宋桂蓉，侯秀梅，王小平

(張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北張家口 075000)

改進(jìn)PID算法在通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

宋桂蓉，侯秀梅，王小平

(張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北張家口 075000)

為防止突然斷電給通信帶來的影響，在通信電源中一般都會利用蓄電池形成相應(yīng)的儲能環(huán)節(jié)。采用改進(jìn)的PID算法，提出了基于CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及嵌入式技術(shù)的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)終端設(shè)計方案，并編寫了相應(yīng)的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)終端的控制程序。經(jīng)測試證明，本程序可以有效地改善通信電源儲能環(huán)節(jié)的超調(diào)、響應(yīng)時間和靜差等問題。關(guān)鍵詞：通信電源；PID算法；蓄電池；嵌入式系統(tǒng)

近些年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，通信電源系統(tǒng)也在工作可靠性、穩(wěn)定性、電磁兼容性、提高電能利用率及動態(tài)性等方面取得了長足的進(jìn)步。通信電源系統(tǒng)由交、直流供電系統(tǒng)和相應(yīng)的保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成。由于通信電源系統(tǒng)設(shè)備多、集成程度高、分布地點(diǎn)相對分散，所以，針對于通信電源的監(jiān)控系統(tǒng)一直是通信順暢運(yùn)行的有力保障。

一個完善的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)必須具備智能監(jiān)控、無人值守和電池自動管理等功能，從而滿足安全、可靠、高效、穩(wěn)定、不間斷地向通信設(shè)備提供能源的基本要求。而新型的監(jiān)控系統(tǒng)都是分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)。它是一種集中并融合了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最新成果而構(gòu)成的計算機(jī)集成系統(tǒng)。它的基本功能是通過對監(jiān)控范圍內(nèi)的各種電力電子設(shè)備和相關(guān)通信電源系統(tǒng)、機(jī)房環(huán)境進(jìn)行遙測、遙信，實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，記錄和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，及時偵測故障并適時通知維護(hù)人員處理，進(jìn)行必要的遙控操作，改變或調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)通信局(站)的少人或無人值守，實(shí)現(xiàn)電源、空調(diào)及環(huán)境的監(jiān)控維護(hù)管理，提高供電系統(tǒng)的可靠性和通信設(shè)備的安全性[1]。

1 PID算法及其改進(jìn)方法綜述

PID算法是在計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中最常用的一種算法，主要的方法是按運(yùn)行數(shù)據(jù)與目標(biāo)值的偏差按比例、積分、微分進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的控制。利用PID算法，可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，提高系統(tǒng)的帶載能力以及抗干擾能力，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。

PID算法包括三個環(huán)節(jié)：P(比例)控制環(huán)節(jié)、PD(比例微分)控制環(huán)節(jié)、I(積分)控制環(huán)節(jié)，具體的控制算法結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PID控制算法結(jié)構(gòu)框圖

控制表達(dá)式為：

在通信電源儲能系統(tǒng)中，大多數(shù)采用的是蓄電池儲電方式。而在蓄電池充放電控制系統(tǒng)中，所監(jiān)控的對象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是晶閘管，控制精度要求較高。而PID算法的基本方法是根據(jù)采樣時刻的輸出與輸入的偏差值計算控制量。因此在控制規(guī)律中，積分和微分項不能夠直接準(zhǔn)確計算。只能用數(shù)值計算的方法逼近，這對控制非常不利，會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行偏差，嚴(yán)重時有可能造成重大的生產(chǎn)事故。

要解決以上問題，本研究所使用的改進(jìn)PID算法是將模糊控制的控制策略，引入到PID算法當(dāng)中，以改善PID算法在控制過程中穩(wěn)定性不強(qiáng)的缺點(diǎn)。

模糊PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示[2]。

圖2 模型PID控制系統(tǒng)原理圖

與常規(guī)PID控制相比，模糊PID的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式的比例、微分、積分等增益系數(shù)不再是常數(shù)，而是可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時控制狀態(tài)進(jìn)行適時調(diào)整的動態(tài)系數(shù)。實(shí)現(xiàn)的過程是首先分析實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)，找出PID的比例、微分、積分等三個參數(shù)與偏差和偏差變化率之間的模糊關(guān)系，再根據(jù)模糊控制原理對三個參數(shù)進(jìn)行實(shí)時在線修改，以滿足在不同的和時對控制參數(shù)的不同要求，使被控對象具有良好的動態(tài)性能和靜態(tài)性能。

2 基于改良的PID算法的通信電源儲能環(huán)節(jié)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

通信系統(tǒng)的儲能環(huán)節(jié)一般都是蓄電池。因此，對儲能環(huán)節(jié)的監(jiān)控，主要實(shí)現(xiàn)的就是對蓄電池充放電過程的監(jiān)控。

蓄電池充放電控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖3可知，蓄電池的各項性能指標(biāo)，如電流、電壓、溫度等參數(shù)通過傳感器傳送至單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)將這些數(shù)據(jù)輸入至系統(tǒng)校正調(diào)整環(huán)節(jié)，生成修正值，并利用修正值生成PWM調(diào)制波形，生成調(diào)整信號，輸入至蓄電池中進(jìn)行充放電過程的調(diào)整。

圖3 蓄電池充放電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸采用兩種方式來完成：一種是CAN總線，另一種是采用Internet。采用CAN總線傳輸是為了保證傳輸?shù)膶?shí)時性，主要傳送的是來自于傳感器的數(shù)據(jù)，主要包括蓄電池的電流、電壓、溫度等信息，這些數(shù)據(jù)送至PID校正調(diào)整環(huán)節(jié)，得到的結(jié)果傳入蓄電池進(jìn)行充放電控制。另一種方式是采用Internet，主要的作用是將蓄電池的數(shù)據(jù)上傳至中央監(jiān)控中心。

3 改進(jìn)后仿真實(shí)驗

將改良后的模糊PID算法，利用Simulink對通信電源中的蓄電池充放電控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。從仿真曲線對比可以看出，在對蓄電池進(jìn)行恒流充放電時，改進(jìn)后在0.1 s內(nèi)達(dá)到50 A，比改進(jìn)前縮短了一倍，而且調(diào)整過程中電流波動較小，這說明算法在減少超調(diào)、響應(yīng)時間、靜差等方面，具有良好的效果。因此，改良的算法有利于蓄電池的穩(wěn)定工作和壽命延長。

圖4 改進(jìn)前輸出電流仿真結(jié)果圖

圖5 改進(jìn)后輸出電流仿真結(jié)果圖

4 總結(jié)

在通信電源蓄電池充放電系統(tǒng)中，增加帶有模糊PID控制器的監(jiān)控環(huán)節(jié)，有利于改善PID算法控制的性能，為蓄電池的充放電系統(tǒng)提供良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。本文在研究改良PID算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于該算法的通信電源儲能環(huán)節(jié)監(jiān)控系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)在減少超調(diào)、響應(yīng)時間和靜差等方面，都取得了良好的效果。

[1]強(qiáng)生澤.現(xiàn)代通信電源系統(tǒng)原理與設(shè)計[M]．北京：中國電力出版社，2009：12-13.

[2]劉振海.改進(jìn)的PID算法在通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]．阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2010：6-7.

Application of improved PID algorithm in monitorimg system of communication power

SONG Gui-rong,HOU Xiu-mei,WANG Xiao-ping

In order to prevent the effects of sudden power failure on communication,energy storage battery in communication power supply was used.The improved PID algorithm was adopted.The communication power supply monitoring system terminal based on CAN bus for data transfer and embedded technology was proposed.The control program of corresponding communication power supply monitoring system terminal was composed.Test proves that the problems of overshoot,response time and static of communication power supply energy can be effectively improved.

communication power supply;PID algorithm;storage battery;embedded system

TM 63

A

1002-087 X(2014)02-0367-02

2013-09-13

宋桂蓉(1968—)，女，河北省人，碩士，副教授，主要研究方向為機(jī)械工程及控制技術(shù)。