第一章 緒論

1.1 引言
電源是位于市電和用電負(fù)載之間的中間環(huán)節(jié)，能夠向用電負(fù)載提供高質(zhì)量的穩(wěn)定的電力供給[1]�？梢哉f，電源是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)。發(fā)展至今，可以說電源技術(shù)已經(jīng)成為了一門涵蓋各個不同學(xué)科的，并歸納演繹，獨立為一支的特有學(xué)科。而且，其本身涵蓋了巨大的市場，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)等產(chǎn)業(yè)，以及國防和科研等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。最早追溯到上世紀(jì)七十年代，交流穩(wěn)壓電源就已近存在了[2]。最早的穩(wěn)壓電源都是屬于機(jī)械調(diào)壓式穩(wěn)壓器，其控制原理是采用機(jī)械的方法，改變變壓器的線包接觸點的位置，從而改變其匝數(shù)比，起到調(diào)節(jié)輸出電壓大小的目的。常見的類型為繼電器開關(guān)類型和碳刷位置變化類型。機(jī)械調(diào)壓式穩(wěn)壓器的具有調(diào)壓范圍大的優(yōu)點，但是與此同時，工作方式也決定了其存在機(jī)械磨損，壽命較短，控壓精度低，體型大而笨重，輸出波形失真等等的缺點。尤其是控壓精度，往往達(dá)不到 1%。隨著我國科技和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)和自動化水平的提高，以及計算機(jī)基礎(chǔ)的普遍，通信技術(shù)的廣泛，社會大環(huán)境對穩(wěn)壓系統(tǒng)提出了更高的要求[3]。日新月日的用電負(fù)載，首先對電源供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性有了更高要求。尤其是在各大城市用電緊張的情況下，如何提供穩(wěn)定連續(xù)的電源供給，是一個重點。另外，隨著計算機(jī)技術(shù)和微機(jī)處理技術(shù)在日常生活中的普及，高新的負(fù)載設(shè)備對電源的波形質(zhì)量要求也更高。與傳統(tǒng)的用電設(shè)備可接受較大輸入電壓波動不同的是，新用電設(shè)備對于輸入電壓的波動更為敏感。電壓幅值的不穩(wěn)定，會很大程度上，影響用電設(shè)備的工作效率。甚至大范圍的電壓波動，會損壞用電設(shè)備，造成財產(chǎn)的損失。而且，交流供電系統(tǒng)存在電力欠缺、電網(wǎng)不盡合理、線路不夠規(guī)范、穩(wěn)壓電源內(nèi)阻高、未應(yīng)用地線系統(tǒng)等問題，都會對計算機(jī)、儀器設(shè)備、通訊系統(tǒng)、工業(yè)自動化設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、測試系統(tǒng)帶來問題甚至是損害。在電網(wǎng)供電存在種種不足的情況下，交流穩(wěn)壓電源的應(yīng)用是必然的選擇。
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1.2 控制對象-----直流無刷電機(jī)
在本論文中，直流無刷電機(jī)是穩(wěn)壓系統(tǒng)的控制核心。電機(jī)轉(zhuǎn)動拖動碳刷位置變化，從而改變變壓器線包匝數(shù)，，改變輸出電壓值[4]。所以，穩(wěn)壓系統(tǒng)的開發(fā)是建立在直流無刷電機(jī)控制的基礎(chǔ)之上的。中國大陸范圍的稀土資源儲備量是世界第一的。這一先天優(yōu)勢，會使得直流無刷電機(jī)這一機(jī)電控制系統(tǒng)的首要成員，在高效率低能耗的機(jī)電系統(tǒng)以及低碳化工業(yè)生產(chǎn)的大背景中進(jìn)獻(xiàn)進(jìn)策。無刷直流電機(jī)優(yōu)點明顯：結(jié)構(gòu)簡單、效率高、輸出力大等等。究其原因，是因為它可以兼有串勵電機(jī)和并勵電機(jī)上的兩種性格和特征。在啟動層面來說，相似于串勵電機(jī)，調(diào)速層面來說，相似于并勵電機(jī)。所以，在現(xiàn)在電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域受到廣泛重視[5]。隨著不同系列的有關(guān)領(lǐng)域的發(fā)揚(yáng)和技術(shù)的完善，無刷直流電機(jī)的典型應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)日益完善，具體包括機(jī)電控制技術(shù)、數(shù)學(xué)計算理論、電力電子技術(shù)、控制理論和傳感器技術(shù)等。所以相關(guān)生產(chǎn)工藝和制造工藝以及通用技術(shù)也得到規(guī)范化，并形成了 GB/T21418---2008、GJB1983---1984 等系列的標(biāo)準(zhǔn)。于此同時，電機(jī)的結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，傳感器的使用也漸漸淡出，驅(qū)動方法能耗更低，速度調(diào)節(jié)方法也有所調(diào)高[6]。
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第二章 基于 STC15 的高精度穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計

2.1 穩(wěn)壓電源的總體介紹
如圖 2.1 所示，為穩(wěn)壓電源的外觀圖。圖上方中間位置的是變壓器線包，線包中間的是直流無刷電機(jī)以及電機(jī)所負(fù)載的碳刷。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，碳刷的位置也會相應(yīng)的改變，從而改變變壓器的輸入輸出匝數(shù)比，從而改變輸出電壓的大小。圖下方的的是電機(jī)驅(qū)動電路板，以及系統(tǒng)供電板以及 MCU 控制板。左下方的是 LED 顯示器。具有保護(hù)功能的風(fēng)扇在線包的內(nèi)部，線包過熱時會開啟。右中部的是輸出繼電器，不正常工作時，會關(guān)斷輸出繼電器，從而切斷輸出。
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2.2 STC15F2K60S2 系列單片機(jī)總體介紹
本文中，在 MCU 的選擇上采用了 STC15 系列的 8 位單片機(jī)。原因是 STC15 系列單片機(jī)，有 8 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換（30 萬次/秒），能很好地適應(yīng)穩(wěn)壓器輸入電壓非線性變化的應(yīng)用場合。另外，自帶的 2 組超高速異步串行通信端口（UART1/UART2），適用于下位機(jī)與 PC 端的通信要求。且由于單片機(jī)端只需實現(xiàn)經(jīng)典 PID 算法，而神經(jīng)元 PID 算法在 PC 端軟件中實現(xiàn)，本文采用了 8 位單片機(jī)，而非 32 位的更高級別單片機(jī)。高精度穩(wěn)壓器中的無刷直流電機(jī)控制是一套微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)，這樣的電路系統(tǒng)有較高的標(biāo)準(zhǔn)化程度，且制作的成本低[33]。包括交流轉(zhuǎn)直流電(AD/DC)的電源模塊、多級運(yùn)放組成的電流電壓 AD 采樣模塊、基于 STC 單片機(jī)的 MCU 控制模塊、實現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及速度控制的電機(jī)驅(qū)動模塊、直流無刷電機(jī)系統(tǒng)總成，如下圖。如上圖所示，右側(cè)三個框體組成電機(jī)系統(tǒng)總成的調(diào)壓邏輯。在高精度穩(wěn)壓電源系統(tǒng)中，由電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動變壓器碳刷的位置變化，從而改變變壓器的輸入輸出線包之間的比例關(guān)系，從而根據(jù)變壓器工作方程，得出相應(yīng)的電壓變化比例關(guān)系，最終控制輸出電壓大小�？偟膩碚f，高精度穩(wěn)壓電源的控制核心，就是直流無刷電機(jī)的運(yùn)動控制。穩(wěn)壓器除了直流電機(jī)以外，可分為 4 個模塊：電源模塊、MCU 控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、AD 采樣模塊。通過單片機(jī)的控制過程，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動位置和速度，拖動碳刷實現(xiàn)相應(yīng)的操作，從而改變變壓器匝數(shù)，調(diào)節(jié)輸出電壓。
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第三章 穩(wěn)壓電源的 PID 控制...........16
3.1 系統(tǒng)軟件的設(shè)計....... 16
3.2 經(jīng)典 PID 控制框圖............17
3.3 系統(tǒng)程序流程........... 17
第 四 章 網(wǎng)絡(luò)理論及單神經(jīng)元 PID.........23
4.1 神經(jīng)元模型........ 23
4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).......... 25
4.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法.......... 26
4.4 感知器....... 29
4.5 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).......30
4.5.1 BP 網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程...........31
4.5.2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)逼近能力.....32
4.6 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)....33
4.7 傳統(tǒng) PID 控制....34
4.8 基于神經(jīng)元的自適應(yīng) PID 控制............35
第五章 基于 Delphi 的神經(jīng)元 PID 實現(xiàn)....43
5.1 神經(jīng)元算法程序......... 43
5.2 神經(jīng)元 PID 算法的具體實現(xiàn).......44
5.3 PC 端與 MCU 端串口通信的實現(xiàn)........ 45

第五章 基于 Delphi 的神經(jīng)元 PID 實現(xiàn)

神經(jīng)元 PID 控制器的實現(xiàn)，是基于 PC 端與單片機(jī)端的協(xié)同作用的。由于單片機(jī)端采用的是 STC15 系列的 8 位機(jī)，考慮到單片機(jī)硬件資源與穩(wěn)壓器系統(tǒng)的復(fù)雜性，以及神經(jīng)元 PID控制算法實現(xiàn)的計算難度，故將神經(jīng)元 PID 算法的計算過程在 PC 端軟件中實現(xiàn)[39-40]。PC端軟件采用的是 delphi xe3[41-43]。

5.1 神經(jīng)元算法程序

神經(jīng)元 PID 算法的是要在如上圖所示的控制界面中實現(xiàn)的，其中左上角的框圖內(nèi)顯示的是神經(jīng)元 PID 控制的參數(shù)。在“初始 PID”下的 Group Box 中的參數(shù)，即初始的 PID 值[44]。選擇并分別改寫 P、I、D，點擊“OK”可以改寫 PID 的初始參數(shù)�！霸趯W(xué)習(xí)率，收斂速度”下的 Group Box 中可以分別改寫 n P，n I，n D 也就是 PID 的學(xué)習(xí)速率，點擊“OK”后，參數(shù)帶入控制算法。在“S 函數(shù)參數(shù)：ug”名的 Group Box 中，可以修改 yg 參數(shù)，即 S 函數(shù)的倍率參數(shù)，點擊 Btn_Yg 完成修改。改變其大小，可以比例放大縮小輸出量，方便觀察與計算。最后，在窗口中間的曲線圖中，可以顯示 P、I、D 以及備用調(diào)試參數(shù)的實時變化。如曲線圖右上角的備注所示，前三條曲線分別是參數(shù) P、I、D 的實時大小量，第四條曲線為備注曲線，可用來檢測來自 MCU 的輸入量、算法的輸出量或者其余的參數(shù)大小。點擊 Run或者 Stop 可以控制算法的計算啟停。點擊 show、stop 和 clear 可以分別控制曲線圖顯示、不顯示或者清空。最下面的 Track Bar1 用來控制曲線變化速度（即定時器 1 的頻率），向左拉曲線 x 增量減少，向右拉曲線 x 增量增加。Track Bar2 用來控制定時器 2 刷新頻率。定時器 2，是用來刷新神經(jīng)元 PID 計算的，定時器每走一次，進(jìn)行一次神經(jīng)元 PID 計算。曲線右邊的 label7 和 label8 分別顯示神經(jīng)元函數(shù) xf)( 的輸入輸出量，即 x 和 xf)( 。曲線顯示時，label 也會實時更新。

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總結(jié)

我國對電機(jī)的控制方法(控制理論）的研究，也早已取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展[48]。但是，傳統(tǒng)的控制方法，對非線性對象，輸入信號時變的系統(tǒng)，沒有很好的解決問題。在此基礎(chǔ)上，本文探討了以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的，高級控制算法——神經(jīng)元 PID 算法。然后，在工程項目中，實踐了這一算法。在具體工程系統(tǒng)的實現(xiàn)上，本文分硬件和軟件兩個層面，搭建了相應(yīng)的系統(tǒng)：
（1）首先，完成了以 STC15 為核心的下位機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具體可分為：電源模塊部分、A/D 電壓采樣模塊部分、電機(jī)驅(qū)動模塊部分、PWM 波占空比調(diào)速模塊部分、LED顯示監(jiān)控部分、串口通信功能等等。其中，對電機(jī)的控制主要是通過 A/D 采樣采集輸出電壓，MCU 根據(jù)輸出電壓的大小調(diào)節(jié) PWM 波占空比，電機(jī)驅(qū)動電路控制電機(jī)正反和轉(zhuǎn)速大小，從而控制輸出電壓，這樣一個閉環(huán)回路實現(xiàn)的。
（2）而在軟件的實現(xiàn)層面上，主要分為兩個部分，分別是上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。下位機(jī)軟件主要的主要功能是驅(qū)動硬件系統(tǒng)，從而控制電機(jī)速度。另外，傳統(tǒng) PID 的算法也在下位機(jī)中實現(xiàn)。文中以流程圖的方式具體介紹了下位機(jī)軟件的程序結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)細(xì)節(jié)。
（3）在上位機(jī)軟件中，需要實現(xiàn)兩個主要的功能：首先，是神經(jīng)元 PID 算法的實現(xiàn)。神經(jīng)元 PID 算法是在 Delphi 搭建的程序窗體中實現(xiàn)的。PC 端接收到下位機(jī)發(fā)送的電壓值以后，通過算法計算出結(jié)果并發(fā)送給下位機(jī)，以待處理。另外，PC 端程序還需要兼顧數(shù)據(jù)分析的能力。通過曲線圖對比經(jīng)典 PID 以及神經(jīng)元 PID 的控制結(jié)果，我們可以更加直觀的確定，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對控制性能的卓越作用。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：84473