基于电力电子系统PID控制的研究

2010-02-26顾俊

电子与封装 2010年11期

顾俊

（光大环保苏州有限公司，江苏苏州 215000）

1 引言

在沼气发电机组控制中，冷却温度是一个很重要的被控参数，不同沼气发电机组都有明确规定的额定气温值，并要求在运行中不能有过大的偏差，一般控制偏差允许范围为-10℃～+5℃。

沼气发电机组温度控制是一个研究了多年的问题，PID控制策略已经成为经典而被广泛采用。然而，其实际控制效果却不尽如人意。其主要问题有两个：一是机组出水温度、一级冷却风机出水温度、冷油器出水温度和二级冷却风机出水温度之间配合不协同；二是控制系统调节过程漫长。

针对这两个问题，本文结合现场调试的实际经验，提出了温度协同配合控制方案，并基于ARM技术，设计并实现了沼气发电机组冷却系统温度PID控制的优化系统，通过测试该系统运行稳定。

2 传统温度PID控制方法存在的问题

温度控制系统基本上可以分成开环和闭环系统两类。

本文所设计的基于ARM的沼气发电机组冷却系统温度PID控制的优化方法就是一个闭环控制系统所实现的。

通常，PID温度控制器的使用非常简便。实践中只需要设定三个参数（kp，Ki和kd）就可以了。但是控制器的参数整定是比较复杂的，它是根据被控对象的动态特性而确定的。以沼气发电机组为例，如果被控温度对象的动态特性发生了变化， PID参数就需要重新确定。因此这在一定程度上影响了系统的稳定性，总结PID控制方法的存在问题，主要有以下三个方面：

（1）难以建立过程模型

闭环控制时，通常通过在过程中插入一个测试信号的方法来确定参数，但是这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用中不是非常好。

（2）超调干扰

如果系统参数自整定是基于控制律的话，常常难以把由于负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来。所以由于受到干扰的影响，控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，因为基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。

（3）系统复杂

PID控制器在控制非线性、时变、耦合以及参数和结构不确定的复杂系统时，工作得并不是太好。在很多非线性时变系统中，无论怎么调节控制其参数都不能够达到一个较好的控制结果。

3 温度PID控制方法的优化研究

由于传统的PID温度控制方法存在以上问题，因此出现了混合型模糊PID控制器。为了解决模糊PID控制器无法消除稳态误差的问题，可以增加积分I的环节，其公式称为模糊PD+线性I公式：

设定值权系数b取在（0，1）之间，且为常数。由ep计算的比例控制分量U（t）=Kpep（t）比常规计算值要小。从而可实现较小的超调控制响应。基于此方式的PID控制器方法，可以通过应用二维模糊推理的方式来计算bl的动态值，能够取得比静态的固定b值算法更好的控制效果。这是混合型模糊PID控制器的另一种形式。虽然b（t）形式上是动态的，但是由于控制器仍然具有非时变本质，所以还是应该理解为是一种定常的非线性系统，即b-f（e，Dc），由此产生非线性比例增益。此外，应用模糊前向补偿器与PID控制器结合的方式也可以被认为是一种混合型模糊PID控制器。

基于上述理论，本文提出了新型模糊PID温度控制器，次控制器主体上是属于增益调整型模糊PID温度控制器，如图1所示。

4 沼气发电机冷却系统温度PID控制设计

ARM即Advanced RISC Machines的缩写，既是一个公司的名字，也统指一类微处理器，ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和众多合作伙伴。

4.1 总体设计

本文采用Atmel公司的32位ARM9嵌入式微处理器作为主控制芯片，系统通过温度传感器把采集到的实时温度信号经过温度检测电路传给ARM，经控制算法处理得到控制信号，最后再经过A/D转换得到输出信号输出给控制执行机构，达到自动控温的效果。系统硬件设计框图如图2所示。

4.2 检测电路和A/D转换设计

如图3所示，本系统中的温度检测电路采用MAX6675的SO、SCK、CS端口分别与AT91RM9200的MISO、SPCK和NPCS0端口相连。当AT9lRM9200的NPCS0为低电平且SPCK口产生时钟脉冲时，MAX6675的SO脚输出转换数据。

本系统A/D转换电路包括一个16位的D/A转换器和用于增益调节的运算放大器，主要任务为执行输出控制信号，控制阀门、变频器或可控硅等执行机构。D/A转换器采用DAC712，DAC712是一个高效16位并行双缓冲D/A转换器，±10V的电压输出，并带有+10V的参考电压精确温度补偿和两极缓冲的16位数据锁存器。

4.3 存储电路和接口设计

在本设计中采用NOR Flash存储启动代码、Linux内核和用户程序，采用NAND Flash存储程序运行过程中所需要处理的大量数据。这样，二者的优势都可以得到发挥。在芯片选择上，NOR Flash使用的是ATMEL的AT49BV322A，而NAND Flash则采用了三星的K9F1208。电路如图4、图5所示。