2 PID 控制算法

　　系統(tǒng)軟啟動的控制功能通過比例積分微分控制器實現(xiàn)。通過比較給定信號與反饋信號的偏差， 并進行比例、積分、微分等運算進行控制， 是技術(shù)較成熟、應(yīng)用、廣泛的一種控制方式。其結(jié)構(gòu)簡單、靈活性強、系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整方便， 不需要求出模型。

　　PID 控制原理如圖2 所示。PID 控制是一種線性調(diào)節(jié)器， 它把設(shè)定值W 與實際輸出值相減， 得到控制偏差e .偏差值e 經(jīng)比例、積分、微分后通過線性組合構(gòu)成控制量U, 對對象進行控制。其中比例調(diào)節(jié)器起到基礎(chǔ)調(diào)節(jié)作用， 主要對控制系統(tǒng)的靈敏度和控制速度有影響。積分調(diào)節(jié)器可以自動調(diào)節(jié)控制量， 消除穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。微分調(diào)節(jié)器可以減小超調(diào)， 克服振蕩， 同時加快系統(tǒng)的穩(wěn)定速度， 縮短調(diào)整時間， 從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

圖2 PID 控制原理圖

　PID 控制器的輸出與輸入之間的關(guān)系可表達為：

　　式中： Ti為積分時間常數(shù)； Td為微分時間常數(shù)； Kp為比例系數(shù)； Ki為積分常數(shù)， Ki=Kp/Ti ; Kd為微分常數(shù)，Kd=Kp/Td.

　　系統(tǒng)啟動時間較短， 啟動電壓、電流較大， 負載所承受的沖擊也較大， 致使啟動階段負載的動負荷峰值遠遠大于正常運行時的負荷， 容易造成負載的損壞。為解決此問題， 設(shè)計了一種新型的PID 控制軟啟動電源系統(tǒng)， 主要由電源、大電流恒流源、輸出大電流端采樣和控制系統(tǒng)組成， 并完成了實驗室內(nèi)的試驗。當電源啟動時， 首先由單片機系統(tǒng)給定設(shè)定電壓、電流或功率。PID軟啟動是按負載線性上升的規(guī)律控制輸出。在負載電壓線性增加的過程中， 如果電流超出了所限定的范圍， 則馬上投入電壓閉環(huán)， 使電流值限定在所設(shè)定的范圍內(nèi)后， 再線性逐漸增加電壓至額定值， 系統(tǒng)的光強也由零逐漸增大， 完成啟動過程。

　　PID 控制系統(tǒng)軟啟動效果圖如圖3 所示。通過串行通信端口com1 通信， 電壓單位mV、電流單位mA, 功率單位mW, 時間單位s.

　　從圖3 的軟啟動效果圖可以看出， 在恒定電壓、電流、功率的模式下工作時， 系統(tǒng)開機過程超調(diào)量很小， 有效地控制了啟動過程， 防止了啟動過程產(chǎn)生過大的擾動電壓， 產(chǎn)生過大的功率， 有效地保護了負載。

3 實驗結(jié)果

　　由于輸出電流達到8 A, 對電源的功率要求較高， 易產(chǎn)生噪聲， 這種隨機噪聲也會對輸出電流產(chǎn)生一定的影響。為減弱這種噪聲， 各個模塊分別供電， 以減少交叉干擾， 同時在電路板上多加裝去耦濾波電容， 減小干擾的影響， 同時OPA549 能有效地抑制紋波。影響電源穩(wěn)定性的因素很多， 如負載的變化、取樣電阻的變化、A/D、D/A 的影響等。如圖4 所示， 不同負載的情況下， 電源誤差不同。10 W 的負載， 由于功率較低， 在電壓、電流增加時， 誤差變化也較小。35 W 的負載， 由于功率較大， 工作電流的變化范圍比較大， 功耗較大， 電源的誤差變化相應(yīng)地也比較大。如圖5, 在10 W、20 W 和35 W 的負載時， 工作狀態(tài)穩(wěn)定， 能夠滿足大電流、大功率的需要。

　　該系統(tǒng)利用PID 算法進行控制， 采用大功率運放OPA549 輸出電流在0~8 A 范圍內(nèi)可調(diào)， 最大峰值可達到10 A, 能夠有效抑制紋波電流， 克服了傳統(tǒng)電流源輸出電流范圍小的缺點?？稍O(shè)置并能實時顯示輸出電壓、電流、功率實測值， 具有"+ " , "- " 步進調(diào)整功能， 輸出可在LCD12864 顯示， 同時通過RS232 與上位機同步通信， 直接顯示， 保存實驗數(shù)據(jù)。通過對測試結(jié)果的分析，系統(tǒng)在軟啟動的過程中， 超調(diào)量很小， 啟動效果很好， 避免了對負載的沖擊。由于大功率調(diào)整管的電流大范圍變化時， 經(jīng)過軟件補償、放大電路調(diào)整等方法解決線性度較差，實測值和設(shè)定值存在偏差的問題。該電源適用于大功率的場合，本電源具有很好的實用性。