基于混合最优算法的高精度数控直流电源设计

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摘要
基于单片机与最优化理论,设计并制作出一种数控直流电流源。在传统电路设计的基础上,利用控制系统中反馈与
控制原理,引入电流负反馈,使硬件电路工作在闭环状态;综合利用主控制器ATmega128单片机高速处理优势及其内部资源，
2 K' S: Q; t6 c! @4 v. N+ x设计基于遗传算法和直接搜索策略的混合优化算法,并结合PID算法,形成软件闭环控制。实现对输出电流的精确控制,提
高电流源输出电流的稳定度及电流源带负载能力。本数控直流电流源恒流输出电流范围为10 mA~4000 mA可调，输出恒流
调整步长1 mA、10 mA、100 mA可选,实测电流与预置电流误差不大于1 mA。本装置人机交互界面友好,工作状态和各种参
数显示清晰,并可实现负载过流报警和记录故障持续时间等功能。

) x* T% G- e; L& d/ v设计任务
, T! U& R* ^/ H" s设计并制作数控直流电流源。输人交流200 ~
240 V ,50 Hz;输出直流电压≤10 V。原理框图如
图1。
; ^6 A6 C8 O( w% l$ z# m要求输出电流范围:200~2000 mA;可设置并
显示输出电流给定值,要求输出电流与给定值偏差
( ]7 C# y4 X5 c8 K  ^$ b4 c的绝对值≤给定值的1% +10 mA;具有步进调整功
8 P; ]( a+ `: J3 h- v2 ]" D
能,步进≤10mA;纹波电流≤2mA;改变负载电阻，
  y; {  _) k" n* Y# H* {输出电压在10V以内变化时,要求输出电流变化的
绝对值≤输出电流值的1%+10mA。
. A0 p5 a  F4 G' G$ x5 V2系统设计方案
鉴于目前数控直流源一般采取运放构成的电
流-电压转换电路与单片机结合,设计方案大多为开
  \* Q8 K2 V6 Z0 R/ m- y4 `环系统,主控制器仅用于数字给定及显示，没有对
输出电流进行检测和控制。本文在传统电路设计
1 g# J8 u+ W' `5 R3 v- F的基础上,利用控制系统中反馈与控制原理,引人
电流负反馈,在采样电阻上获取和电流成正比的采
样电压,并接人运算放大器的反向输人端,实现负
反馈,形成恒流输出的闭环控制系统;软件方面,将
# P5 m% Z6 \- R具有全局寻优能力但收敛速度慢的遗传算法和具
有收敛速度快且局部寻优能力强的直接搜索法结
1 Q; Z5 B/ m. b& W, k合在一起,设计基于遗传算法和直接搜索策略的混
合优化算法,充分利用了遗传算法的全局搜索能力
并以此作为优化过程的“粗调”,同时利用直接搜索
; [/ t( x3 ^/ z8 p0 F$ E) ]$ R法良好的局部搜索能力作为优化过程的“微调”,集
4 B6 `1 P2 v! m5 M& j( E) h# F了两者的优点,而克服了两者的弱点,得到的目
: D! X1 H! J" t; n3 N" t2 d标函数值较遗传退火策略更优,而且一致性更好，


' f4 |. F" [8 u( n% o
6 G9 C8 R" k& k$ C. r/ b

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利用控制系统中反馈与控制