设计滑模输出反馈控制的线性不等式矩阵方法
概要：
基于输出独立信息的滑模控制的发展是当前相当可观的研究重要性题目之一，都知道滑模控制是切实可行的，要不是可靠的工业应用，有考虑设计方法的需要，而这些方法仅使用状态信息的一个子集。线性不等式矩阵最佳化的出现是一种有用的工具，测定转换开关面和计算静态输出反馈控制，这种反馈控制满足了到达的条件。当动态补偿需要解决联合输出反馈问题，再一次使用线性不等式矩阵方法时，这个论文同样研究了一个转换开关面设计。
1 介绍
在滑模控制的领域里许多早期发展都假设所有内部设置状态对控制定律「1」都是可行的。对许多应用来说，这种假设是有限的。对于制订执行控制定律，需要用一个观察员，对于内部不可测量状态，提供出一种判断，或是修改设计方法用于为那些对于使用控制定律中可行的状态中的仅仅一个有效的子集这种事实进行修正。线性系统中对于确定性问题，即超平面设计应用输出信息已由El-Khazali和DeCarlo「2、3」调查过。对于不确定性系统，Hui和Zak「4」建议一种互除法，用于基于特征矢量方法的关联输出超平面设计。Edwards和Spurgeon「5」论证说，超平面设计问题是与静态输出问题相同的，并且就稳定减速移动而存在的系统结构而言，提供了必要和足够的条件。设计表面之后，就需要开发一种控制用于引起和维持滑行移动。一种普通的设计方法论在「2，6-8」中的出现，是基于综合获得出一种数字静态输出反馈来保证满足所谓的到达条件。在「9」中论证了这些数字图解令人满意地按顺序终止，最好的是，必须满足一种确定的结构拘束，并且必须制定出一种滑动表面的特殊选择。在确定的条件下静态输出而言，滑模控制是不可能的，然而，就静态输出反馈问题「6」而言，为其基本补偿控制提出一种改变表面设计问题是可能的。
在滑模控制设计的上下文里，已经研究到了线性不等式矩阵﹝LMI﹞方法。就LMI而言，在「10」中出版的著作研究了对一种状态反馈滑模控制的滑动表面的设计。Heck et al.「8」研究到对控制一种给定滑动表面的输出反馈滑模控制，即对于这些的控制定律的综合性的数字方法。研究中的这些数字方法中的一个为LMI-based最佳化。然而，在「9」中争论到，这种控制设计框架的保守是不需要的。现在，LMI设计方法的使用被考虑作为输出关联开关功能和静态输出控制的决定，这种静态输出控制解决了到达问题。毫无疑问Kimura-Davison条件是满足的。在一定的情况中，需要输入补偿是被认可的。在这种形势下，需要提供参数，且能够使用LMI方法。
2 系统描述和问题陈述
考虑不确定的有力系统
﹝t﹞=Ax﹝t﹞+Bu﹝t﹞+B ﹝t,x,u﹞
Y﹝t﹞=Cx﹝t﹞ ⑴
当状态向量x R ,控制信号u R ，输出信号y R ,并且满足条件m≦p﹤n。假设系统三重矩阵﹝A,B,C﹞已知，且二重矩阵﹝A,B﹞是可控制的。
而且，假设三重矩阵﹝A,B.C﹞的一些不变量零点位于复平面的左半部，矩阵乘积CB满秩，并且所有的设置输入和输出都是独立的，未知函数 ﹝t,x,u﹞:R 表示集总的未必然性或者非线性。并且假设满足：
＜k + ⑵
对某个已知标量值函数 和一个正的不变的k ＜1。
变数结构控制方法的第一个阶段涉及到设计一个转换开关超平面，因此当系统轨迹由这个表面限制时，系统的整个动作是稳定的，并且有一些期望特性，这样就普遍涉及到了存在问题。在静态输出反馈条件下，就需要构造一个矩阵F ,因此在超平面的动作为
S=﹛x :FCx=0﹜ ⑶
满足了设计规范。将会看到矩阵F可能由对一种特殊次要系统轨迹的一个输出反馈稳定性问题的答案所决定。
第二个阶段，所谓的能到达性问题，包括设计一个控制定律来在有限的时间内运行控制滑动表面的状态，同时维持滑行移动而不顾其不确定性。
最近的工作已经表明，一旦需要解决存在问题，数字化的使用一种LMI入口「11」，便会综合出一个实际的控制规律。系统中所有的问题由存在问题引起，就近约束由控制规律设计综合产生。
在「5」中可以看到存在一种坐标系统，当三重矩阵（A,B,C）有此结构时：
目 录
摘 要... 1
第一章 绪论... 3
1.1 弧焊电源基本要求及原理... 3
1.1.1 焊接电弧的电特性... 3
1.1.2 对弧焊电源的基本要求... 6
1.2 弧焊电源的分类与特点... 11
1.3 弧焊电源的发展现状和趋势... 15
第二章 方案论证及整体设计... 16
2.1 研究内容... 16
2.2 方案论证... 16
第三章 硬件设计... 19
3.1 单片机系统... 19
3.1.1 MCS—51单片机的硬件结构... 19
3.1.2 A/D转换器与8031接口... 27
3.1.3 DAC0832芯片介绍... 32
3.1.4 数据存储器的扩展... 34
3.2 霍尔传感器... 36
3.2.1 介绍... 36
3.2.2 工作原理与特性... 37
3.3 开关电源控制模块CW3524. 41
3.3.1 概述... 41
3.3.2 开关电源的基本工作原理... 41
3.3.3 CW3524控制模块的结构和工作原理... 42
3.4 保护电路及抗干扰措施... 43
3.5 逆变晶体管电源的自诊断功能... 43
3.5.1 概述... 43
3.5.2 控制系统的硬件自检... 44
3.5.3 EPROM的自检功能... 44
3.5.4 模数转换的自检... 44
3.5.5 数模转换线路的自检... 45
3.5.6 CW3524的自检... 48
3.5.7 对主电路的自检功能... 48
第四章 软件设计... 49
4.1 介绍... 49
4.2 PID控制规律及其基本作用... 49
4.3 标准数字PID控制算法... 50
4.4 程序流程图（见附录A）... 52
4.5 程序清单（见附录B）... 52
第五章 结 论... 53
致谢... 54
参考资料... 55
附 录A. 56
附 录B. 57
摘 要
微机控制的逆变晶体管弧焊电源，在提高弧焊电源的性能和焊接质量，以及推进弧焊机器人的应用，都具有明显的价值。为此应开展以下研究工作：（1）优化微机控制的弧焊电源的结构参数，形成系列化并在实际生产中推广应用。（2）引入先进的控制算法，如自校正PID、自组织模糊控制和成熟的神经网络控制技术，提高控制精度。（3）采用功能模块化的软硬件设计方法，加强微机控制系统的配套研究，便于批量化生产。微电子技术、计算机技术和人工智能控制理论的发展，将使弧焊电源的性能跃上一个新的台阶。
本文主要包括四部分。第一部分详细介绍了弧焊电源的基本要求及原理，包括其分类与特点；第二部分则对该设计做出了方案论证及整体设计，给出了本设计的总体框图，对本设计有了一个宏观的把握；第三部分为硬件设计，详细介绍了该设计所需的各器件以及逆变电源的自诊断功能，所用器件主要包括：8031，74LS373，EPROM2764，ADC0809，DAC0832，电流霍尔传感器及CW3524。第四部分则为软件设计，介绍该设计用到的控制算法：PID控制算法。
关键词：逆变 焊接电源 晶体管 PID
Abstract
The tiny machine control of go against and change the transistor welding power supply, at raising the function and the welding quantities of weld the power supplies, and push forward the application of weld the robot, all having the obvious value.Should open the following research work of exhibition for this:(1)Excellent turn the structure parameter of the welding power supply of the tiny machine control, become the series turn combine in actually produce the expansion is applied.(2)The control calculate way that lead into the forerunner, such as from correct the PID, from organize the nerve network of the misty control and mature control technique, raise to control the accuracy.(3)Adopt the hungry design method of soft hardware that the function mold piece turn, strengthen the kit research that the tiny machine controls the system, the easy to batch quantity turns the production.The development of the micro-electronics technique, the calculator technique and the artificial intelligence control theories, will make the function of weld the power supply leap onto a new step.
This text mainly includes the four-part cent.The first part was detailed to introduce the basic request and principles of the welding power supply, including its classification and characteristicses;The second part then to should design to do the project argument and overall design, give the origin designs a system with minimum machine, the confidence that had to this design a macro view;The third part designs for the hardware, detailed introduced and should design each machine piece need and go against to change the power supply of from examine a patient the function, the machine piece use mainly includes:8031,74 LS373s, EPROM2764, ADC0809, DAC0832, the electric current huor spreads the feeling machine and CW3524s.The four-part cent then designs for the software, introducing the control calculate way that should design to use:The PID control calculate way.
Key words: go against weldingpower transistor PID
第一章 绪论
1.1 弧焊电源基本要求及原理
弧焊电源是为焊接电弧提供电能的一种装置。而焊接电弧的物理本质是一种气体导电现象，又是一种自持放电现象。电弧中的带电粒子主要是依靠电弧种气体介质的电离和电极的电子发射两个物理过程而产生的。弧焊电源要满足焊接电弧稳定工作﹝燃烧﹞，就必须要求自身的电气性能满足焊接电弧的电特性要求。为此，首先要了解焊接电源电气性能提出的基本要求。
1.1.1 焊接电弧的电特性
﹝1﹞ 焊接电弧的引燃
中性气体原来是不能导电的，要使其产生导电的物理现象，就要在两个电极之间施加一个电场，而且要足够强才能把电弧引燃起来。通常引燃电弧﹝引弧﹞用两种方式：接触式和非接触式。
接触式引弧是在弧焊电源接通之后，电极﹝焊条或焊丝﹞与工件之间短路接触，随后拉开，从而使电弧引燃起来。
非接触式引弧是指在电极与工件之间存在一定间隙，施以高电压﹝高频电压或高压脉冲﹞击穿间隙，使电弧引燃。
﹝2﹞ 焊接电弧电特性的形成
1﹞ 电弧电压
两电极之间产生电弧时，在电弧长度方向电场强度分布式不均匀的，通过实际测量得到的沿电弧长度方向的电压分布如图1-1所示。
图1-1 电弧各个电压分布
——阳极压降 ——阴极压降 ——弧柱压降 ——电弧电压
图中：
U ＝U +U +U
阳极区和阴极区在电弧中长度很小，分别约为10 和10 cm，因此可以认为两电极间距离即弧柱的长度。阳极区压降和阴极区压降与弧长无关。而弧柱压降又可写成：
U =IEl
式中 I—— 电弧电流；
E—— 弧柱电场强度；
L—— 弧柱长度。
于是电弧电压U 为
U =a+bl ﹝1-1﹞
式中 a——U +U ；
b——IE；
U —— 阳极压降；
U —— 阴极压降。
弧柱温度一般要求较高，约5000～50000K范围，因气体种类和电流大小而异。
2﹞ 最小电压原理
自由电弧时两个电极之间的气体导体，它可以自由扩大和缩小其导电断面，电流一定，气体介质条件一定是稳定燃烧的电弧将自动选择以适当的断面，以保证弧柱中具有最低的电场强度，即固定弧长上的电压为最小，这就是最小电压原理。
3﹞ 交流电弧
工频交流电弧每秒变换极性50次，电流每秒100此经过零点。电流经过零点瞬间，电弧中带电粒子进行复合，电弧熄灭。过零点后重新点燃。这种再点燃电弧的过程成为再引弧。再引弧所需电压成为再引弧电压。
