光電無損檢測用交流恒流源系統仿真設計

趙琛　李思穎　沈杰

摘要：本文根據根據光電無損檢測的特點，對光電無損檢測用交流恒流源系統進行具體分析，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[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，在工業環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定，將大為降低光電無損檢測精度。若采用穩壓電源，諸如顯像管、功率發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定情況下，必須采用恒流源供電[3-5]。

1 恒流源系統結構分析

在現有光電無損檢測工業應用中，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使用環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，系統魯棒性好。系統上電后進行初始化，重置預設參數（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采集380V市電信號及50Hz/60Hz頻率等信號，經過整流逆變處理后經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、電流雙閉環控制、模糊PID算法進行數據處理，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，實現光電無損檢測用恒流源系統的頻率相位跟蹤，再通過誤差處理模塊，產生雙極性SPWM波形，用以驅動IGBT得到穩定輸出電流值。

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境下進行，且檢測對象為非線性負載，常規PID閉環控制方案不具備在線自整定的能力，系統的動靜態性能、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。基于此，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處理器實現單相全橋逆變系統中IGBT的開通與關斷的頻率，使輸出電流頻率相位跟蹤能力強，穩定性好，精度高[7]。傳統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。根據有關資料可知PID控制系統輸出u（t）為：

（2-1）

式（2-1）中，KP為比例系數，TI為時間積分常數，TD為微分時間常數。

由于電流采集通過定時器分斷方式獲取，輸出并非連續性，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在增量式PID的參數上利用模糊控制器進行在線修改，通過與PID調節器組成模糊PID控制器[8]，其結構框圖如圖3所示。

模糊PID控制系統保護傳統PID調節器和進行參數校正的模糊控制器，通過模糊自整定方式，以模糊規則找出PID參數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調整，從而實現PID調節的精確性，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，并利用MATLAB編寫模糊PID控制器程序，設計一個閉環控制系統[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，實現一個雙輸入、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 恒流源主控制系統仿真與實現

光電無損檢測用交流恒流源主控制系統以電源輸出電流和預設值得誤差作為反饋數據對輸入端進行控制的閉環系統[12-13]。通過調節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定。主系統模糊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，通過逆變濾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PID控制下提前0.1s實現輸出電流恒定。因此，相比之下，模糊PID控制比傳統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。

參考文獻

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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