发光源引脚为输入端。常见的发光源一般为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等。光电耦合器工作原理【28】：在光电耦合器输入端施加电信号使发光源发光，光照射到封装在一起的受光器后，因光电效应而产生的光电流经受光器输出端引出，这样实现了电一光一电的转换过程。光的强度取决于激励电流的大小。为实现单片机系统与外电路有效隔离，需将PICl6F877单片机输出的电信号经光电耦合器TLP521的输入端变为光信号，然后再将光信号变为电信号由光电耦合器输出，并加载于驱动芯片IR2113的输入端。由于光电耦合器连接方式的不同，导致单片机与光电耦合器输出SPWM脉冲信号的高低电平会有差异。为保证光电耦合器TLP521与PICl6F877单片机输出脉冲信号一致，需合理选择光电耦合器的连接方式。假设期望光电耦合器TLP52l输出电平为1010，光电耦合器连接方式，如图4．2所示。+15V图4．2耦合器反相接法图4．3带反相器的耦合器同相接法图4．4耦合器同相接法图4．2示出，若期望Vo输出1010，Vi输入必须为0101，因Vi输入是PICl6F877单片机脉冲信号的输出。数据表明，单片机与光电耦合器输出信号为32\n硕七学伊论文反相关系。为实现单片机与光电耦合器输出信号同相位，在图4．2所示的电路基础上添加一个反相器，如图4．3所示。若单片机输出信号信号为1010，经反相器后信号则变为010l，反相器输出信号为光电耦合器的输入信号，故光电耦合器输出为l01O，从而实现单片机输出信号与光电耦合器输出信号同相位。图4．3能够实现单片机与耦合器输出信号同相，但电路接线较复杂。采用图4．4，不仅可实现单片机与耦合器输出同相的要求，且电路简单、接线简洁【291。光电耦合器TLP521与PICl6F877单片机的连接方式，可以实现单片机与光电耦合器输出信号同相位，如图4．5所示。+5vv。积ll_________-______-________——c2』=12—_二F131416__——17RCl／CCP2RC2CCPlRD22毪R23^Vo弱飚虬圆毫脚虬醋R29立舛图4．5光电耦合器与单片机的接线图基于程序实现的功能，PICl6F877单片机输出一组SPWM脉冲信号和一组方波信号。脉宽调制波PWMl和PWM2分别由RC2／CCPI和RCI／CCP2端口输出，并作为光电耦合器U10和U11的输入；方波信号分别由端口RDl和RD2输出，作为光电耦合器U12和U13输入信号。图4．5示出，光电耦合器(U10、U1l、U12和U13)输入端口的“地”(标号为01)均与PICl6F877单片机共地，因此实现了单片机与外围电路的电气隔离。光电耦合器均采用同相的接线方式，使单片机与光电耦合器输出脉冲保持同33荟|口扩叭以口扩叭麟口扩叭疵嚣ⅦⅥ毗j≮|I\n脉冲电源在污水处理中的应用研究相位【301。因此，SPWM脉冲计算数据可以直接作为脉冲信号的编程数据，进而达到软件编程与硬件设计的一致性要求。4．5驱动芯片IR2113结构原理及应用驱动芯片IR2113主要有RS触发器、脉冲发生器(PulseGenerator)、延时器、脉冲滤波器(PulseFilter)、反相器、电压检测等组成1311。驱动芯片IR2l13的功能由其两个相互独立部分实现，即高端输入／输出、低端输入／输出。驱动芯片IR2113的内部结构，如图4．6所示。图4．6驱动芯片IR2113结构原理图驱动芯片IR2113引脚按其功能可分三类：数据输入／输出引脚、电源引脚和使能端引脚。SD为芯片的使能引脚，在低电平时为有效。数据输入／输出引脚包括HIN(高端输入)、LIN(低端输入)、HO(高端输出)、LO(低端输出)，数据输入／输出的转换关系由这四个引脚实现。电源引脚包括VDD、VSS、VB、VS、VCC、COM，其中，VDD和VSS是总电源的输入引脚，VB和VS为高端输出电源引脚，VCC和COM为低端输出电源引脚。高、低端输出电源的区别在于低端电源的负端COM与驱动芯片IR2113内部的负端共地，而高端电源的负端VS处于悬空状态【32】(使用该芯片时应注意)。驱动芯片IR2113能够同时输入／输出两路信号。在高端输入／输出部分中，输入信号接引脚HIN和VSS；输出信号由引脚HO和VS输出。在低端输入／输出部分中，输入信号接引脚LIN和VSS；输出信号由引脚LO、COM输出。驱动芯片IR2113工作原理【33J：高端输入／输出部分和低端输入／输出部分的输入／输出关系相似(以低端输入／低端输出为例说明其工作过程)。低端输入信号与低端输出信号为同相关系，若低端输入信号为高电平，则低端输出信号为高34\n硕十学位论文电平；若输入为低电平，则输出为低电平。当引脚LIN输入为高电平时，该高电平信号经过芯片内部电路转换，图4．6示出，V3管导通，V4管截止，此时VCC和LO形成高电平等位点，引脚LO为高电平，经引脚LO和COM输出信号为高电平。当引脚LIN输入为低电平时，V4管导通，V3管截止，COM和LO形成低电平等位点(零电平)，即引脚LO为低电平，该低电平信号经引脚LO和COM输出。+15Cl：(使能端)+15C2=(使能端)+15Cl=(使能端)12●。——139LINVCCVSSCOMLOUllVDDVCCCOMLO3——2lUlJ—一DzlVlVDlV3IVD33—_2IB2Dz3lB3V2翮f．b-Dz2山II。V4UacUdc图4．7驱动芯片IR2113与逆变桥电路接线图根据驱动芯片IR2113的内部结构、工作原理，对驱动芯片的外部电路进行了设计。为实现驱动芯片对主电路逆变桥中MOSFET管稳定、可靠触发，在驱动电路中没有使用“自举电容"的供电方式，而是采用了对驱动芯片IR2113单独供电【341。在设计驱动电路对主电路逆变桥中MOSFET管的触发过程中，充分考虑了驱动电路与主电路的关系，避免因驱动电路的设计问题而引起电源短路或负载短路【35儿361。驱动芯片IR2113与单相逆变桥电路接线，图如4．7所示。3SOUD)Ⅶ妨9一n～∞Ⅲ哪¨一眨一B一"一㈨一"一旧一陀一一∞Ⅶ∞晰一∞oⅦⅦ慨一\n脉冲电源在污水处理中的应用研究图4．7示出，逆变桥中四只MOSFET管触发信号由三片驱动芯片IR2113提供，每片驱动芯片都有自己独立电源供电。实验结果表明，图4．7所示电路接线方式能够满足硬件电路的设计要求。4．6本章小结在本章中，硬件电路设计涉及PICl6F877芯片功能实现的外围电路及其相关引脚的作用；PICl6F877芯片在功能实现过程中所用到的主要寄存器、计数器／定时器以及相关寄存器功能；光电耦合器P521的接线方式；基于PICl6F877芯片与光电耦合器P521输出信号同相的要求，论文中采用光电耦合器的同相接法；为提高触发信号的可靠性，驱动芯片IR2113采用独立电源供电方式。\n硕十学何论文5．1引言第5章控制系统软件设计脉冲电源软件设计的目的是通过逆变电路使脉冲电源输出电压、频率可调。本文采用AID转换原理，将A／D转换电路中的电压经采样变换为时间量，不同时间量对应程序中不同的K1、K2值，K1和K2分别决定逆变电源频率和电压大小，从而实现逆变电源电压、频率可调。本文运用正弦脉宽调制(SPWM)原理技术，对一系列SPWM脉宽、脉宽周期进行了计算。脉宽、脉宽周期参数作为软件设计中的重要编程数据。在源程序编辑环境、软件模拟环境中，源程序运行通过后，使用MPLABICD2仿真器将源程序文件烧写到PICl6F877芯片中[37113s】，然后对程序进行在线仿真调试。源程序在线仿真调试界面，如图5．1所示。l’》l”两静睁壁0lafW[cc，K：瑚删s碧}PR2vi矗dd删∞哟_参1●F‘C口q；‘●i一邓nce土地e毒罩ls秘酏l肆蝴e饱n瞪-HlHB“●‘Jlcmt撕t庙二．癯囊警誉班量2搿鬈■●喇cc，Z灌008撇D∞啪l∞：≤·口thO瓶；=2渐瞎薹隽。啦霉070co眦耳∞∞：1∞磋-_一|2：冀二最置：：：翟最争鬏疆0Z$Cc，R工L∞∞∞∞．《hlI：：省。强煳O姐c口砼L：ooO二e∞’§●i∞，Mt_托n．僦H道羹一十胃臻童苔Ooc，IRl∞∞∞∞lpt．b铎0033TIT船O∞l：∞O。鬟klF-Itl．：搬Ⅱ012髓C僖∞∞0∞1。$ktt2：镡．就蓬017ccPlC堪∞∞：l∞?§州■舶h_，，-tcc，ta澈脱一n1li_I嚏c∞m●r卅■．”●●麻c02￡H，■搓M五群s：^弼．z；嬲主蓉精董辛最一■●铀lO铎：荔科·tm；蓐遗辱番系；砖霹聃计董螽羹：{●tm砷1．_■一魁，，Mu-，鱼；惩鬻慧鼍1．thI缸；棘宪餐毽毒《_'-f■'=fr'¨=时!f，，ff担v丝j羔图5．1源程序在线仿真调试界面在窗口Watchl中，通过特殊功能寄存器PORTC、PORTD、CCPRlL、CCPR2L、STATUS、PIRl等显示出的数值，对程序运行状况进行观察。在图5．1中，右侧界面为程序正在运行时的情况，绿色“箭头"loop指向正在运行的程序指令；左侧界面为寄存器数值显示窗口，所显示出的数据信息与正在运行程序指令内容一致。由在线仿真调试结果以及由示波器测试硬件电路相关引脚得到的波形表明，源程序可通过在线仿真调试环节，所编写程序能够满足软件设计的功能要求。37\n脉冲电源在污水处理中的府用研究5．2正弦脉宽调制(SPWM)原理正弦脉宽调$IJ(SPWM)波形是一系列幅值相同、宽度不等的矩形脉冲波形【391，基于脉宽调制(SPWM)原理，SPWM脉冲波形与正弦波等效，如图5．2所示。UO图5．2SPWM波形图等效原则为相互对应的每一小区间面积相等。正弦波与SPWM波的等效过程：1)将一个正弦波正半周被分成n等份，在图5．2中，n=9，每一等分横坐标轴与正弦曲线所包围面积均用一个与该面积相等的矩形脉冲代替。2)将幅值不变的各矩形脉冲中点与正弦波相对应的每一等分的中点重合。这样，n个等幅不等宽的矩形脉冲序列与正弦波的半周等效。假定等效正弦波为U肘sincot，SPWM脉冲序列的幅值均为％／2，各脉冲不等宽但中心距都为zr／n，其中n为正弦波半个周期内的脉冲数。令第i个矩形脉冲中心点相位为谚，其宽度为4，根据面积相等的等效原则：胡+z，2”万I×ud／2=U埘上二枷。sincotd(tot)=U。[cos(秒f一黑)一cos(口f+笔)】-2u。sin(冬)sinpf厶n二H厶n当n为较大值时，sinx／2n≈zt／2n，于是得：4=掣sinB(5．2)nUd由公式(5．2)示出，第i个脉冲宽度与U。sinO,正弦波数值近似成正比，其中，伊为对应等分段中点的相位。正弦波半个周期等效的SPWM波是中间宽、两侧窄、脉冲宽度依次按正弦规律逐渐变化的一个脉冲序列波。5．3实现功能的数据参数由于脉冲电源输出SPWM脉冲，故程序中脉宽调制信号脉宽值、周期值是38\n硕十学位论文实现功能的重要数据；A／D转换计算数据是脉冲电源实现电压频率可调的基础。1．脉宽调制信号的数据参数SPWM脉宽调制信号的参数主要包括脉宽周期、脉宽，以及脉宽精度等。设计脉冲电源输出基准频率为100HZ的正弦波，则其周期为10ms，半个周期为5ms，即5000lls；每个半波输出为47个SPWM脉冲，根据公式(5．2)可以计算出正弦半个周期的SPWM系列脉冲时间，如图5．3所示(单位微秒)。图5．3正弦半个周期的SPWM实际时间预分频比设置越大，脉冲电源输出信号频率越低，因而SPWM脉宽调制信号的周期、脉宽越小。为保持电源输出频率与脉宽调制信号周期、脉宽的一致性，本文预分频比设置为1：4，因此需将图5．3示出的各脉冲宽度和脉冲周期的实际时间缩小四倍，例如，图5．3中第23个SPWM脉冲宽度53．0727将变为13．2682。通过对控制寄存器相应位进行设置，可进一步提高脉宽精度，因此在程序编写时，对脉冲宽度13．2682将作如下处理：其整数部分13存放在CCPRlL脉宽寄存器中，其小数部分O．2682可以通过对脉宽控制寄存器CCPlCON(或CCP2CON)位设置来实现。若脉宽控制寄存器CCPlCON(或CCP2CON)的bit5和bit6位设置为Ol，那么0．25则被保留；若设置为10，则0．5被保留；设置为11，会保留0．75。将时间控制寄存器T2CON预分频比设置为l：4，正弦半个周期的SPWM各脉宽、脉宽周期数据，如图5．4所示(单位微秒)。图5．4预分频比为l：4，SPWM脉宽调制信号时间数据为保持正弦波半个周期的完整性，由图5．4示出，SPWM脉宽调制信号开始部分的13．0757ItS不应被忽略，因此可采用两种方法：一是在程序中采用13ItS延时调用子程序；二是直接对47个脉冲周期序列进行编程。直接对47个脉冲周期进行编程时，将图5．4中开始部分的13．0757lJs合并到脉冲周期T47中，这样脉冲周期T47将调整为：脉宽0．4444ItS、脉冲周期26．5957uS。该方法的优点是，在保证半个周期完整性的同时又能使程序简单化。正弦半个周期的47个SPWM脉冲与周期寄存器PR2、脉宽寄存器CCPRIL(或CCPR2L)、脉宽控制寄存器CCPlCON的对应关系，如表5．1所示。表5．1中的数据为脉冲宽度和脉冲周期的计算参数，是查表子程序查表调用39\n脉冲电源在污水处理中的应用研究的数据。为保证脉宽精度，在表5．1中对脉冲宽度进行计算，脉冲宽度的精度由控制寄存器CCPlCON的Bit5和Bit6来体现。表5．1脉宽调制信号的计算数据参数表周期脉宽CCPICON序号PR2CCPIllL控制寄存器周期寄存器值SPWM脉冲周期脉宽寄存器值SPWM脉冲脉宽lAH26．1524ooHO．44442CH2lAH26．155301H1．3311CH3lAH26．160302H2．2118CH4lAH26．167203H3．0827CH5lAH26．176004H3．9398，CH6jAH26．186704H4．77943CH7IAH26．199l05H5．59752CH8lAH26．213406H6．39072CH91AH26．229407H7．1554。CH101AH26．247008H7．8880OCHlllAH26．266208H8．58552CH121AH26．286809H9．2446。CH13lAH26．308909H9．86243CH14lAH26．3321OAH10．43622CH15lAH26．3566OBH10．9633OCH16lAH26．38220BH11．44152CH17lAH26．4087OBH11．86863CH18lAH26．4360OCH12．2427CH19lAH26．464lOCH12．562l2CH201BH26．4928OCH12．82543CH2llBH26．5218ODH13．03140CH221BH26．5513ODH13．1792CH23lBH26．58()9ODH13．2682CH24lBH26．6103ODH13．2979CH25lBH26．6403ODH13．2682CH26lBH26．66970DH13．1792CH27lBH26．69880DH13．0314OCH281BH26．7274OCH12．82543CH29lBH26．7555OCH12．562l2CH30lBH26．78280CH12．2427lCH311BH26．80930BH11．86863CH32lBH26．83480BH11．“152CH33lBH26．8593OBH10．9633ca34lBH26．88260AHlo．43622CH351BH26．904709H9．86243CH36lBH26．925309H9．2446．CH371BH26．944508H3．58552CH38lBH26．962l08H7．8880OCH39lBH26．978l07H7．J554CH4JDlBH26．992306H6．39072CH41lBH27．004805H5．59752CH42lBH27．015504H4．77943CH431BH27．024304H3．9398OCH“lBH27．031203H3．0827OCH45lBH27．036l02H2．2118CH46lBH27．041601H1．33llCH47lAH26．595700HO．44442CH2．～D转换数据参数信号变换电路，如图5．5所示。该变换电路由放电回路和充电回路构成：电阻R6和电容C5组成放电回路；电阻R5和电容C5组成充电回路。信号变换电路中的参数为：R3为20KQ，R4为2KQ，R5为10KQ，R6为100Q，C5为0．1uF。A／D转换的实现过程：A／D转换数据转换前，通过软件设置使RB0端口输出低电平，电容C5上的电荷经电阻R6放电。电容放电完毕后，通过程序将RB040\n硕十学位论文蔓曼曼皇量皇量曼曼曼曼曼曼曼曼!曼曼曼舅n．n曼曼皇曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼苎曼皇皇曼曼蔓曼鼍曼!鼍曼毫曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼蔓皇皇曼蔓曼曼蔓曼曼端口设置为输入，电压Vx经电阻R5给C5充电。充电电压达到单片机输入引脚RB0的门槛电压3V时，充电计时结束。由TRM0计时器计时充电时间，将输入电压Vx转换为时间量。通过调节电位器R3，可以得到不同的时间量。+15图5．5信号变换电路图图5．5示出，A／D转换的输入电压为屹，电容C5上的充电电压为K，通过电路计算得充电电压矿的表达式为：K=圪(1一P叫厅)(5．3)由公式(5．3)得：㈦ln(1一虽(5．4)其中，f=R5×C5，K为3V(门槛电压)，将该参数代入(5．4)，得表5．2。表5．2电压．时间转换表电压一时问数据转换电压一时间数据转换序输入电压实际计算时定时器二分频序输入电压实际计算时定时器二分频号Vx(V)间(uS)时间值(US)号Vx(V)间(US)时间值(us)l591601CAH5940400CAH26694015BH610356OOB2H375600118H7ll318009FH4847000EBH812286008FH编程时，计时器TMR0预分频比设置为1：2，故表5．2中定时器二分频时间值比实际计算时间小1／2。实际时间与输入电压圪、电阻R6和电容C5等参数有关。软件设计时，表5．2中的数据为实现脉冲电源电压频率可调的依据。5．4程序功能流程1．程序编写注意事项编写程序前需明确所编程序实现功能，掌握编程语言的基本规则。程序功能执行前，应作哪些准备工作；程序执行中需对哪些事件进行判断；程序功能结束后需对哪些数据进行处理；如何通过软件设计实现硬件安全可靠运行；对程序编写中可能遇到的问题找出相应的具体解决办法等。这不仅可以提高编程效率，而且实现程序功能的效果也比较理想。编程中有关注意事项如下：1)符号变量使用前必须给出一个明确地址。在编写程序时，用户经常会用41\n脉冲电源在污水处理中的虑J司研究到符号变量，为了保证符号变量正确使用，使用前必须给符号变量赋一个地址值，该地址值代表了符号变量，所以在使用符合变量时不必考虑有关“体域"的问题。2)特殊功能寄存器在使用前必须指明其所在“体域"。由于特殊功能寄存器是在其相应的“体域"中存在的，如果在使用前没有指明其所在的“体域"，那么可能使程序在运行过程中出现“飞溢"，使程序不能正常工作【401，尤其在循环程序编写时更应注意。3)脉宽调制中断标志位TMR2IF必须及时清零。当用户输入周期寄存器PR2的数值与定时器TMR2的计数值相匹配时，系统会发出“溢出"信息，此时脉宽调制中断标志位TMR2IF置1，说明一个脉宽周期结束。当下一个脉宽周期开始前必须将中断标志位TMR2IF及时进行软件清零，否则将影响脉宽周期的连续输出。4)驱动芯片IR2113实现的互锁功能。互锁可以防止逆变器电源短路【411。编写程序时可以通过端口RDI、RD2输出高、低两种电平来实现。若端口RDl输出高电平(低电平)，则端口RD2输出低电平(高电平)。通过芯片IR2ll3分时驱动逆变电路中的V2和V4，可避免电源短路。5)定时器TMR2应及时启／停。将数据装入寄存器PR2、CCPRlL(或CCPR2L)、CCPlCON、T2CON后，应及时开启定时器TMR2，使程序输出设定脉冲周期数据；该脉宽周期输出结束后，应及时停止定时器TMR2工作，待下一个脉宽周期的数据装载完毕后再及时开启定时器TMR2，如此循环。6)寄存器CCPRlL(或CCPR2L)适时装载“零”值的必要性。在脉冲周期正常输出过程中，寄存器CCPRlL(或CCPR2L)装载数值为周期的脉宽值；待该脉冲周期结束后，适时为寄存器CCPRlL(或CCPR2L)装载“零"值，避免程序在装载下一个脉冲周期数据时有脉冲输出。7)寄存器与脉宽调制器PWMl和PWMl的输出关系。寄存器PR2、CCPRlL、CCPlCON装载的数据信息由芯片外部引脚RC2／PWMl输出；寄存器PR2、CCPR2L、CCP2CON装载的数据信息由芯片外部引脚RCl／PWM2输出。8)软件编程与硬件设计的一致性。本文光电耦合器采用同相接法，是基于软件编程与硬件设计配合一致性的考虑。2．程序功能流程图程序流程是对程序所实现功能、程序工作顺序等的描述。采用程序流程图表述程序功能，简洁、直观，应用较多。本文程序流程图包括A／D转换子程序、SPWM脉宽调制主程序、SPWM脉冲正弦正半波调用子程序和PWM脉宽调制程序等。A／D转换程序A／D转换程序是实现脉冲电源电压、频率可调的基础。在SPWM脉宽调制42\n硕十学位论文程序中，基准脉宽和基准周期分别乘以数值可变系数K1、K2，从而实现脉冲电源频率、电压可调，其中系数K1与基准周期对应，系数K2与基准脉宽对应。根据A／D转换程序计时值，查表、判断，确定时间数值与系数KI和K2对应关系。以芯片端口RB0输入信号为例说明A／D转换的实现过程，其程序流程如图5．6所示。A／D转换子程序可将A／D转换电路中电位器电压值转换为时间量，时间量与可变系数K1对应。A／D转换子程序通过充、放电过程可以完成电位器电压值与可变系数K1的转换关系。图5．6A／D转换程序流程图放电的目的是为计时提供一个电压基准，因为每次充电都是从零电压开始。放电由两个事件完成：事件一为A／D转换子程序使芯片端口RB0输出低电平，事件二为延时。芯片端口RB0输出低电平为A／D转换电路中的电容C1放电提供条件。放电延时250ms的目的使放电更充分，保证放电后电容电压为零。充电的目的是将电位器电压值转换为时间量。在A／D转换子程序中，充电由两个事件完成：事件一是计时器TMR0清零，事件二是通过程序将芯片端口RB0设置为输入。计时器TMR0清零表征充电时间从零开始计时。随着充电时间的延续，芯片端口RB0输入电压为高电平信号(+3V)时表征充电过程结束。SPWM脉宽调制主程序SPWM脉宽调制主程序由初始化、SPWM脉冲正弦正半波调用子程序、SPWM脉冲正弦负半波调用子程序等组成。SPWM脉宽调制主程序流程，如图5．7所示。在SPWM脉宽调制主程序初始化中定义I／O端口的目的是：在实际编程中，由于PICl6F877芯片仍有部分端口处于闲置状态，在干扰环境下，如果使闲置的I／O端口引脚悬空(或高阻、输入)，则可能因芯片内部锁存器频繁翻转，而极大地增加电流消耗【421，所以在本文中将闲置引脚端口都设置为输出低电平。43\n脉冲电源在污水处理中的应用研究图5．7SPWM脉宽调制主程序流程图(上电开始)lI<>到21IF=I?一定义变量寄存器：调用乘法子程序，K1与K的乘积送入周期PR2寄存器C叫NTER、K1、K2、Kl寄存器COUNTER自加l，寄存器设置寄存器PIRI调用A／D转换系数，且COUNTER送数至工作寄存器w寄存器Bitl为0送入寄存器Kl、K2I寄存器CCPRIL清零调用查表子程序，I·工作寄存器w清零：返回值送入寄存器K寄存器K清零I设置TMR2的Bit2为0，停止计时II调用乘法子程序，K2与K的III工作寄存器w送数至ll乘积送入脉宽CCPRIL寄存器lCOUNTER寄存器II寄存器coUNTER自加lfI⋯⋯o⋯‘一‘’⋯⋯⋯存器{常数OcH送入端口寄COUNTER送数至工作寄存器霄常数141送至工作寄存器w存器PORTDlI{寄存器COUNTER的内容与工l设置PORTc为输出口l调用查表子程序，返回值送入寄存器CcPlCON作寄存器w内容作减运算fI寄存器COUNTER送数至设置T2CON，。／判断正弦正半波脉冲是＼工作寄存器w预分频比为1：4“<否执行完毕，状态寄存>I＼磊i葡：i：矗辜j‘若l；。J／Y调用查表子程序，设置T陬2的Bit2为返回值送入寄存器Kl，启用计时执行正弦负半波脉冲I图5．8SPWM脉冲正弦正半波调用子程序流程图在SPWM脉宽调制主程序中，SPwM脉冲正弦正、负半波调用子程序采用循环结构，可实现脉冲电源连续输出正弦波电压。在SPWM脉冲正弦正、负半’波调用子程序中，由于可变系数K1和K2分别对SPwM脉冲各周期和脉宽值进行作用，使得脉冲电源输出电压、频率可调。SPwM脉冲正弦正、负半波调用子程序结构相同、功能类似。SPWM脉冲正弦正半波调用子程序流程，如图5．844\n硕十学何论文所示。图5．8示出，SPWM脉冲正弦正半波调用子程序由三部分组成：初始化部分、工作部分、处理部分。在工作部分中，将脉冲周期和脉冲宽度的参数分别装入寄存器PR2和CCPRlL中；计数器TMR2的Bit2设置为l，表示脉冲输出开始；计数器TMR2的标志中断位TMR2IF为l表示脉冲输出结束。处理部分实现的功能是装载下一次脉冲参数数据的同时又保证在装载期间无脉冲输出。若SPWM脉冲正弦正半波所有脉冲参数调用完毕，则开始SPWM脉冲正弦负半波参数的调用。PWM脉宽调制程序脉宽调制程序工作时，PIC单片机输出的PWM脉宽调制信号轮流触发桥式斩波电路中的V5、V8和V6、V7管，实现桥式斩波电路输出双极性脉冲[43】。在脉宽调制程序中，K3的作用是改变PWM脉宽信号的占空比，使桥式斩波电路输出电压可调。PWM脉宽调制程序流程，如图5．9所示。5．5实验结果及分析图5．9PWM脉宽调制程序流程图1．实验元器件型号及参数实验中，硬件电路主要元器件型号及参数如下：单片机：PICl6F877；光电耦合器：TLP521；驱动芯片：IR2113；反应器：45\n脉冲电源在污水处理中的应用研冗1×10～F；脉冲电源电路中电容器C，，：1X10-6F；脉冲电源电路中电感厶：1．1823×10一H；场效应管Mosfet：IRFPl60LC；续流二极管：1N5822等。2．直流电源主电路实验结果及分析1)桥式斩波电路触发脉冲信号波形及分析程序中占空比分别为60％、98％时，测得桥式斩波电路触发脉冲信号波形，如图5．10、图5．11所示。{’!‘。。ti。’●I-：●一’I●il‘：。‘’：一■_。：’‘■一：‘‘‘‘：。’●■-‘：’’’’i：㈨●■■●■-●●■■一●●●■-■■●●㈧D：’。：’!!’⋯D。一：．一：．．：——：．』!。’!。’．i．．．I．Ln’：tuunw‘疆I聪)·Uu7：ml··UUl711S．^}、，rll』厶uomvLn’}‘uumy～撮峨‘lu·uV．：啊一·ooms^lLnIJ矗osmvj,图5．10PWM脉宽调制信号占空比60％图5．11PWM脉宽调制信号占空比98％图5．10示出，桥式斩波电路中MOSFET管坎的触发脉冲信号。在图5．10中，一个周期为2．56ms，其中，低电平时间为1．76ms，高电平时间为0．8ms。由于主、电路为桥式斩波电路，其触发脉冲的周期应为2．56／2，即1．28ms，则触发脉冲的占空比为0．8／1．28，即62．5％，由图5．10计算出的占空比与程序中占空比一致。改变程序中数值E可实现PWM占空比可调，图5．1l所示为占空比98％。2)桥式斩波电路输出脉冲波形及分析在直流电源桥式斩波电路输出端测得的PWM波形，如图5．12所示。桥式斩波电路输出的PWM波形经整流、滤波后，测得波形如图5．13所示‘I●!{序?：一●■■■■⋯●一一_一；⋯●●；一一．：：．．D狰!’：7：’■■■●■一_o-一：’o_：图5．12桥式斩波电路输出PWM脉冲波形5．13桥式斩波电路PWM经滤波后波形图5．12示出，由PWM脉宽信号控制，桥式斩波电路输出双极性PWM脉冲。桥式斩波电路输出PWM电压脉冲经桥式整流电路和LC滤波电路后，电压波形-为脉动直流电压，如图5．13所示。因此，桥式斩波电路、桥式整流电路和滤波电路能够实现直流电压的输出，并且通过改变PWM脉宽的占空比则输出可调的直流电压，因而满足了反应器在流光放电模式下工作的直流电压要求。46\n硕士学何论文m——一n—nl皇曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼3．交流电源主电路实验结果及分析1)芯片IR2113输出驱动信号波形测试及分析芯片IR2113输出的驱动信号由PICl6F877单片机引脚16输出，经光电耦合器TLP521(U11)，在驱动芯片IR2113引脚LO和COM测得。示波器笔线的地线接驱动芯片IR2113引脚COM，笔线的正端接驱动芯片IR2113引脚LO。示波器测得脉冲驱动信号波形，如图5．14所示。：■j!‘’‘。‘÷⋯‘■●●■●●●■一?。‘。一‘：u_‘'。__-一}。’’：’’：‘‘。。‘。：。．·-·-···-····j：．·图5．14芯片IR2113输出驱动信号SPWM脉冲波形由5．14示出，PICl6F877单片机的RC2／CCPl引脚输出的波形为正弦正半周的SPWM波形，该波由一系列的脉冲组成：波形为对称的脉冲系列、两侧脉冲窄、中间脉冲宽。输出脉冲波形的特点与正弦脉宽调制原理相一致。2)逆变器输出SPWM脉冲波形测试及分析由示波器显示出逆变桥主电路输出的SPWM脉冲波形，如图5．15所示。一●?‘‘：⋯●●：⋯●}o～‘：．’‘‘’i．．．．．：：。‘。‘i图5．15逆变桥王电路输出SPWM脉冲波形图5．15示出，逆变桥主电路输出SPWM脉冲波形是由一系列的正弦正、负半波脉冲组成。正弦正、负半波脉冲序列的连续性与SPWM脉宽调制主程序采用循环结构相一致。3)SPWM脉冲滤波后波形测试及分析由逆变桥主电路输出的SPWM脉冲波经LC电路滤波后，测得SPWM脉冲滤波后的波形，如图5．16所示。47\n脉冲电源在污水处理中的麻用研究；：’。’’：’’’：’。1：；厂＼lI八：．．A：：A：{}：厂＼≯A：：：瓜≤厂＼{；'＼tVV．、∥VV!V{一≯≯≯≯{≯≯≯≯≯{．．．．：．．．；．．．；；图5．16SPWM脉冲波滤波后的波形图5．16示出，SPWM脉冲波滤波后的波形为正弦交流电压波形。该实验波形说明SPWM正弦脉宽调制原理的正确性。4．反应器电压幅值波形测试及分析在测试过程中改变交流电源频率，其它参数均不变。交流电源频率由380Hz调节到420Hz，示波器示出反应器交流电压幅值波形，如图5．17、图5．18所示。■o．．■．■．!．，．．；一．．；．h；_．：搭羚灸删辩．簪黔警舻§!鬈．曼；黯j‘，t。I：t：t·．‘；≮≮，簪{-赫越'；：ll^—站0：!!㈡?j’j∥亨㈡；j}．0}；蓼i疆f誓i；譬ij≥‘警乒≯0l垮蜉”啦跨i≥00：一：：．：i⋯l图5．17交流电源频率为380Hz时，反应器交流电压幅值波形}霉：i童：：童{：建：建：鐾’爹：声{≥曩毒0撼一’：穰j．．’，j．：．．．i：．1；i：{．!l。j。5≮；：；；：{：；：i‘{h，{一‘一‘’o。㈠≯j‘：。’’!．：’；’．：．÷l～⋯。+ji}≤罐．≮：警：：髻：i{：：、i：≮’：{i+。。。；：j‘：{’：!⋯}：专：冀：≮{攀：专i：≤：：÷图5．18交流电源频率为420Hz时，反应器交流电压幅值波形图5．17、图5．18示出，改变逆变器输出交流电压的频率，反应器电压幅值随之改变。交流电源频率为380Hz时，图5．17显示为：频率为380Hz、反应器电压幅值为1．6V(逆变器输出经过220V／12V的变压器降压后)；交流电源频率为420Hz，时，图5．18显示为：频率为420Hz、反应器电压幅值为2．5V、(逆变器输出经过220V／12V的变压器降压后)。因此通过调节逆变器输出交流电压的频率，可改变反应器电压幅值。该实验结果与第二章反应器电压幅频特性相吻合。4R\n硕士学位论文5．反应器交直流电压叠加波形结果及分析测试反应器交直流电压叠加波形：交流电压由脉冲电源的逆变电路提供；在实验室条件下，直流电源电压由直流稳压器提供。示波器显示出，交流电压单独作用在反应器上的电压波形，如图5．19所示；交直流电压在反应器上叠加波形，如图5．20所示。i!．■姆!●}0：+■氛念74＼．厂＼／＼j／一＼：／＼V：。∥；＼／＼／!＼／≯≯≯}．．．{．⋯；．．；．；．．．二{⋯：⋯；+卜■■■■j图5．19交流电压作用在反应器上电压波形●’：：’●：t●℃套冀专≮一拿0i：、‘：冬‘‘071八‘是‘殳’i：'一，鼍j√≯。：∥：∥≯汐!了：!．V；01歹i∥l÷‘．j0．◆i：．．．；．．．：．：．．．．；．!’’。!’’!!。。’。!：!’’’!’’。’!■。‘{‘··‘；‘_·‘i。·‘‘{‘·。‘j～。。‘；。‘。‘!‘‘‘‘!。‘’‘：’’‘’j；．{．．．．；．．．．；．．．．；j⋯．．：．．．．：．．．：．：．．二!．．；．．i．．．．；．j：!．．；．．．．；．：图5．20交、直流电压在反应器上叠加电压波形图5．19示出，反应器上的电压波形为正弦交流电压，其频率为710Hz。图5．20示出，交流电源电压与直流电源电压能够在反应器上实现交直流电压叠加。实验波形表明，脉冲电源电路能够满足反应器在流光放电模式下工作的交直流电压叠加条件。5．6本章小结为实现脉冲电源电压频率可调，本章对脉宽调制信号参数和A／D转换参数进行了计算，A／D转换参数是实现脉冲电源电压频率可调的依赖性数据。脉宽调制参数是正弦脉宽调制信号的表征性数据，是编写SPWM程序的重要数据。分别采用A／D转换程序流程图、SPWM主程序流程图、SPWM脉冲正弦正半波调用子程序流程图、PWM脉宽调制程序流程图对脉冲电源实现的功能进行了说明。实验结果表明，通过软件设计能够实现交直流电压在反应器上叠加，从而达到了反应器在流光放电模式下工作的交直流电压叠加的要求。49\n脉冲电源在污水处理中的应用研究结论基于流光放电理论在污水处理中的应用，本文对脉冲电源交直流电路进行了研究，深刻认识了反应器在流光放电模式下工作的原理；流光放电时间与交流周期的比值的研究结果对脉冲电源的参数调节具有一定的参考价值；模糊PID控制器使系统获得了较好的动、静态特性；硬件设计和软件编程使脉冲电源电压频率可调，进一步提高了脉冲电源在污水处理中的实用价值。论文的内容和取得的成果主要包括：1．脉冲电源电路的非线性以及反应器工作时其自身参数在很大范围内变化，因此建立一个精确的数学模型对脉冲电源进行控制十分困难。将传统PID控制策略与模糊控制策略相结合，为脉冲电源控制系统设计出了参数自整定的模糊自适应PID控制器。仿真结果验证了模糊PID电压控制器提高了系统的动态响应速度，减小了系统的超调量，使整个系统的动静态特性得以提高。2．通过对流光放电时间与交流周期的比值分析以及反应器电压幅频特性的研究，详尽阐述了流光放电时间与脉冲电源交流幅值和频率的关系。理论分析和计算数据表明，调节电源频率能够使反应器在流光放电模式下更加有效地工作。3．通过软硬件设计使脉冲电源交流主电路输出电压频率可调以及直流主电路输出电压可调，达到了交直流电压在反应器上叠加的要求，满足了反应器在流光放电模式下工作条件，并且提高了脉冲电源的工作稳定性。实验结果表明软硬件设计能够实现脉冲电源的功能要求。为污水处理脉冲电源的研究工作能够较好地继续进行，使脉冲电源具有更好的工作性能，以下是对进一步工作的展望：1．在研究中发现，脉冲电源的控制参数较多，主要包括交流电源的电压幅值和频率以及直流电源的电压，并且这些参数都是通过独立调节实现的，因此寻求更加有效的可控参数，对交直流电源进行控制效果可能会更好。2．高频变压器的性能直接影响到反应器的工作状态，由于高频变压器涉及很多知识加上时间有限，论文中没有考虑高频变压器的有关设计问题，这有待于日后进一步深入研究。如果在上述几个方面再作进一步深化研究，该污水处理脉冲电源的性能会有很大提高，应用价值将更大。50\n，～●硕{：学侮论文参考文献【l】王爱国，姜学东，胡小吐．低温等离子体污水处理电源的设计．电源技术应用．2009，2．41．43【2】陈伯时．浅谈电力电子技术和科学发展问题．电力电子技术．2009，5．1．1l【3】刘金琨．智能控制理论．电子工业出版社．【4】吴耀辉，杨焦赞，魏仁灿．IGBT高频开关电源的故障分析及处理．北京．中国电力出版社．2009，5．61．62【5】李亚斌，彭咏龙．串联型感应加热电源自动负载匹配技术．电气应用．2009，8．42—43[6】(德)H．Bluhm，脉冲功率系统的原理与应用．清华大学出版社．2008，8[7】伊彭飞，周加胜．三相异步电机参数的测定．变频技术应用．2009，3．49．51【8】张素荣，李敏远．基于DSP的具有最佳死区的串联谐振感应加热系统．电气传动自动化．2008．6．22—24[9】周克冬，沈锦飞．超高频感应加热电源的新型谐振变换器研究．北京．中国电力出版社．2009，2．13．16【l0】袁亮．电容性负载的中小功率高频高压的研究与设计．变频技术应用．2009，9．45．47【11】张静．MATLAB在控制系统中的应用．电子工业出版社．2009，3【12】杨铭，倪喜军，百杰等．新型微波炉电源中ZVS高频变换器的设计及实现．电源技术应用．2009，3．28．30【13】屈白达，骆立安．模糊PID在高尔夫球车驱动控制中的应用研究．电力电子技术．2009，7．36—38【14】KimIH，KimKC，ChongKP．FuzzyprecompensatedPIDcontrollers．IEEETransactionsonControlSystemsTechnology，1995(2)：406·411．【l5】FORESTF，LABOUREE，COSTAF，eta1．PrincipleofaMulti—load／SingleConvertersystemforLowPowerInductionHeating[J]，IEEETransPowerElectron，2008，5．309-322[16】王兴贵，李海波．模糊控制高频感应加热电源的设计．机电工程技术．2004，4．32．33【17】高金生，肖进．模糊控制在感应加热电源调功中的应用研究．西安交通大学出版社．2009，9．34．36【l8】DeSilvaCW．Acriterionforknowledgebasedecouplinginfuzzy—logiccontrolsystems．IEEETransactiononSystems，Man&Cybernetics，1994．114．12651\n脉冲电源在污水处理中的应用研究[19】李容正，刘启中，陈学军．PIC单片机原理及应用．北京航空航天大学出版社．2007，l【20】刘倩倩．矩形波交流原油脱水电源的研制．电力电子技术．2009，8．52．53【21】刘志刚．电力电子学．清华大学出版社．2004，6【22】吴雷，张健，沈冬辉．基于DSP的软开关焊接电源研究．济南．山东科学出版社．2009，9．29．32【23】BillDiong，KeithCorzine，SaralaBasireddy，andShuaiLu．“MultilevelInverter—BasedDual—FrequencyPowerSupply’’IEEEPOWERELECTRONICSLETTERS，VOL．1，NO．4，DECEMBER2009．87．92【24】陈彬，张政权，向欣等．基于Matlab的高频电源功率因数测量电路研究．电源技术应用．2009，3．9．13【25】董康，丁明．基于dsPIC高频逆变器电源设计．科学出版社．2009，8．36．39【26】唐雄敏．移相控制下DBD型臭氧发生器供电电源的设计．北京．中国电力出版社．2009，9．48．49【27】任保忠，张俊，王清亮等．基于磁开关的高压纳秒脉冲电源．北京．西北工业大学．2009，4．39—41[28】HendrikduToitMouton，JohanH．R．Enslin，“AnOptimalOn—Line-TuningCurrentRegulatorforHigh-PowerIGBTConverters’’，IEEETransactionsonIndustryApplications，2009，5．68-94[29】蔚泉清，陈增禄．一种谐振软开关稳压电源拓扑．人民邮电出版社．2009，2．55．57【30】曹以龙，李淑锋．大功率高频等离子体点火电源的研究与设计．电子工业出版社．2009，8．59．60[3l】曲学基．特种电源(～)．电源讲座．2009，9．23—27[32】旷永红，周鹏．基于DSP的数字化点焊智能控制系统研究．电力电子技术．2009，4．50．52【33】ZhangZhijuan，PengYonglong．“STUDYONIGBTS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