鐘 斌

(浙江工業(yè)大學 容大后勤集團， 杭州 310014)

嵌入式電子節(jié)能控制器的設計與實現(xiàn)

鐘 斌

(浙江工業(yè)大學 容大后勤集團， 杭州 310014)

節(jié)能控制能夠有效降低能耗，對保護環(huán)境等方面具有重要影響;但目前大多數(shù)電子節(jié)能控制器都是通過采用單片機技術(shù)和雙向晶閘管過零觸發(fā)交流調(diào)壓電路對電子節(jié)能控制器進行設計;通過介紹電子的負荷特點和節(jié)能原理，分析電子節(jié)能控制器的硬件組成電路，并對電子節(jié)能控制器的主要軟件程序的流程圖進行設計，完成電子節(jié)能控制器設計;但這種方法節(jié)能控制效果較低，難以保證電子節(jié)能控制器性能，為此，提出一種基于模糊PID控制的嵌入式電子節(jié)能控制器設計與實現(xiàn)方法;首先通過對嵌入式電子節(jié)能控制器的處理器、電源電路、復位電路、系統(tǒng)時鐘電路、JTAG接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、功放電路、雙極性電源電路以及嵌入式電子節(jié)能控制器硬件PCB板器件布局等的設計，完成嵌入式電子節(jié)能控制器硬件設計;在此基礎上，選用模糊PID控制方法對嵌入式電子節(jié)能控制器進行設計；通過分析模糊PID控制原理，介紹加入自調(diào)節(jié)因子的模糊PID控制的算法設計，以此確定輸入輸出隸屬度函數(shù)，再利用模糊推理和模糊規(guī)則，得到電子節(jié)能控制器的模糊控制過程，從而完成嵌入式電子節(jié)能控制器的設計;實驗證明，所提方法能夠有效提高嵌入式電子節(jié)能控制器的節(jié)能控制效果，具有良好的使用價值。

嵌入式；電子節(jié)能控制器；設計與實現(xiàn)

0 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展，各項建設取得巨大成就的同時也付出了資源和環(huán)境被破壞的代價[1-]2，所以提高資源利用率迫在眉睫[3]，電子節(jié)能控制器的設計為電子能源發(fā)展帶來積極作用[4]，是減低電子產(chǎn)品能耗的重要手段[5]。但目前大多數(shù)電子節(jié)能控制器設計方法通過將電子節(jié)能控制器的處理器、電源等部分作為一個動態(tài)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)論的觀念挖掘電子節(jié)能控制器的節(jié)能潛力，通過將微電子技術(shù)與現(xiàn)代模糊控制技術(shù)相結(jié)合對電子節(jié)能控制器軟件進行設計，在此基礎上，完成電子節(jié)能控制器設計[6]。該方法是進行電子節(jié)能控制器設計的重要方法，引起相關(guān)專家學者的關(guān)注[7]，該課題也成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的重點，隨著研究內(nèi)容的深入，得到許多研究成果[8]。

文獻[8]提出電子節(jié)能控制器設計與實現(xiàn)方法，通過對功率因素校正電路、逆變電路、保護電路、復位電路等的設計，在電路中使用的APFC芯片是L6561。在完成電子節(jié)能控制器硬件設計基礎的基礎上，通過對ZigBee無線通信模塊等電子節(jié)能控制器模塊設計，完成電子節(jié)能控制器設計。但這種方法存在由于設計出的電子節(jié)能控制器體積較大，導致其使用范圍受到限制。文獻[9]提出的電子節(jié)能控制器設計方法，從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和應用范圍出發(fā)，設計電子節(jié)能控制器。通過將改進的變結(jié)構(gòu)單神經(jīng)元自適應PID控制算法應用到電子節(jié)能控制器信號匹配過程中，通過對電子節(jié)能控制器的控制策略進行研究，改善信號匹配過程中的不協(xié)調(diào)問題，根據(jù)實際需要，控制電子節(jié)能控制器的輸出，將嵌入式系統(tǒng)應用于電子節(jié)能控制器中，通過對節(jié)能控制器處理器的選擇，完成嵌入式電子節(jié)能控制器設計。但這種方法在實際操作過程中，計算復雜，所以節(jié)能控制難度較大。文獻[10]提出的電子節(jié)能控制器設計方法，從目前節(jié)能控制器普遍存在的問題出發(fā)，分析節(jié)能控制的局限性，在借鑒國外先進控制理論的基礎上，綜合考慮轉(zhuǎn)速控制和壓力控制的優(yōu)點，提出電子節(jié)能控制器設計的新方法。通過繼電自整定PID的電源電路控制方法與基于參數(shù)自適應模糊PID的處理器控制方法相結(jié)合，完成電子節(jié)能控制器的設計構(gòu)想，在此基礎上，完成對電子節(jié)能控制器復位電路、JTAG接口電路、時鐘電路等的設計。完成電子節(jié)能控制器設計。但這種方法由于設計成本較高，一般設備難以承受其價格，導致其難以推廣使用。

根據(jù)上述問題，提出一種基于模糊PID控制的嵌入式電子節(jié)能控制器的設計與實現(xiàn)方法，在對嵌入式電子節(jié)能控制器硬件設計過程中，對嵌入式電子節(jié)能控制器的處理器、電源電路、復位電路、系統(tǒng)時鐘電路、JTAG接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、功放電路、雙極性電源電路以及嵌入式電子節(jié)能控制器硬件PCB板器件布局等硬件進行設計。在此基礎上，通過模糊PID控制方法對嵌入式電子節(jié)能控制器的軟件進行設計。通過對模糊PID控制原理進行分析，并設計了加入自調(diào)節(jié)因子的模糊PID控制方法，通過確定輸入輸出的隸屬度函數(shù)，根據(jù)模糊推理和模糊規(guī)則，得到電子節(jié)能控制器的模糊控制過程，從而完成嵌入式電子節(jié)能控制器的軟件設計，從而完成嵌入式電子節(jié)能控制器的設計。實驗證明，本文所提方法能夠有效提高節(jié)能控制效果，具有良好的使用價值。

1 節(jié)能控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

節(jié)能控制器就是根據(jù)檢測的電壓與電流的相位差，得到功率因數(shù)，根據(jù)功率因數(shù)調(diào)節(jié)工作電壓。使電壓大小跟隨負載變化而變化，從而降低有功功率、無功功率損耗，達到節(jié)能控制的目的。

節(jié)能控制器主要包括電流采集電路、電壓采集電路、電流電壓信號調(diào)節(jié)電路、光隔離電路等，采用SP708S芯片和JTAG電路接口。節(jié)能控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)能控制器結(jié)構(gòu)

在忽略諧波影響、磁飽和、鐵損及定子電阻時，功率因數(shù)可表示為：

(1)

對于節(jié)能控制器，其功率因數(shù)與轉(zhuǎn)差角頻率密切相關(guān)，而轉(zhuǎn)差角頻率又與節(jié)能控制器的負載轉(zhuǎn)矩、供電電壓和頻率存在關(guān)系。因此，在不同負載下，可以通過調(diào)節(jié)端電壓調(diào)節(jié)節(jié)能控制器的功率因素。當負載下降時，通過降低節(jié)能控制器的電源電壓來減少鐵損，同時電流隨之下降也減少了銅損，從而起到節(jié)能控制作用。

2 嵌入式電子節(jié)能控制器的設計與實現(xiàn)

2.1 嵌入式電子節(jié)能控制器硬件設計

選用LPC2249處理器作為嵌入式電子節(jié)能控制器的處理器，其內(nèi)核具有Thumb結(jié)構(gòu)擴展、調(diào)試擴展、增強乘法器、EmbededdedICETM宏單元等功能，是一種32位LQFP144腳，基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的微處理器。

本文嵌入式電子節(jié)能控制器有3.3V作為供電電源。通過具有工作性能可靠、工作效率高、電流輸出驅(qū)動能力強等優(yōu)點的KA78XX系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路，保障嵌入式電子節(jié)能控制器的處理器穩(wěn)定可靠工作。

由于ARM芯片高速、低耗和低壓，給電源監(jiān)控可靠性等方面帶來不利影響。為降低影響，選用專用的微處理器電源監(jiān)控芯片SP708S作為節(jié)能控制器的復位電路。由于nRST和nTRST是通過JTAG仿真器控制復位實現(xiàn)，因此通過74HC125三態(tài)緩沖門進行JTAG驅(qū)動。利用上拉電阻將nRST和nTRST信號上拉為高電平信號，使節(jié)能控制器正常運行。

嵌入式電子節(jié)能控制器的處理器通過使用外部晶振或外部時鐘源，內(nèi)部PLL電路調(diào)整節(jié)能控制器時鐘，提高嵌入式電子節(jié)能控制器的運行速度。本文選用外部11.0592 MHz晶振，提高串口波特率。

本文嵌入式電子節(jié)能控制器JTAG接口選用標準20腳JTAG仿真調(diào)試接口，通過JTAG接口上的信號nRST和nTRST與復位電路相連接，完成共同控制系統(tǒng)復位的目的。

DAC702D/A芯片是一種16位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，具有低增益漂移、高精度等優(yōu)點。由于本文嵌入式電子節(jié)能控制器選用16位的存儲器，所以本文選用DAC702芯片方便編程需要，提高響應速度及精度。利用nWE信號和處理器端口P2.25信號經(jīng)過或非門器件控制鎖存器中數(shù)據(jù)向DCA702傳送。

嵌入式電子節(jié)能控制器功放電路選用單片式高電壓、大電流放大器OPA541功率運算放大器。

OPA541電路內(nèi)部設有限流保護電路電阻R94，可通過下式進行計算：

(2)

嵌入式電子節(jié)能控制器OPA541功放器件與DAC702轉(zhuǎn)換器中，都需要雙極性電源。通過IC555芯片實現(xiàn)電路振蕩。

嵌入式電子節(jié)能控制器硬件PCB板器件布局中，以每個功能電路的核心元件為中心進行布局，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接，間距盡可能大些。

通過對嵌入式電子節(jié)能控制器的處理器、電源電路、復位電路、雙極性電源電路以及嵌入式電子節(jié)能控制器硬件PCB板器件布局等的設計，完成嵌入式電子節(jié)能控制器硬件設計。

2.2 基于模糊PID控制的嵌入式電子節(jié)能控制器軟件設計

2.2.1 PID控制理論

系統(tǒng)偏差的比例、積分、微分的綜合控制，簡稱PID控制，是一種基于對“過去”、“現(xiàn)在”、“將來”信息估計的簡單但卻有效的控制算法。它有三個重要的功能：

1)提供反饋控制；

2)通過積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差；

3)通過積分作用預測未來。

PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好及可靠性高，被廣泛應用于過程控制和運動控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學模型的確定性系統(tǒng)。PID控制特別適用于過程動態(tài)性能良性且控制性能要求不高的情況。PID控制也可以應用于許多具有特殊目的的控制系統(tǒng)中，也是分布式控制系統(tǒng)的重要組成部分和現(xiàn)場總線概念的重要組成部分，同時會隨著現(xiàn)象總線的發(fā)展被標準化。自從有了PID控制，參數(shù)整定問題一直是人們研究的課題之一，在長期的工程實踐中，人們已經(jīng)積累了有關(guān)如何用好PID控制策略的豐富經(jīng)驗。特別是在工業(yè)過程控制中，由于控制對象的精確數(shù)學模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運用現(xiàn)代控制理論進行分析、綜合要耗費很大代價進行模型辨識，且往往不能得到預期的效果，所以人們常用PID控制器，并根據(jù)經(jīng)驗進行參數(shù)整定。同其它控制方法一樣，幾十年來。PID控制的參數(shù)自整定方法和技術(shù)也處于不斷發(fā)展中。

然而實際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時變不確定性，難以建立精確的數(shù)學模型，用于常規(guī)PID參數(shù)整定方法繁雜，其參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運行工況的適應性差。因此尋求一種新的控制方法成為控制領域的迫切需求。針對PID控制器參數(shù)整定不易的局限，我們運用模糊數(shù)學的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應情況，運用模糊推理，自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整，實現(xiàn)模糊PID控制。

2.2.2 控制器軟件設計

該控制器軟件設計首先計算PID控制的傳遞函數(shù)，通過PID控制方法得出另一等價形式，利用向量法找出模糊子集特點，在誤差加權(quán)基礎上計算子集模糊量和實際輸出量，最后在模糊PID控制器的輸出端增加一個積分環(huán)節(jié)，從而完成基于模糊PID控制的嵌入式電子節(jié)能控制器軟件設計。具體過程如下：

PID控制的傳遞函數(shù)可以表示為：

G(s)=Kp+Ki/s+Kds

(3)

式中，Kp表示比例增益，Ki表示積分增益，Kd表示微分增益。

PID控制器的另一等價形式可以表示為：

(4)

設定論域U到閉區(qū)間[0,1]的任意映射μA可以表示為：

μA:U→[0,1]u→μA

(5)

確定U的一個模糊子集A，μA(u)表示u對于A的隸屬度，μA被稱為模糊子集的隸屬函數(shù)。

當U表示有限集{u1,u2,…,un}時，通過向量法對模糊子集進行表示為：

A=(A(u1),A(u2),…,A(un))

(6)

式中，隸屬度為0的項不能省略。

為了滿足嵌入式電子節(jié)能控制器被控對象的要求，加入調(diào)整因子α，對誤差及誤差變化進行加權(quán)：

(7)

通過上述論述，設定r(k)表示嵌入式電子節(jié)能控制器給定被控量，u(k)表示模糊PID控制器的輸出控制量；y(k)表示反饋檢測量；e(k)表示各變量的誤差，e(k)=r(k)-y(k)；ec(k)表示各變量誤差的變化值；Ke表示輸出誤差的量化因子；Kec表示誤差變化的量化因子；Ku表示輸出比例因子。通過e(k)和ec(k)乘上量化因子，得到模糊量，即：

E=Kee(k)

(8)

EC=Keec(k)

(9)

通過將嵌入式電子節(jié)能控制器模糊輸出量乘上比例因子Ku后，得到實際輸出量：

Δu(k)=KuU

(10)

在模糊PID控制器的輸出端增加一個積分環(huán)節(jié)：

u(k)=∑Δu(k)

(11)

功率因素角φ的變換范圍是0-180度，因此按照公式：

(12)

將其轉(zhuǎn)化為[-3,3]間變化量，將上式去逆運算得到Ke，同樣方法求出EC，Kec，U，Ku。

上述論述中，本文選用模糊PID控制方法對嵌入式電子節(jié)能控制器進行設計。通過分析模糊PID控制原理，通過輸入輸出的隸屬度函數(shù)的確定，利用模糊推理和模糊規(guī)則，得到電子節(jié)能控制器的模糊控制過程。

3 實驗結(jié)果與分析

為證明本文提出的嵌入式電子節(jié)能控制器的設計與實現(xiàn)方法的有效性，以Intel P4 2G處理器為硬件環(huán)境，MATLAB2008a為平臺，運用對比法將本文提出的節(jié)能控制器設計方法與文獻[8]和文獻[9]所提節(jié)能控制器設計方法進行比較，完成本次實驗。

首先對比三種節(jié)能控制器設計方法的節(jié)能效果，分別對比安裝三種方法的節(jié)能控制器與不安裝節(jié)能控制器節(jié)能控制器的能耗，設其單位為焦，對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 節(jié)能控制器運行效果對比

通過圖2可以看出，不安裝節(jié)能控制器的系統(tǒng)能耗最大，呈急速上升狀態(tài)，說明已經(jīng)不再適用于現(xiàn)階段的控制系統(tǒng)，即將被淘汰；文獻[8]所提方法的系統(tǒng)能耗較大，開始運行25小時內(nèi)呈急速上升狀態(tài)，25至50小時內(nèi)能耗減緩，改方法下的控制器不能滿足現(xiàn)階段的工作需求；文獻[9]所提方法的能耗比文獻[8]方法能耗低，系統(tǒng)運行50小時內(nèi)均呈上升狀態(tài)，但依然不夠理想；本文所提設計方法設計的節(jié)能控制器在使用后能量消耗相比其他方法是最低的，并且隨著時間的變化，平均每小時消耗的能量比較統(tǒng)一，說明本文所提方法能夠有效提高節(jié)能效果。

然后對比三種方法的控制準確度，設控制準確度單位為%，通過實驗，得到三種節(jié)能控制的準確度對比，對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 3種方法控制的準確度對比

通過對圖2的分析可知，文獻[9]所提方法精準度最差，持續(xù)在70%～80%之間波動，已經(jīng)不適用于現(xiàn)階段節(jié)能控制器發(fā)展；文獻[8]所提方法相比文獻[9]方法略好，但精準度依然不理想，最高達到85%，最低在75%，且波動較大，精準度極不穩(wěn)定，說明其在實際應用中不可靠；本文所提方法控制器的準確度相對最高，在90%～95%之間，滿足現(xiàn)階段電子節(jié)能控制器的需求，且波動小，精準度穩(wěn)定，說明本文所提方法節(jié)能控制器對機器的損耗較小。

對3種節(jié)能控制器設計方法的結(jié)構(gòu)復雜度與時間復雜度進行對比，設結(jié)構(gòu)復雜度單位為M，時間復雜度單位為O，通過計算得到3種方法的結(jié)構(gòu)復雜度和時間復雜度對比，對別結(jié)果如表1所示。

表1 3種方法的時間復雜度和結(jié)構(gòu)復雜度對比

通過表1可以知道，文獻[9]所提方法的結(jié)構(gòu)復雜度和時間復雜度均是三種方法中最高的，說明其系統(tǒng)計算時間長，且不利于系統(tǒng)后期維護，增加工作量，效率低下，不適用于現(xiàn)階段的節(jié)能控制應用；文獻[8]所提方法相對較好，但仍然不夠理想；本文所提方法結(jié)構(gòu)復雜度和時間復雜度均是最低的，節(jié)能計算時間較短，說明本文所提方法的節(jié)能控制器在后期維護時具有較大的優(yōu)勢。

最后對3種節(jié)能控制器設計方法設計的節(jié)能控制器的運行功率進行對比，設運行功率單位為W，通過實驗，得到3種節(jié)能控制器設計方法設計的節(jié)能控制器的運行功率對比，對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 3種方法運行功率對比

從圖4可以看出，文獻[8]所提方法運行功率最大，均在700～800 W之間波動，在現(xiàn)階段工業(yè)對于控制器的需求來說，即將被淘汰；文獻[9]所提方法運行功率較大，且極不穩(wěn)定，高至650 W，低至400 W，能耗高，適用性差，不利于工作效率的提高；本文所提方法的運行功率最小，說明所提方法設計的節(jié)能控制器運行能耗較低、運行行功率較平穩(wěn)、運行較為穩(wěn)定，具有良好的現(xiàn)實實踐意義。

綜上所述，本文所提方法能夠有效提高節(jié)能控制器的節(jié)能效果，運行功率較低，說明其能耗較少。并且本文所提方法設計的節(jié)能控制器結(jié)構(gòu)復雜度和時間復雜度都較低，有利于后續(xù)維護工作的順利進行。本文所提方法的節(jié)能控制器能夠

4 結(jié)束語

節(jié)能在發(fā)展的過程中占據(jù)重要地位，是實現(xiàn)環(huán)境保護的重要手段。通過安裝節(jié)能控制器，能有效降低能源消耗，提出的嵌入式電子節(jié)能控制器的設計與實現(xiàn)方法，能夠有效降低能量消耗，控制效果較好，對推動節(jié)能控制的發(fā)展起著積極作用。

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Design and Implementation of Embedded Electronic Energy Saving Controller

Zhong Bin

(Rongda Service Group，ZheJiang University of Technology,Hangzhou 310014,China)

Energy saving control can effectively reduce energy consumption, and has an important impact on the protection of the environment. But most electronic energy saving controllers is designed by adopting the single chip microcomputer technology and the bidirectional thyristor zero crossing triggering AC voltage regulating circuit. Through the introduction of load characteristics and the energy-saving principle of electronic circuit analysis, electronic energy-saving controller hardware and software flowchart of the main program of controller is designed. However, the energy-saving control effect is low and it is difficult to guarantee the performance of electronic energy saving controller. Therefore, a design and implementation method of embedded electronic energy saving controller based on fuzzy PID control is proposed. Based on the embedded electronic energy-saving controller processor, power circuit, reset circuit, system clock circuit, JTAG interface circuit, D/A conversion circuit, amplifier circuit, bipolar power supply circuit and embedded electronic energy-saving controller hardware board PCB devices layout design, complete the embedded electronic energy-saving controller hardware design. On this basis, the fuzzy PID control method is used to design the embedded electronic energy saving controller. Through the analysis of the fuzzy PID control principle, introduced to the self regulating factor fuzzy PID control algorithm is designed to determine the input and output membership function, then using fuzzy reasoning and fuzzy rules, fuzzy controller of electronic energy saving control process, thus completing the design of energy saving controller embedded electronic. Experimental results show that the proposed method can effectively improve the energy saving control effect of embedded electronic energy saving controller, and has good use value.

embedded; electronic energy saving controller; design and implementation

2017-05-17；

2017-06-08。

浙江省教育廳2016年課題(Y201635800)。

鐘 斌(1976-)，男，浙江諸暨人，碩士，工程師，主要從事高校水電及節(jié)能管理、后勤信息化方向的研究。

1671-4598(2017)12-0228-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.059

TP202

A