赵琛　李思颖　沈杰

摘要：本文根据根据光电无损检测的特点，对光电无损检测用交流恒流源系统进行具体分析，提出了一套基于LPC1768微处理器的大功率交流恒流源的实现方法，介绍了当前逆变调制中常见的SPWM算法，设计了模糊PID控制器，利用MATLAB和Simulink仿真软件建立系统仿真模型。仿真结果表明，该设计方案可行，且可以达到较好的稳定性和较高的精度。

关键词：光电无损检测；交流恒流源；模糊PID；MATLAB/Simulink

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0145-04

0 引言

光电无损检测技术是利用光、电、声、磁等物理学方法在不损耗或影响被检测对象的前提下，检测被检对象是否存在缺陷或不均匀性等信息，根据不同的应用对象与应用场合采用不同的无损光电检测技术和相应的检测装置来实现[1-2]。但不管何种光电检测技术中，均应用有各类物性型敏感器件，如热敏、力敏、光敏、磁敏等传感器，由于这些传感器一般采用半导体材料制作，在工业环境恶劣的情况下进行检测时光电无损检测装置供电如果不稳定，将大为降低光电无损检测精度。若采用稳压电源，诸如显像管、功率发射管等电真空期间在额定电压点燃时，容易因冲击电流过大而损坏，而交流恒流源能有效避免上述情况，还可省去大量启动设备，消除半导体制成的传感器其连接器电阻和接触电阻的影响，并且在核物理实验装置等磁场要求十分稳定情况下，必须采用恒流源供电[3-5]。

1 恒流源系统结构分析

在现有光电无损检测工业应用中，供电方式通常采用市电或者专用电源，本文设计方式可根据使用环境将无损检测装置与恒流电源在避免互相干扰的情况下进行模块化封装。该恒流源系统是基于微处理器LPC1768的控制，配合A/D、D/A转换模块，采样处理模块和光电无损检测装置等组成，系统总体设计原理框图如图1所示。

本光电无损检测用恒流源系统与普通程控恒流电源有所不同的是，采用线性负反馈的方式进行电流的恒定，精度更高，系统鲁棒性好。系统上电后进行初始化，重置预设参数（若针对某一常用设备，则可直接调用已保存的设置），光电检测用恒流源系统采集380V市电信号及50Hz/60Hz频率等信号，经过整流逆变处理后经换流器输出低压大电流供光电无损检测用电设备[6-7]。为维持用电电流的稳定性，需要将输出电信号进行反馈，与人机交互界面預设值进行比较，通过电压、电流双闭环控制、模糊PID算法进行数据处理，并实时跟踪市电电流、相位、频率等信号，在频率相位跟踪模块的作用下，实现光电无损检测用恒流源系统的频率相位跟踪，再通过误差处理模块，产生双极性SPWM波形，用以驱动IGBT得到稳定输出电流值。

2 模糊PID控制模型建立

考虑到在光电无损检测的实际应用中，在进行无损检测任务时，通常在具有辐射的外界环境下进行，且检测对象为非线性负载，常规PID闭环控制方案不具备在线自整定的能力，系统的动静态性能、输出电流跟踪能力等较差，影响光电无损检测结果，不能满足实际使用需求。基于此，本位采用模糊PID控制策略，设计Fuzzy-PID控制器，将无损检测用电设备输入电流误差及其变化率作为控制对象，配合ARM处理器实现单相全桥逆变系统中IGBT的开通与关断的频率，使输出电流频率相位跟踪能力强，稳定性好，精度高[7]。传统PID控制器结构如图2所示。

图2中，y（t）和r（t）为实际输出电流值与预设电流值，e（t）=r（t）-y（t）为两者电流偏差，u（t）为PID处理后的输出值。根据有关资料可知PID控制系统输出u（t）为：

（2-1）

式（2-1）中，KP为比例系数，TI为时间积分常数，TD为微分时间常数。

由于电流采集通过定时器分断方式获取，输出并非连续性，时间t离散化处理后有：

（2-2）

（2-3）

（2-4）

离散化后的位置式PID控制方程为：

式中，；， T为系统采样周期，e（K）和e（K-1）分别为K时刻和K-1时刻输出与预设电流误差值。

根据上式可类推增量式为：

（2-5）

由式（2-5）可知，增量式PID的控制输出量相比传统位置式PID计算量大为减少，置于前三次采样电流误差值有关。本光电检测用恒流源仿真系统在增量式PID的参数上利用模糊控制器进行在线修改，通过与PID调节器组成模糊PID控制器[8]，其结构框图如图3所示。

模糊PID控制系统保护传统PID调节器和进行参数校正的模糊控制器，通过模糊自整定方式，以模糊规则找出PID参数KP、KD、KI与e和ec之间的关系，模糊推理后进行在线修正，再查询模糊矩阵表进行参数调整，从而实现PID调节的精确性，自校正控制流程图如图4所示。

3 交流恒流源系统仿真

对核电站相关设备进行光电无损检测，其准确性相比普通光电无损检测要求更高，通过仿真实验可提前预估电源使用效果，分析确定该恒流源是否可用于实际工程中。该光电无损检测用交流恒流源利用MATLAB中的Simulink工具箱搭建仿真系统，并利用MATLAB编写模糊PID控制器程序，设计一个闭环控制系统[9-10]。

3.1 模糊控制器的设计

模糊控制器误差E及其变化率EC作为输入输入因子，模糊逻辑控制器处理相关因子后输出PID的修正参数，实现一个双输入、三输出的模糊PID控制器仿真模型[11]。模糊控制器的设计如图5所示。

3.2 恒流源主控制系统仿真与实现

光电无损检测用交流恒流源主控制系统以电源输出电流和预设值得误差作为反馈数据对输入端进行控制的闭环系统[12-13]。通过调节SPWM波的占空比来控制IGBT组成的H桥，使用输出交流电达到稳定。主系统模糊PID控制仿真模型如图7所示。

仿真模型预设常用电流值为200A，以市电整流后的530V直流电为输入，通过逆变滤波升流后输出交流电，与预设值比较后通过模糊PID控制器进行PID调整，得到稳定的交流输出电流[14-15]，对输出电压波形和输出电流值波形进行示波器采集，波形如图8所示。

由图8可知，在模糊PID控制下，电压波形更加平滑稳定；由图9可知，模糊PID输出电流波形超调量小，峰值低，不易对用电设备造成电流击穿损坏，且比传统PID控制下提前0.1s实现输出电流恒定。因此，相比之下，模糊PID控制比传统PID控制可更好的满足光电无损检测应用。

4 结语

通过在进行光电无损检测过程中遇到的问题进行分析，提出光电无损检测用恒流电源模糊PID控制理论，采用MATLAB软件设计进行系统建模仿真，记录输出波形，并进行对比分析。仿真结果表明该恒流源系统设计方案在光电无损检测中的可行性，其模糊PID控制策略，良好动态性和鲁棒性，对光电无损检测相关恒流源设备的软硬件设计提供了参考。

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[15] 赵升，陈冲，苏秀苹，许小峰.大功率交流恒流源自适应PWM策略研究及应用[J].电力电子技术，2014，48（07）：66-70.

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