光電無損檢測用交流恒流源系統(tǒng)仿真設計

趙琛　李思穎　沈杰

摘要：本文根據(jù)根據(jù)光電無損檢測的特點，對光電無損檢測用交流恒流源系統(tǒng)進行具體分析，提出了一套基于LPC1768微處理器的大功率交流恒流源的實現(xiàn)方法，介紹了當前逆變調制中常見的SPWM算法，設計了模糊PID控制器，利用MATLAB和Simulink仿真軟件建立系統(tǒng)仿真模型。仿真結果表明，該設計方案可行，且可以達到較好的穩(wěn)定性和較高的精度。

關鍵詞：光電無損檢測；交流恒流源；模糊PID；MATLAB/Simulink

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0145-04

0 引言

光電無損檢測技術是利用光、電、聲、磁等物理學方法在不損耗或影響被檢測對象的前提下，檢測被檢對象是否存在缺陷或不均勻性等信息，根據(jù)不同的應用對象與應用場合采用不同的無損光電檢測技術和相應的檢測裝置來實現(xiàn)[1-2]。但不管何種光電檢測技術中，均應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體材料制作，在工業(yè)環(huán)境惡劣的情況下進行檢測時光電無損檢測裝置供電如果不穩(wěn)定，將大為降低光電無損檢測精度。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燃時，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，還可省去大量啟動設備，消除半導體制成的傳感器其連接器電阻和接觸電阻的影響，并且在核物理實驗裝置等磁場要求十分穩(wěn)定情況下，必須采用恒流源供電[3-5]。

1 恒流源系統(tǒng)結構分析

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

本光電無損檢測用恒流源系統(tǒng)與普通程控恒流電源有所不同的是，采用線性負反饋的方式進行電流的恒定，精度更高，系統(tǒng)魯棒性好。系統(tǒng)上電后進行初始化，重置預設參數(shù)（若針對某一常用設備，則可直接調用已保存的設置），光電檢測用恒流源系統(tǒng)采集380V市電信號及50Hz/60Hz頻率等信號，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損檢測用電設備[6-7]。為維持用電電流的穩(wěn)定性，需要將輸出電信號進行反饋，與人機交互界面預設值進行比較，通過電壓、電流雙閉環(huán)控制、模糊PID算法進行數(shù)據(jù)處理，并實時跟蹤市電電流、相位、頻率等信號，在頻率相位跟蹤模塊的作用下，實現(xiàn)光電無損檢測用恒流源系統(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，用以驅動IGBT得到穩(wěn)定輸出電流值。

2 模糊PID控制模型建立

考慮到在光電無損檢測的實際應用中，在進行無損檢測任務時，通常在具有輻射的外界環(huán)境下進行，且檢測對象為非線性負載，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)的動靜態(tài)性能、輸出電流跟蹤能力等較差，影響光電無損檢測結果，不能滿足實際使用需求?；诖?，本位采用模糊PID控制策略，設計Fuzzy-PID控制器，將無損檢測用電設備輸入電流誤差及其變化率作為控制對象，配合ARM處理器實現(xiàn)單相全橋逆變系統(tǒng)中IGBT的開通與關斷的頻率，使輸出電流頻率相位跟蹤能力強，穩(wěn)定性好，精度高[7]。傳統(tǒng)PID控制器結構如圖2所示。

圖2中，y（t）和r（t）為實際輸出電流值與預設電流值，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為時間積分常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。

由于電流采集通過定時器分斷方式獲取，輸出并非連續(xù)性，時間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時刻和K-1時刻輸出與預設電流誤差值。

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計算量大為減少，置于前三次采樣電流誤差值有關。本光電檢測用恒流源仿真系統(tǒng)在增量式PID的參數(shù)上利用模糊控制器進行在線修改，通過與PID調節(jié)器組成模糊PID控制器[8]，其結構框圖如圖3所示。

模糊PID控制系統(tǒng)保護傳統(tǒng)PID調節(jié)器和進行參數(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之間的關系，模糊推理后進行在線修正，再查詢模糊矩陣表進行參數(shù)調整，從而實現(xiàn)PID調節(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

對核電站相關設備進行光電無損檢測，其準確性相比普通光電無損檢測要求更高，通過仿真實驗可提前預估電源使用效果，分析確定該恒流源是否可用于實際工程中。該光電無損檢測用交流恒流源利用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，設計一個閉環(huán)控制系統(tǒng)[9-10]。

3.1 模糊控制器的設計

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因子后輸出PID的修正參數(shù)，實現(xiàn)一個雙輸入、三輸出的模糊PID控制器仿真模型[11]。模糊控制器的設計如圖5所示。

3.2 恒流源主控制系統(tǒng)仿真與實現(xiàn)

光電無損檢測用交流恒流源主控制系統(tǒng)以電源輸出電流和預設值得誤差作為反饋數(shù)據(jù)對輸入端進行控制的閉環(huán)系統(tǒng)[12-13]。通過調節(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。

仿真模型預設常用電流值為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，與預設值比較后通過模糊PID控制器進行PID調整，得到穩(wěn)定的交流輸出電流[14-15]，對輸出電壓波形和輸出電流值波形進行示波器采集，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輸出電流波形超調量小，峰值低，不易對用電設備造成電流擊穿損壞，且比傳統(tǒng)PID控制下提前0.1s實現(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損檢測應用。

4 結語

通過在進行光電無損檢測過程中遇到的問題進行分析，提出光電無損檢測用恒流電源模糊PID控制理論，采用MATLAB軟件設計進行系統(tǒng)建模仿真，記錄輸出波形，并進行對比分析。仿真結果表明該恒流源系統(tǒng)設計方案在光電無損檢測中的可行性，其模糊PID控制策略，良好動態(tài)性和魯棒性，對光電無損檢測相關恒流源設備的軟硬件設計提供了參考。

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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