1、 1 毕业设计开题报告 电气工程及其自动化 PID 数字励磁电压调节器设计 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 近几年来，随着近代交流调速技术的迅速发展，励磁系统做为同步发电机极其重要的组成部分，为维持电力系统的正常运行和发电质量的保障，各种发电机励磁调节器朝着高可靠、高稳定性和操作自动化方向发展。在同步发电机控制系统中，励磁调节系统通过对电力系统参数（如定子电压、电流，励磁电压等）的监测，来控制励磁电路功率器件（如 IGBT）导通角的大小，从而得到维持母线电压在一定水平的励磁电流决定机组输出 电压、功率的大小和稳定性来判断运行特性，故其特性的好坏直接影响到同步发电机系统运行的
2、可靠性和稳定性。 至今，励磁调节器的发展经历了从直流励磁机到半导体式发展到现在广泛应用在同步发电机中的数字励磁调节器。数字励磁的使用不但从硬件上大大简化了原来模拟式励磁调节器，同时也采用了高端控制算法进行软件控制，大大满足了电力系统及发电机组对励磁控制早快速性、可靠性、多功能性、在线显示和参数修改等方面提出的更高要求。现在以微型计算机或单片机为核心的数字励磁调节器已经逐步取代了模拟式励磁系统。我国早在 80 年代就开始了 数字励磁调节器的研制开发一些电力科研单位和高校先入为主，电路部电力自动化研究院先后研制了使用于大中型发电机的各型号励磁调节器，我国自行研制的数字励磁调节器已经在一些比较大型的
3、水电站投入运行，目前运行状况良好。 现在，数字励磁调节器调节器已经朝着实现多种控制方式以及运行方式、多功能、多通道的方向发展。它的控制方法有线性最优励磁控制（ LOEC）、相复励励磁控制、 PID调节控制、 PSS 附加控制和非线性励磁控制（ NEC），以及自校正调节、自适应控制、模糊控制和神经网络智能控制等。数字式励磁调节器使得复杂的控 制策略在励磁控制中得以实现，丰富和增强了励磁控制功能，从而改善了发电机的运行状况。 总的来说，数字励磁近年来的发展特点可总结为：（ 1）由于微机励磁调节器的调节控制和限制保护等功能，均能通过软件实现，随着 CPU 功能不断强大，硬件部分越来越简单，目前数字励
4、磁调节器的 CPU 常采用 TI 公司的 DSP 芯片 TMS320F24X 系列。2 以 DSP 微处理器为核心的数字控制系统（简称微机数字控制系统）硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调 节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。（ 2）在励磁系统接线方式上，不论气轮发电机还是水轮发电机，多采用自并励方式，因无旋转部分，不仅简化了轴系长度使气轮机振动更容易达到标准要求，而且还减少了同轴励磁机这一大惯性环节，有利于提高机组和电力系统的暂态稳定。（ 3）对水轮发电机而言，励磁调节器不
5、光能满足励磁方面的性能要求，还具有电气制动功能。（ 4）国外生产的数字励磁调节器已由微机单通道向微机双通道及多通道发展，由单纯的数字通道向模拟 -数字通道相结合方向发展。 现代数字励磁技术中， 其中， PID数字励磁调节控制是工业控制中应用最广泛的控制方法，在现代控制理论和科学技术飞速发展的今天，工业控制回路多半采用 PID 结构，并且许多高级控制都是建立在 PID 控制基础之上，比如复合控制（复励励磁控制 +PID 励磁控制），模糊 PID 控制，神经网络PID 控制，遗传算法参数整定 PID 控制等。 本次设计是以 PID 数字励磁调节器为研究对象，同时采用具备强大功能的 DSP 芯片做为
6、主控芯片，研究励磁调节器的硬件电路实现以及相关软件的设计。本论文设计无论是在硬件上还是在软件的设计方面都具备可行性和优越性。 PID 数字励 磁调节器由比例 P、积分 I、微分 D 三个单元组成。在各种控制方法中， PID 控制随然原理简单，但其控制效果具有明显优越性。它具备以下几个方面：（ 1）原理简单，调整方便， PID 的三个参数可根据不同条件下的系统特性进行及时调整。（ 2）适应性强，在工业控制中仍有 95%以上的控制回路采用 PID，并且在各个行业中都得到广泛的应用。（ 3）鲁棒性强，即 PID 控制品质对被控对象特性的变化不太敏感，总能起到一定的控制作用。而在硬件检测电路中，我们采
7、用交流检测法，通过 A/D 转换将正负半波变成两个正半波，使得检测的精度提高了一倍，更加 有利于对采集到的电压和电流信息的检测，这样对以后各种励磁控制方法的研究打下良好的基础。 给定值-励磁调节器 功率单元 同步发电机电压测量比较单元 sTsTKdip11sTKzz1 sTKdG01 sTKRR1给定值励磁调节器 功率单元 同步发电机电压测量比较单元3 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题： 1.设计的基本内容： （ 1）阐述励磁调节器的作用和发展概况 （ 2）分析励磁调节器的控制方法和各个环节的设计 （ 3）设计励磁控制系统中硬件部分和软件部分 （ 4）发电机数学模型的建立 （ 5）分析 P
8、ID 控制理论基础以及 PID 控制器参数的整定方法 （ 6）设计 PID 励磁调节器 （ 7）运用 MATLAB 仿真软件对该控制系统的性能进行研究 2、设计拟解决的主要问题： （ 1）了解励磁调节器的主要作用和控制方式 （ 2）如何设计 PID 励磁控制器 （ 3）如何对 PID 励磁控制参数进行在线整定 （ 4）如何分析 PID 励磁控制器的静态、动态性能 （ 5）如何在 SIMILINK 环境下进行仿真建模 三、研究步骤、方法及措施： 1论述同步发电机励磁控制规律的发展 (1) 励磁调节器的作用、发展概况 （ 2）励磁调节器的控制方式 2. 数字励磁调节器的硬件和软件设计 3 PID
9、励磁控制理论基础 4 （ 1） PID 应用原理和特点 （ 2） PID 控制及 PID 参数整定 （ 3） PID 控制器的设计 4运用 MATLAB 软件的仿真研究 5 对 PID 励磁控制系统的动静态性能进行分析 6设计总结。 四、参考文献 1 王兆安 .黄俊 .电力电子技术 M.第四版 .北京 :机械工业出版社 ,2003. 2 陶永华 .新型 PID 控制及其应用 .第二版 .北京 :机械工业出版社 ,2002 3 陈伯时 .电力拖动自动控制系统 运动控制系统 M.第三版 .北京：机械 工业出版社 ,2003. 4 李基成 .现代同步发电机励磁系统设计及应用 .北京 :中国国力出版社
10、 ,2002. 5 周双喜 .同步发电机数字式励磁调节器 .北京 :中国国力出版社 ,1998. 6 刘和平等 .TMS320LF240X DSP 结构、原理及应用 M.北京 :航空航天大学出版社 ,2002. 7 樊俊等 .同步发电机半导体励磁原理及应用 M.北京 :电力工业出版社 ,1981. 8 任兴汉 .控制系统计算机仿真 M.北京 :机械工业出版社 ,1988. 五、研究工作进度 ： 1. 下达设计任务书，制定课题 进程计划，收集资料，熟悉设计课题，提交开题报告 、文献综述、外文翻译 (2010 年 11 月 5 日至 2010 年 12 月 15 日 )。 2. 进行设计 (201
11、0 年 12 月 16 日至 2011 年 5 月 31 日 )： （ 1）系统方案的选择（ 2010 年 12 月 16 日至 2010 年 12 月 30 日）； （ 2）励磁调节器的发展规律（ 2011 年 1 月 3 日至 2011 年 1 月 24 日）； （ 3） 数字励磁控制器的硬件设计 （ 2011 年 3 月 22 日至 2011 年 4 月 10 日）； （ 4） 数字励磁控制器的软件设计 （ 2011 年 4 月 11 日至 2011 年 4 月 30 日）； （ 5） PID 励 磁调节器的设计 （ 2011 年 5 月 1 日至 2011 年 5 月 15 日）； （ 6） 对 PID 数字励磁调节器在 MATLAB 软件中进行建模仿真研究 （ 2011 年 5 月 16 日至 2011 年 5 月 20 日）。 3.绘制 电路图 ，整理、撰写毕业设计说明书 （ 2011 年 5 月 21日至 2011 年 5 月 30日） 。 5 4.教师评阅设计，学生进行总结、准备答辩 （ 2011 年 5 月 30 日至 2011 年 6 月 1日） 。 5.毕业答辩 （ 2011 年 6 月 2 日至 2011 年 6 月 3 日） 。
