1、本科毕业设计（论文）基于单片机的励磁调节试验装置研究-硬件设计学 院 自动化学院 专 业 电气工程及其自动化 （电力系统自动化方向）年级班别 学 号 学生姓名 指导教师 年 月摘要励磁系统是同步发电机的一个重要组成部分，它直接影响发电机的运行特性，对电力系统的安全稳定运行有重要的影响。随着现代电力系统和计算机技术的发展，对同步发电励磁控制系统提出了更高要求，智能控制方式应运而生。智能控制方式能够在无人干预的情况下驱动目标机器实现自动控制，提高自动化程度。这是未来发展的趋势，具有重要的研究意义。本文首先介绍了同步发电机励磁系统的基本概念、分类、研究现状等，再阐述了模糊控制理论的基本知识和模糊控制
2、器在matlab中的建立和参数的设置。其次，以WDT-III电力系统综合自动化试验台的参数为基础，在Matlab/Simulink软件上搭建系统仿真模型，并嵌入由模糊规则生成的fis文件，进行仿真并分析仿真波形，验证模糊励磁控制的效果。最后，将励磁系统的控制逻辑以C语言的方式写入单片机，验证触发控制信号的波形，再将单片机与整流桥连接，观察输出的励磁电压的变化。关键词：模糊控制，建模，C语言，单片机AbstractExcitation system is an important part in synchronous generator. It can directly affect the
3、operating performance of the generator, and therefore has an important impact on the safe and stable operation of the electric power system. With the development of modern electric power system and computer technology, higher requirements have been put forward to the excitation control system for sy
4、nchronous generator，then The intelligent control methods emerge as the times require. The intelligent control methods can control the machine automatically without peoples intervention, and improve the level of automation consequently. This is the future trend of development, the research has import
5、ant significance.First, a brief introduction of the excitation control system for synchronous generator on its basic concepts, classification, current research status are given. And the theory of fuzzy control with its sets in matlab is elaborated. Then, basing on the parameters of WDT-III Power Sys
6、tem Integrated Automation Test Bed, we build a simulation model with the fit file produced by fuzzy rules. By the analysis of the simulation waveform, we can inspect the results of fuzzy excitation control.Finally, we can change the logic of fuzzy control algorithm into C language and write it into
7、the MCU, inspecting the waveform of control signal and observing the change of the excitation voltage output.Key word: Fuzzy control, build the model, C language, MCU目录绪论 .11.1课题研究的目的和意义 .11.2本文研究的主要内容 .22 同步发电机励磁自动控制系统 .22.1同步发电机励磁控制系统的概述 .22.2同步发电机励磁控制系统的任务 .32.3对励磁系统的基本要求 .52.4同步发电机励磁系统数学模型的建立 .5
8、2.4.1 同步发电机的传递函数 .52.4.2 电压测量单元的传递函数 .62.4.3 综合放大单元的传递函数 .62.4.4 功率放大单元的传递函数 .62.4.5 励磁控制系统的传递函数 .63 模糊控制器的设计 .73.1模糊控制的概述 .73.2模糊控制的基础 .73.3模糊控制模块的设计 .83.3.1 模糊控制器的结构 .83.3.2 模糊规则的确定 .83.3.3 在 Matlab 中模糊控制模块的设置 .104 Matlab/Simulink系统模型的建立及仿真 .124.1仿真系统模型 .124.2相关模块的选择与设置 .124.2.1 发电机模块 .124.2.2 负荷与
9、断路器模块 .134.2.3 电压测量模块与转换模块 .144.2.4 模糊 PID 控制器的设置 .164.3仿真条件设置 .184.4仿真结果与分析 .185 C语言程序设计及仿真调试 .215.1 STC89C52RC单片机及 LY51（AVR） L3A学习板简述 .215.2程序设计软件 Keil Vision2 .215.2.1 系统概述 .215.2.2 Keil C51 单片机软件开发系 统的整体结构 .225.3硬件连接图及各模块说明 .235.3.1 同步信号模块 .235.3.2 AD 数模转换器模块 .245.4程序流程图 .245.5程序模块说明 .255.5.1 管脚
10、定义 .255.5.2 函数声明与定义 .265.5.3 主函数 .275.5.4 中断程序及各模块说明 .285.6 程序仿真及结果分析 .345.6.1 计算部分验证 .345.6.2 触发输出部分验证 .37结论 .40参考文献 .41致谢 .42附录 A C语言源程序代码（计算部分） .4311 绪论1.1课题研究的目的和意义随着电力工业的迅速发展，电力系统的规模越来越大，保证系统运行的可靠性和稳定性，提供合格的电能质量和良好的动态品质，对国民经济和人民生活具有极为重要的意义。为了达到提高系统稳定性和改善运行质量及动态品质的目的，采用控制发电机组励磁比其他方法更具有明显的优越性，它不仅
11、节约投资，而且在系统正常运行中能起到其它措施起不到的作用。发电机励磁控制系统是电力系统控制的重要组成部分，它直接影响着发电机的运行可靠性、经济性和系统运行的稳定性 15。在电力系统正常运行情况下，发电机的励磁控制能够起到减小电压波动 11、平衡无功功率分配的作用；在系统发生事故时，调节发电机的励磁电流可以提高系统抗干扰能力，维持系统的运行稳定性。所以研究和设计发电机励磁控制系统一直是电力系统学者关注的课题，它的优化和发展对发电机乃至整个电力系统的运行具有决定性的意义，因此本课题的研究是具有理论意义和实用价值的。目前广泛采用的是典型 PID 控制，这种控制方式包括三个参数：P（比例），I（积分）
12、，D（微分）。三个参数的作用分别为 3：比例系数 ，其作用是实时成比例的反应控制系统偏差信号； 越大，系pk pk统响应速度越快，调节精度越高，太大时易造成超调，从而严重时导致系统不稳定； 过小时，会降低调节精度，响应速度变缓，延长调节时间。因此，比p例控制是基于偏差的调节。积分系数 ，其作用是通过记忆误差，消除稳态误差，提高系统的抗干扰ik能力和无静差度。 越大，静态误差消除越快。但过大时，在响应初期会产生i几分饱和现象，引起较大的超调；过小时，静态误差难以消除，影响系统的调节精度。微分系数 ，其作用是改善系统的动态特性，抑制响应过程中偏差向任何dk2方向变缓。 过大时，会提前制动响应过程，
13、延长调节时间，还会降低系统的dk抗干扰能力；过小时，调节过程的减速会滞后，超调量增加，稳定性变差 6。通过人为改变这三个参数的值，可以改变输出的励磁电流，达到控制发电机电压的效果。该方式优点在于控制结构较简单，因此得到广泛应用；但由于模糊规则是人们对过程或对象模糊信息的归纳，对高阶、非线性、大时滞、时变参数以及随机干扰严重的复杂控制过程，人们的认识往往比较贫乏或难以总结完整的经验，这就使得单纯的模糊控制在某些情况下很粗糙，难以适应不同的运行状态，影响了控制效果。 812。而模糊 PID 控制采用当前电压偏差（当前值与目标值的差），以及偏差的变化率作为输入量，并通过一系列的规则，模糊化及去模糊化
14、，在典型 PID 的基础，代替操作人员修改 PID 参数，最终达到控制效果 9。模糊控制 5913141617的优势在于能够代替人手操作，提高自动化程度；但由于目前只是处于研究阶段，并且其稳定性还有有待考证。但可以断定的是，随着研究的深入和计算机技术的发展，模糊控制理论将会广泛应用于发电机励磁控制当中，因此模糊控制的研究具有重要意义 1。同时，由于单片机具有结构简单，可靠性高，采用 C 语言编程更是逻辑简单且移植性强。因此采用单片机可以比较容易实现所需达到的效果 2 4。1.2本文研究的主要内容本文主要分析模糊控制理论的特点与算法，设计以单片机为硬件载体的发电机励磁模糊控制器，并进行仿真验证。
15、主要任务有：1）介绍发电机励磁控制系统的类型，结构以及控制模型；2）阐述模糊控制理论及其应用，对模糊控制理论进行全面的深入理解；3）在 Matlab 软件上搭建仿真模型，设置仿真数据，调试仿真模型。4）将模糊控制模块逻辑编写成 C 语言程序，并写入单片机，进行仿真调试。32 同步发电机励磁自动控制系统2.1同步发电机励磁控制系统的概述同步发电机的运行特性与它的空载电动势 Eq值的大小有关，而 Eq的值是发电机励磁电流 IEF的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行特性 10。因此，对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要内容。电力系统在正常运行时，发电机励磁电
16、流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配。在某些故障情况下，发电机机端电压降低将导致电力系统稳定水平下降。为此，当电力系统发生故障时，要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。可见同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统的运行的可靠性方面都起着十分重要的作用。2.2同步发电机励磁控制系统的任务在电力系统正常运行或事故运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的电能，而且还可有效地提高系统的技术指标。根据运行方面的要求，励磁控制系统应该承担如下任务：（1）维持发电机机端
17、和系统指定中枢点的电压在给定水平上满足这一要求首先考虑的是保证电力系统运行设备的安全性，即在较小偏差干扰下的微动情况和系统发生大扰动的暂态情况下保证发电机的电压维持在给定水平上。其次保证发电机运行的经济性，因为发电机在额定电压附近运行是最经济的。如果发电机电压下降，则输出相同功率所需要的定子电流将增加，从而使损耗增大。此外，维持发电机机端电压和提高电力系统稳定性方面的要求也是一致的。（2）合理分配并联运行发电机间的无功功率4电力系统中有很多台发电机并联运行。为了保证系统的电压质量和无功潮流的合理分布，要求合理控制电力系统中并联运行机组输出的无功功率。所谓“合理控制”包含两层意思：（1）每台发电
18、机发出的无功功率数量要合理。（2）当系统电压变化时，每台发电机发出的无功功率要随之自动调节，且调节量要合理。（3）提高电力系统静态稳定性当电力系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行的特性称为电力系统的静态稳定性。现代电力系统的发展趋势是增大输送距离和提高输送功率。这需要解决许多技术问题。而其中最重要的和最基本的困难之一是同步发电机只具有较小的静态稳定性。但自从自动励磁调节装置的出现，使这一问题得到圆满的解决。（4）提高电力系统的暂态稳定性暂态稳定是电力系统受到大扰动后的稳定性。励磁控制系统的作用主要由以下三个因素决定。 励磁系统强励顶值倍数提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态稳
19、定性。提高励磁系统强励倍数的要求，与提高调压精度并没有矛盾。 励磁系统电压响应比励磁系统电压响应比越大，励磁系统输出电压达到顶值的时间越短，对提高暂态稳定性就越有利。电压响应比主要由励磁系统的型式决定，但是，励磁控制器的控制规律和参数对电压响应比也有举足轻重的影响。在相同的控制规律下，增大励磁控制系统的开环增益可以提高励磁电压响应比，同时，也提高了点了呀的调节精度。 励磁系统强励倍数的利用程度充分利用励磁系统强励倍数，也是发挥励磁系统改善暂态稳定作用的一个重要因素。如果电力系统发生故障时励磁系统的输出电压达不到顶值，或者维持顶值的时间很短，在发电机电压还没恢复到故障前的值时，就不再进行强励了，
20、那么它的强励倍数就没有得到很好发挥，改善暂态稳定的效果也就不好。充分利用励磁系统顶值电压的措施之一，就是提高励磁控制系统开环增益。开5环增益越大，励磁倍数利用就越充分，调压精度也越高，也越有利于改善电力系统的暂态稳定性。由此可见，提高励磁控制系统保持端电压水平的能力，与提高电力系统的暂态稳定性是一致的。（5）提高继电保护装置动作的准确性当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不大。若系统此时发生短路故障，短路电流较小，且随时间衰减，以致带时限继电保护不能正常动作。励磁自动控制系统可以通过调节发电机励磁电流来增大短路电流，使继电保护正确动作。（6）保证并联运行系统的正常工作系统的无功分配单元
21、可保证参加并联运行的各发电机的输出无功功率获得均衡分配，增加了稳定环节的无功分配单元是保证强励能力大的并联运行系统能正常稳定工作的重要条件之一。2.3对励磁系统的基本要求（1）励磁系统应提供足够的励磁容量和调节容量，并保证励磁电源的可靠性。（2）当发电机励磁电流和电压不超过其额定电压的 1.1 倍时，励磁系统应保证连续运行。（3）励磁系统的顶值电压倍数不宜超过 2，允许强励时间不宜超过 20s，电压相应不宜小于 2s-1。如有特殊要求时，可在设计中拟定。（4）当励磁电流不大于 1.1 倍额定值时，发电机励磁绕组两端所加的整流电压瞬时值不应大于规定的励磁绕组出场试验电压幅值得 30%（5）灭磁开关及其励磁绕组之间的电气组件要满足出 场试验电压规定 的数值。（6）安装工地现场验收电压为出厂试验电压的 75%，允许反复试验电压及维修后的试验电压为出场电压的 65%。
