基于電力電子系統(tǒng)PID控制的研究

顧 俊

（光大環(huán)保蘇州有限公司，江蘇 蘇州 215000）

1 引言

在沼氣發(fā)電機(jī)組控制中，冷卻溫度是一個很重要的被控參數(shù)，不同沼氣發(fā)電機(jī)組都有明確規(guī)定的額定氣溫值，并要求在運(yùn)行中不能有過大的偏差，一般控制偏差允許范圍為-10℃～+5℃。

沼氣發(fā)電機(jī)組溫度控制是一個研究了多年的問題，PID控制策略已經(jīng)成為經(jīng)典而被廣泛采用。然而，其實(shí)際控制效果卻不盡如人意。其主要問題有兩個：一是機(jī)組出水溫度、一級冷卻風(fēng)機(jī)出水溫度、冷油器出水溫度和二級冷卻風(fēng)機(jī)出水溫度之間配合不協(xié)同；二是控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程漫長。

針對這兩個問題，本文結(jié)合現(xiàn)場調(diào)試的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提出了溫度協(xié)同配合控制方案，并基于ARM技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了沼氣發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)溫度PID控制的優(yōu)化系統(tǒng)，通過測試該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

2 傳統(tǒng)溫度PID控制方法存在的問題

溫度控制系統(tǒng)基本上可以分成開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)兩類。

本文所設(shè)計(jì)的基于ARM的沼氣發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)溫度PID控制的優(yōu)化方法就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的。

通常，PID溫度控制器的使用非常簡便。實(shí)踐中只需要設(shè)定三個參數(shù)（kp，Ki和kd）就可以了。但是控制器的參數(shù)整定是比較復(fù)雜的，它是根據(jù)被控對象的動態(tài)特性而確定的。以沼氣發(fā)電機(jī)組為例，如果被控溫度對象的動態(tài)特性發(fā)生了變化， PID參數(shù)就需要重新確定。因此這在一定程度上影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，總結(jié)PID控制方法的存在問題，主要有以下三個方面：

（1）難以建立過程模型

閉環(huán)控制時(shí)，通常通過在過程中插入一個測試信號的方法來確定參數(shù)，但是這個方法會引起擾動，所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用中不是非常好。

（2）超調(diào)干擾

如果系統(tǒng)參數(shù)自整定是基于控制律的話，常常難以把由于負(fù)載干擾引起的影響和過程動態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來。所以由于受到干擾的影響，控制器會產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外，因?yàn)榛诳刂坡傻南到y(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問題。

（3）系統(tǒng)復(fù)雜

PID控制器在控制非線性、時(shí)變、耦合以及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，工作得并不是太好。在很多非線性時(shí)變系統(tǒng)中，無論怎么調(diào)節(jié)控制其參數(shù)都不能夠達(dá)到一個較好的控制結(jié)果。

3 溫度PID控制方法的優(yōu)化研究

由于傳統(tǒng)的PID溫度控制方法存在以上問題，因此出現(xiàn)了混合型模糊PID控制器。為了解決模糊PID控制器無法消除穩(wěn)態(tài)誤差的問題，可以增加積分I的環(huán)節(jié)，其公式稱為模糊PD+線性I公式：

設(shè)定值權(quán)系數(shù)b取在（0，1）之間，且為常數(shù)。由ep計(jì)算的比例控制分量U（t）=Kpep（t）比常規(guī)計(jì)算值要小。從而可實(shí)現(xiàn)較小的超調(diào)控制響應(yīng)?；诖朔绞降腜ID控制器方法，可以通過應(yīng)用二維模糊推理的方式來計(jì)算bl的動態(tài)值，能夠取得比靜態(tài)的固定b值算法更好的控制效果。這是混合型模糊PID控制器的另一種形式。雖然b（t）形式上是動態(tài)的，但是由于控制器仍然具有非時(shí)變本質(zhì)，所以還是應(yīng)該理解為是一種定常的非線性系統(tǒng)，即b-f（e，Dc），由此產(chǎn)生非線性比例增益。此外，應(yīng)用模糊前向補(bǔ)償器與PID控制器結(jié)合的方式也可以被認(rèn)為是一種混合型模糊PID控制器。

基于上述理論，本文提出了新型模糊PID溫度控制器，次控制器主體上是屬于增益調(diào)整型模糊PID溫度控制器，如圖1所示。

4 沼氣發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度PID控制設(shè)計(jì)

ARM即Advanced RISC Machines的縮寫，既是一個公司的名字，也統(tǒng)指一類微處理器，ARM處理器的三大特點(diǎn)是：耗電少功能強(qiáng)、16位/32位雙指令集和眾多合作伙伴。

4.1 總體設(shè)計(jì)

本文采用Atmel公司的32位ARM9嵌入式微處理器作為主控制芯片，系統(tǒng)通過溫度傳感器把采集到的實(shí)時(shí)溫度信號經(jīng)過溫度檢測電路傳給ARM，經(jīng)控制算法處理得到控制信號，最后再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到輸出信號輸出給控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到自動控溫的效果。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

4.2 檢測電路和A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

如圖3所示，本系統(tǒng)中的溫度檢測電路采用MAX6675的SO、SCK、CS端口分別與AT91RM9200的MISO、SPCK和NPCS0端口相連。當(dāng)AT9lRM9200的NPCS0為低電平且SPCK口產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)，MAX6675的SO腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換電路包括一個16位的D/A轉(zhuǎn)換器和用于增益調(diào)節(jié)的運(yùn)算放大器，主要任務(wù)為執(zhí)行輸出控制信號，控制閥門、變頻器或可控硅等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。D/A轉(zhuǎn)換器采用DAC712，DAC712是一個高效16位并行雙緩沖D/A轉(zhuǎn)換器，±10V的電壓輸出，并帶有+10V的參考電壓精確溫度補(bǔ)償和兩極緩沖的16位數(shù)據(jù)鎖存器。

4.3 存儲電路和接口設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中采用NOR Flash存儲啟動代碼、Linux內(nèi)核和用戶程序，采用NAND Flash存儲程序運(yùn)行過程中所需要處理的大量數(shù)據(jù)。這樣，二者的優(yōu)勢都可以得到發(fā)揮。在芯片選擇上，NOR Flash使用的是ATMEL的AT49BV322A，而NAND Flash則采用了三星的K9F1208。電路如圖4、圖5所示。

5 系統(tǒng)測試及結(jié)論

在控制界面上對該系統(tǒng)進(jìn)行測試，將前潰增益設(shè)定為1（范圍0.1～2），前潰延遲設(shè)定為25（范圍1～40），得出如圖6的溫度曲線。該系統(tǒng)溫度曲線較優(yōu)化前更為平順，避免了以前由于工作條件的變化而需要不斷改變PID參數(shù)的情況，經(jīng)過試運(yùn)行，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

由此我們可以看出，通過基于ARM的沼氣發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)溫度PID控制較傳統(tǒng)的溫度PID控制具有更好的動態(tài)響應(yīng)特性及控制精度，很好地避免了系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定的問題，從而更好地保證了沼氣發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

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