謝寧魯數(shù)字調(diào)壓器的積分分離PID控制算法

1、數(shù)字調(diào)壓器的積分分離PID 控制算法謝寧魯 黃小益物理系,湘南學(xué)院,湖南 郴州 423000摘 要:本文研究了DSP 數(shù)字調(diào)壓器中的積分分離PID 算法,實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的快速穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié),并在電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的Matlab 建模上實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)。關(guān)鍵詞:數(shù)字調(diào)壓器、積分分離、電壓調(diào)節(jié)、PID 控制1 引 言基于DSP 芯片控制的數(shù)字調(diào)壓器是現(xiàn)代發(fā)電機(jī)的核心控制部件,其軟件核心是控制算法。鑒于DSP 芯片的強(qiáng)大運(yùn)算能力,數(shù)字調(diào)壓器的調(diào)節(jié)和保護(hù)功能都可以很容易通過軟件實(shí)現(xiàn)。但是不同控制算法對(duì)數(shù)字調(diào)壓器控制的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、靈活性和工作效率有很大的區(qū)別。對(duì)于定常系統(tǒng)的控制問題,通常采用經(jīng)典控制理

2、論解決。在數(shù)字調(diào)壓器的運(yùn)用中,最常用的就是數(shù)字PID 控制算法,通過將偏差的比例(P、積分(I 和微分(D 通過線性組合構(gòu)成控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。但其不能較好地解決系統(tǒng)的響應(yīng)速度和超調(diào)量之間的矛盾,故通過對(duì)積分環(huán)節(jié)的控制來進(jìn)行協(xié)調(diào),即積分分離PID 控制。2 數(shù)字調(diào)壓器中積分分離PID 控制的可行性分析2.1 數(shù)字調(diào)壓器積分分離PID 控制的實(shí)現(xiàn)方法:在普通PID 控制中引入積分環(huán)節(jié)的目的,只要是為了消除靜差,提高控制精度。但在過程啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時(shí),段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差,會(huì)造成PID 運(yùn)算的積分累計(jì),致使控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量,引起系統(tǒng)

3、的較大的超調(diào),甚至引起系統(tǒng)較大的震蕩。所以在數(shù)字調(diào)壓器的控制中采用積分-分離PID 控制算法。積分-分離控制的基本思想是:當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí),取消積分作用,以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低,超調(diào)量增大;當(dāng)被控量接近給定值時(shí),引入積分控制,以便消除靜差,提高控制精度。其實(shí)現(xiàn)步驟:(1 由于在技術(shù)指標(biāo)中,調(diào)壓系統(tǒng)的輸出電壓平均值:2705V ,所以設(shè)定閥值5=;(2 當(dāng)(k e 時(shí),采用PD 控制,可以避免產(chǎn)生過大的超調(diào),又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。 (3 當(dāng)(k e 時(shí),采用PID 控制,以保證系統(tǒng)的控制精度。積分-分離控制算法可以表示為:=-+=kj d i p Tk e k e k T j

4、 e k k e k k u 0/1(式中,T 為采用時(shí)間,項(xiàng)為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù):=(0(1k e k e通過對(duì)上面積分分離的可行性的分析和研究,可以建立積分-分離控制模型,如下圖: 圖1 積分分離控制模型3 積分分離PID 算法的仿真實(shí)現(xiàn)對(duì)于上面的控制算法程序圖,通過采樣偏差電壓,并與設(shè)定閥值進(jìn)行比較,以選擇采用PID 控制或PD 控制。并設(shè)計(jì)了如下的積分控制結(jié)構(gòu)框圖, U ref圖2 積分分離PID 控制結(jié)構(gòu)框圖在上面的結(jié)構(gòu)圖中,閥值5=,7.324p =,0.366I =,D=0。電壓偏差u 與閥值進(jìn)行比較,當(dāng)u 時(shí)采用PID 控制。而當(dāng)u 時(shí)采用PD 控制,這樣相對(duì)單獨(dú)的積分-分離控制

5、要好的多。在測試過程中發(fā)現(xiàn),取值對(duì)測試結(jié)果影響很大,若過大,則達(dá)不到積分分離的目的;若過小,則會(huì)導(dǎo)致無法進(jìn)入積分區(qū),會(huì)出現(xiàn)余差。在發(fā)電機(jī)調(diào)壓模型中,根據(jù)圖2的積分分離PID 控制結(jié)構(gòu)框圖所搭建的MATLAB 仿真構(gòu)建圖(圖3。 圖3 積分-分離控制算法在MATLAB仿真構(gòu)建圖4積分分離算法的控制效果和分析發(fā)電機(jī)輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓為270V,經(jīng)過積分分離PID控制仿真,其輸出電壓波形如圖4、圖5: 圖4 積分分離控制在0-0.2s內(nèi)的輸出電壓波形 圖5 積分分離控制0.1s到0.14s輸出電壓波形通過對(duì)圖5.3仿真波形的研究,發(fā)電機(jī)輸出電壓的峰值為300V,滿足技術(shù)指標(biāo)。同時(shí)在0.025s之后,系統(tǒng)進(jìn)

6、入穩(wěn)定狀態(tài),輸出電壓一直保持在270V左右。其波動(dòng)范圍在-6V,+8V之間,如圖5.4所示。在整個(gè)調(diào)壓過程中,輸出電壓的超調(diào)量,峰值時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差都符合技術(shù)要求,積分分離PID控制能夠很好地完成了對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)節(jié)。5 小結(jié)實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)表明,基于積分分離PID控制算法,解決了在普通PID中引入積分環(huán)節(jié),會(huì)造成控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量的缺陷。使得系統(tǒng)在保證較小的超調(diào)的前提下,消除了靜差,提高了控制精度。參考文獻(xiàn)1先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真,電子工業(yè)出版社, 20032 陳志輝,無刷發(fā)電機(jī)數(shù)字調(diào)壓技術(shù)的研究博士學(xué)位論文 ,南京航空航天大學(xué),2000.53

7、 Masayoshi Asama.etc.”C omparative studies of digital AVR for use on engine generatorbetween H control and direct design PID control”, IEEE,20024信息科學(xué)中的軟計(jì)算方法,哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1990The Integral separation PID algorithm on Digital Voltage RegulatorXie Ning-lu ,HuangXiao-yi(Department of Physics,XiangNan Unive

8、rsity, ChenZhou 423000,ChinaAbstracts:The article researches the Integral separation PID algorithm which based on the DSP Digital Voltage Regulator, to achieve rapid steady-state regulation of generators. Adjust the output voltage steadily on the Matlab simulate.Key words:Digital voltage regulators; integral separa