2 PID 控制算法

　　系統(tǒng)軟啟動(dòng)的控制功能通過(guò)比例積分微分控制器實(shí)現(xiàn)。通過(guò)比較給定信號(hào)與反饋信號(hào)的偏差， 并進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算進(jìn)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(jiǎn)單、靈活性強(qiáng)、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(shí)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(guò)線性組合構(gòu)成控制量U, 對(duì)對(duì)象進(jìn)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(duì)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(dòng)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(shí)加快系統(tǒng)的穩(wěn)定速度， 縮短調(diào)整時(shí)間， 從而改善系統(tǒng)的動(dòng)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(dá)為：

　　式中： Ti為積分時(shí)間常數(shù)； Td為微分時(shí)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(dòng)時(shí)間較短， 啟動(dòng)電壓、電流較大， 負(fù)載所承受的沖擊也較大， 致使啟動(dòng)階段負(fù)載的動(dòng)負(fù)荷峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷， 容易造成負(fù)載的損壞。為解決此問(wèn)題， 設(shè)計(jì)了一種新型的PID 控制軟啟動(dòng)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)的試驗(yàn)。當(dāng)電源啟動(dòng)時(shí)， 首先由單片機(jī)系統(tǒng)給定設(shè)定電壓、電流或功率。PID軟啟動(dòng)是按負(fù)載線性上升的規(guī)律控制輸出。在負(fù)載電壓線性增加的過(guò)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(qiáng)也由零逐漸增大， 完成啟動(dòng)過(guò)程。

　　PID 控制系統(tǒng)軟啟動(dòng)效果圖如圖3 所示。通過(guò)串行通信端口com1 通信， 電壓?jiǎn)挝籱V、電流單位mA, 功率單位mW, 時(shí)間單位s.

　　從圖3 的軟啟動(dòng)效果圖可以看出， 在恒定電壓、電流、功率的模式下工作時(shí)， 系統(tǒng)開(kāi)機(jī)過(guò)程超調(diào)量很小， 有效地控制了啟動(dòng)過(guò)程， 防止了啟動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生過(guò)大的擾動(dòng)電壓， 產(chǎn)生過(guò)大的功率， 有效地保護(hù)了負(fù)載。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　由于輸出電流達(dá)到8 A, 對(duì)電源的功率要求較高， 易產(chǎn)生噪聲， 這種隨機(jī)噪聲也會(huì)對(duì)輸出電流產(chǎn)生一定的影響。為減弱這種噪聲， 各個(gè)模塊分別供電， 以減少交叉干擾， 同時(shí)在電路板上多加裝去耦濾波電容， 減小干擾的影響， 同時(shí)OPA549 能有效地抑制紋波。影響電源穩(wěn)定性的因素很多， 如負(fù)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(fù)載的情況下， 電源誤差不同。10 W 的負(fù)載， 由于功率較低， 在電壓、電流增加時(shí)， 誤差變化也較小。35 W 的負(fù)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(fù)載時(shí)， 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(jìn)行控制， 采用大功率運(yùn)放OPA549 輸出電流在0~8 A 范圍內(nèi)可調(diào)， 最大峰值可達(dá)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(diǎn)?？稍O(shè)置并能實(shí)時(shí)顯示輸出電壓、電流、功率實(shí)測(cè)值， 具有"+ " , "- " 步進(jìn)調(diào)整功能， 輸出可在LCD12864 顯示， 同時(shí)通過(guò)RS232 與上位機(jī)同步通信， 直接顯示， 保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，系統(tǒng)在軟啟動(dòng)的過(guò)程中， 超調(diào)量很小， 啟動(dòng)效果很好， 避免了對(duì)負(fù)載的沖擊。由于大功率調(diào)整管的電流大范圍變化時(shí)， 經(jīng)過(guò)軟件補(bǔ)償、放大電路調(diào)整等方法解決線性度較差，實(shí)測(cè)值和設(shè)定值存在偏差的問(wèn)題。該電源適用于大功率的場(chǎng)合，本電源具有很好的實(shí)用性。