A10-15000ABB勵(lì)磁控制器單元,感恩

CPU出現(xiàn)于大規(guī)模集成電路時(shí)代，處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)的迭代更新以及集成電路工藝的不斷提升促使其不斷發(fā)展完善。從最初專用于數(shù)學(xué)計(jì)算到廣泛應(yīng)用于通用計(jì)算，從4位到8位、16位、32位處理器，最后到64位處理器，從各廠商互不兼容到不同指令集架構(gòu)規(guī)范的出現(xiàn)，CPU 自誕生以來(lái)一直在飛速發(fā)展。 [1]
CPU發(fā)展已經(jīng)有40多年的歷史了。我們通常將其分成六個(gè)階段。 [3]
(1)第一階段(1971年-1973年)。這是4位和8位低檔微處理器時(shí)代，代表產(chǎn)品是Intel 4004處理器。 [3]
1971年，Intel生產(chǎn)的4004微處理器將運(yùn)算器和控制器集成在一個(gè)芯片上，標(biāo)志著CPU的誕生； 1978年，8086處理器的出現(xiàn)奠定了X86指令集架構(gòu)， 隨后8086系列處理器被廣泛應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)終端、高性能服務(wù)器以及云服務(wù)器中。 [1]
(2)第二階段(1974年-1977年)。這是8位中高檔微處理器時(shí)代，代表產(chǎn)品是Intel 8080。此時(shí)指令系統(tǒng)已經(jīng)比較完善了。 [3]
(3)第三階段(1978年-1984年)。這是16位微處理器的時(shí)代，代表產(chǎn)品是Intel 8086。相對(duì)而言已經(jīng)比較成熟了。 [3]
(4)第四階段(1985年-1992年)。這是32位微處理器時(shí)代，代表產(chǎn)品是Intel 80386。已經(jīng)可以勝任多任務(wù)、多用戶的作業(yè)。 [3]
1989 年發(fā)布的80486處理器實(shí)現(xiàn)了5級(jí)標(biāo)量流水線，標(biāo)志著CPU的初步成熟，也標(biāo)志著傳統(tǒng)處理器發(fā)展階段的結(jié)束。 [1]
(5)第五階段(1993年-2005年)。這是奔騰系列微處理器的時(shí)代。 [3]
1995 年11 月，Intel發(fā)布了Pentium處理器，該處理器首次采用超標(biāo)量指令流水結(jié)構(gòu)，引入了指令的亂序執(zhí)行和分支預(yù)測(cè)技術(shù)，大大提高了處理器的性能， 因此，超標(biāo)量指令流水線結(jié)構(gòu)一直被后續(xù)出現(xiàn)的現(xiàn)代處理器，如AMD（Advanced Micro devices）的銳龍、Intel的酷睿系列等所采用。 [1]
(6)第六階段(2005年后)。處理器逐漸向更多核心，更高并行度發(fā)展。典型的代表有英特爾的酷睿系列處理器和AMD的銳龍系列處理器。 [3]
為了滿足操作系統(tǒng)的上層工作需求，現(xiàn)代處理器進(jìn)一步引入了諸如并行化、多核化、虛擬化以及遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)等功能，不斷推動(dòng)著上層信息系統(tǒng)向前發(fā)展。

指令集的方式
CPU的分類還可以按照指令集的方式將其分為精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)和復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(CISC)。RISC指令長(zhǎng)度和執(zhí)行時(shí)間恒定，CISC指令長(zhǎng)度和執(zhí)行時(shí)間不一定。 RISC 指令的并行的執(zhí)行程度更好，并且編譯器的效率也較高。CISC指令則對(duì)不同的任務(wù)有著更好的優(yōu)化，代價(jià)是電路復(fù)雜且較難提高并行度。典型的CISC指令集有x86微架構(gòu)，典型的RISC指令集有ARM微架構(gòu)。但在現(xiàn)代處理器架構(gòu)中RISC和CISC指令均會(huì)在譯碼環(huán)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，拆分成CPU內(nèi)部的類RISC指令 [4]
嵌入式系統(tǒng)CPU
傳統(tǒng)的嵌入式領(lǐng)域所指范疇非常廣泛，是處理器除了服務(wù)器和PC領(lǐng)域之外的主要應(yīng)用領(lǐng)域。所謂“嵌入式”是指在很多芯片中，其所包含的處理器就像嵌入在里面不為人知一樣。 [8]
近年來(lái)隨著各種新技術(shù)新領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，嵌入式領(lǐng)域本身也被發(fā)展成了幾個(gè)不同的子領(lǐng)域而產(chǎn)生了分化。 [8]
首先是隨著智能手機(jī)(Mobile Smart Phone)和手持設(shè)備(Mobile Device)的發(fā)展，移動(dòng)(Mobile)領(lǐng)域逐漸發(fā)展成了規(guī)模匹敵甚至超過(guò)PC領(lǐng)域的一個(gè)獨(dú)立領(lǐng)域。由于Mobile領(lǐng)域的處理器需要加載Linux操作系統(tǒng)，同時(shí)涉及復(fù)雜的軟件生態(tài)，因此，其具有和PC領(lǐng)域一樣對(duì)軟件生態(tài)的嚴(yán)重依賴。 [8]
其次是實(shí)時(shí)(Real Time)嵌入式領(lǐng)域。該領(lǐng)域相對(duì)而言沒(méi)有那么嚴(yán)重的軟件依賴性，因此沒(méi)有形成絕對(duì)的壟斷，但是由于ARM處理器IP商業(yè)推廣的成功，目前仍然以ARM的處理器架構(gòu)占大多數(shù)市場(chǎng)份額，其他處理器架構(gòu)譬如Synopsys ARC等也有不錯(cuò)的市場(chǎng)成績(jī)。 [8]
最后是深嵌入式領(lǐng)域。該領(lǐng)域更像前面所指的傳統(tǒng)嵌入式領(lǐng)域。該領(lǐng)域的需求量非常之大，但往往注重低功耗、低成本和高能效比，無(wú)須加載像Linux這樣的大型應(yīng)用操作系統(tǒng)，軟件大多是需要定制的裸機(jī)程序或者簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，因此對(duì)軟件生態(tài)的依賴性相對(duì)比較低。 [8]
大型機(jī)CPU
大型機(jī)，或者稱大型主機(jī)。大型機(jī)使用專用的處理器指令集、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。大型機(jī)一詞，最初是指裝在非常大的帶框鐵盒子里的大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以用來(lái)同小一些的小型機(jī)和微型機(jī)有所區(qū)別。 [9]
減少大型機(jī)CPU消耗是個(gè)重要工作。節(jié)約每個(gè)CPU周期，不僅可以延緩硬件升級(jí)，還可以降低基于使用規(guī)模的軟件授權(quán)費(fèi)。
大型機(jī)體系結(jié)構(gòu)主要包括以下兩點(diǎn)：高度虛擬化，系統(tǒng)資源全部共享。大型機(jī)可以整合大量的負(fù)載于一體，并實(shí)現(xiàn)資源利用率的最大化；異步I/O操作。即當(dāng)執(zhí)行I/O操作時(shí)CPU將I/O指令交給I/O子系統(tǒng)來(lái)完成，CPU自己被釋放執(zhí)行其它指令。因此主機(jī)在執(zhí)行繁重的I/O任務(wù)的同時(shí)，還可以同時(shí)執(zhí)行其它工作。

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC），一種具有微處理機(jī)的數(shù)字電子設(shè)備，用于自動(dòng)化控制的數(shù)字邏輯控制器，可以將控制指令隨時(shí)加載內(nèi)存內(nèi)儲(chǔ)存與執(zhí)行?？删幊炭刂破饔蓛?nèi)部CPU，指令及資料內(nèi)存、輸入輸出單元、電源模組、數(shù)字模擬等單元所模組化組合成。
廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。在可編程邏輯控制器出現(xiàn)之前，一般要使用成百上千的繼電器以及計(jì)數(shù)器才能組成具有相同功能的自動(dòng)化系統(tǒng)，而現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)編程的簡(jiǎn)單的可編程邏輯控制器模塊基本上已經(jīng)代替了這些大型裝置?？删幊踢壿嬁刂破鞯南到y(tǒng)程序一般在出廠前已經(jīng)初始化完畢，用戶可以根據(jù)自己的需要自行編輯相應(yīng)的用戶程序來(lái)滿足不同的自動(dòng)化生產(chǎn)要求。
最初的可編程邏輯控制器只有電路邏輯控制的功能，所以被命名為可編程邏輯控制器，后來(lái)隨著不斷的發(fā)展，這些當(dāng)初功能簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)模塊已經(jīng)有了包括邏輯控制，時(shí)序控制、模擬控制、多機(jī)通信等許多的功能，名稱也改為可編程控制器（Programmable Controller），但是由于它的簡(jiǎn)寫(xiě)也是PC與個(gè)人電腦（Personal Computer ）的簡(jiǎn)寫(xiě)相沖突，也由于多年來(lái)的使用習(xí)慣，人們還是經(jīng)常使用可編程邏輯控制器這一稱呼，并在術(shù)語(yǔ)中仍沿用PLC這一縮寫(xiě)。

雖然PLC所使用之階梯圖程式中往往使用到許多繼電器、計(jì)時(shí)器與計(jì)數(shù)器等名稱，但PLC內(nèi)部并非實(shí)體上具有這些硬件，而是以內(nèi)存與程式編程方式做邏輯控制編輯，并借由輸出元件連接外部機(jī)械裝置做實(shí)體控制。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。實(shí)際上PLC執(zhí)行階梯圖程式的運(yùn)作方式是逐行的先將階梯圖程式碼以掃描方式讀入CPU 中并最后執(zhí)行控制運(yùn)作。在整個(gè)的掃描過(guò)程包括三大步驟，“輸入狀態(tài)檢查”、“程式執(zhí)行”、“輸出狀態(tài)更新”說(shuō)明如下：
步驟一“輸入狀態(tài)檢查”：PLC首先檢查輸入端元件所連接之各點(diǎn)開(kāi)關(guān)或傳感器狀態(tài)（1 或0 代表開(kāi)或關(guān)），并將其狀態(tài)寫(xiě)入內(nèi)存中對(duì)應(yīng)之位置Xn。步驟二“程式執(zhí)行”：將階梯圖程式逐行取入CPU 中運(yùn)算，若程式執(zhí)行中需要輸入接點(diǎn)狀態(tài)，CPU直接自內(nèi)存中查詢?nèi)〕觥］敵鼍€圈之運(yùn)算結(jié)果則存入內(nèi)存中對(duì)應(yīng)之位置，暫不反應(yīng)至輸出端Yn。步驟三“輸出狀態(tài)更新”：將步驟二中之輸出狀態(tài)更新至PLC輸出部接點(diǎn)，并且重回步驟一。 此三步驟稱為PLC之掃描周期，而完成所需的時(shí)間稱為PLC 之反應(yīng)時(shí)間，PLC 輸入訊號(hào)之時(shí)間若小于此反應(yīng)時(shí)間，則有誤讀的可能性。每次程式執(zhí)行后與下一次程式執(zhí)行前，輸出與輸入狀態(tài)會(huì)被更新一次，因此稱此種運(yùn)作方式為輸出輸入端“程式結(jié)束再生”。

(1)強(qiáng)力式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。早在50年代中期，前蘇聯(lián)提出了強(qiáng)力式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，除 了采用發(fā)電機(jī)端電壓偏差ΔUt外，還采用發(fā)電機(jī)頻率偏差Δf及其一次微分和發(fā)電機(jī)定 子電流及其一次微分等輔助反饋?zhàn)兞?。在設(shè)計(jì)上采用“雙變量D域劃分法”。這種調(diào)節(jié) 器具有在保證調(diào)節(jié)精度下穩(wěn)定勵(lì)磁、提高發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)與暫態(tài)運(yùn)行穩(wěn)定性、抑制系統(tǒng)事故 后的振蕩等功能，在前蘇聯(lián)得到推廣應(yīng)用。但由于設(shè)計(jì)方法不方便，共同穩(wěn)定域很小， 參數(shù)整定困難等原因，在國(guó)際上和我國(guó)均未普遍應(yīng)用。 [2]
(2) 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS。它是在PID調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，附加發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差 Δω、功率偏差ΔPe、頻率偏差Δf中的一種或兩種信號(hào)的二階超前校正環(huán)節(jié)作為附加控 制。其作用是，增加對(duì)電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩的阻尼，以增強(qiáng)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。有資 料說(shuō)明，采用PSS可將系統(tǒng)極 限運(yùn)行角提高到110°～120°。 以Δf(Δω) 為附加信號(hào)的 PSS控制器傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
我國(guó)引進(jìn)設(shè)備所采用的 PSS的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖4。采用了WASH—OUT 濾波器，保證在任何情況下，直流分量附加到調(diào)節(jié)器控制回路中。兩個(gè)放大因子KSS1和KSS2“加權(quán)”用計(jì)算機(jī)程序 計(jì)算。設(shè)定值取決于機(jī)組參數(shù)、機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)阻抗，從而決定其相位超前和滯后以 及穩(wěn)定信號(hào)的幅度，以求所有運(yùn)行點(diǎn)都達(dá)到好的阻尼效應(yīng)。

(3)線性最優(yōu)勵(lì)磁控制LOEC。為了進(jìn)一步改善電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定及動(dòng)態(tài)品質(zhì)， 70年代初，國(guó)際上一些學(xué)者提出了線性最優(yōu)控制方式LOEC。80年代清華大學(xué)對(duì)此進(jìn) 行了研究，研制成功工業(yè)樣機(jī)，經(jīng)由天津電氣傳動(dòng)研究所、武漢洪山電工研究所制造生產(chǎn)的產(chǎn)品，已在碧口、劉家峽、白山、紅石等水電站的機(jī)組上投入運(yùn)行。有資料說(shuō)明， 結(jié)合實(shí)際計(jì)算，這種勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式，可將系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定極限角δm提高到127°。但是， 它是基于系統(tǒng)全狀態(tài)量的最優(yōu)線性反饋的，要求狀態(tài)量能實(shí)際測(cè)量，從而給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了困難。而且將其應(yīng)用于多機(jī)電力系統(tǒng)勵(lì)磁控制設(shè)計(jì)時(shí)，不能得到分散的最優(yōu)控制規(guī) 律，只能得到次優(yōu)的控制方案，這不能不是一種缺陷，在非線性系統(tǒng)中，一旦偏離了設(shè)計(jì)工況，最優(yōu)控制就不存在了。
(4)零動(dòng)態(tài)多變量勵(lì)磁控制ZDEOC。ZDEOC的設(shè)計(jì)原則是僅僅保證輸出狀態(tài)量的 動(dòng)態(tài)品質(zhì)在任何時(shí)刻都是最優(yōu)的，即系統(tǒng)輸出狀態(tài)量的動(dòng)態(tài)偏差Y (t)在任何時(shí)候都 趨于零，即，當(dāng)t≥0時(shí)，Y (t) =0。而對(duì)其發(fā)電機(jī)的其他狀態(tài)，即內(nèi)部狀態(tài)，無(wú)須 苛求，只求穩(wěn)定即可。這種調(diào)節(jié)規(guī)律系由清華大學(xué)提出，在電力自動(dòng)化研究院電氣控制 技術(shù)所生產(chǎn)SJ800微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器上配置，已在動(dòng)模上作了單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)試驗(yàn)，證明 能有效改善遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性，現(xiàn)已在巖灘水電站300MW機(jī)組上投入運(yùn)行。
非線性多變量勵(lì)磁控制NEC
NEC在設(shè)計(jì)中，對(duì)于小干擾和大干擾，都采用電力系統(tǒng)精確的非線性模型。應(yīng)用微 分幾何方法對(duì)電力模型(可表示為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的仿射非線性系統(tǒng))進(jìn)行精確線性化，尋找適 當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換及非線性狀態(tài)反饋，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)完全可控的線性系統(tǒng)，由此求出線性 最優(yōu)控制，從而求得非線性控制。經(jīng)變量代換，最終得出非線性最優(yōu)控制規(guī)律NOEC。
清華大學(xué)用這種NEC的理論和方法設(shè)計(jì)并研究成功GEC-1型微機(jī)非線性勵(lì)磁控 制器，它一舉解決了電力系統(tǒng)小干擾與大干擾控制的統(tǒng)一性、控制對(duì)電網(wǎng)參數(shù)的魯棒 性、分散最優(yōu)控制等三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，有利于提高輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平。
GEC-1型微機(jī)非線性勵(lì)磁控制器，從1994年11月起已經(jīng)在豐滿水電站一臺(tái)容量為 85MW的水輪發(fā)電機(jī)組和10臺(tái)容量為100～200MW的汽輪發(fā)電機(jī)上成功地運(yùn)行。西北電網(wǎng)的穩(wěn)定仿真計(jì)算表明，依靠這種控制器不僅抑制了西電東送所出現(xiàn)的弱阻尼振蕩，而且還 提高了東電西送動(dòng)態(tài)穩(wěn)定極限。對(duì)三峽工程機(jī)組勵(lì)磁方式的研究表明，采用NEC方式，在 各種運(yùn)行方式下，都能提供很強(qiáng)的人工阻尼，在提高系統(tǒng)暫態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定方面，均優(yōu)于目前 的所有PSS和LOEC。以單機(jī)對(duì)無(wú)窮大系統(tǒng)的為例，靜態(tài)穩(wěn)定極限比采用PID方式提高 35.7%，比采用PSS方式提高7.1%，比采用LOEC方式提高15.7%;暫態(tài)穩(wěn)定極限比采用 PID方式提高38%，比采用PSS方式提高4.7%，比采用LOEC方式提高14.2%。