谢宁鲁数字调压器的积分分离PID控制算法

1、数字调压器的积分分离PID 控制算法谢宁鲁 黄小益物理系,湘南学院,湖南 郴州 423000摘 要:本文研究了DSP 数字调压器中的积分分离PID 算法,实现发电机的快速稳态调节,并在电励磁双凸极发电机的Matlab 建模上实现了输出电压的稳态调节。关键词:数字调压器、积分分离、电压调节、PID 控制1 引 言基于DSP 芯片控制的数字调压器是现代发电机的核心控制部件,其软件核心是控制算法。鉴于DSP 芯片的强大运算能力,数字调压器的调节和保护功能都可以很容易通过软件实现。但是不同控制算法对数字调压器控制的准确性、实时性、灵活性和工作效率有很大的区别。对于定常系统的控制问题,通常采用经典控制理

2、论解决。在数字调压器的运用中,最常用的就是数字PID 控制算法,通过将偏差的比例(P、积分(I 和微分(D 通过线性组合构成控制量对被控对象进行控制。但其不能较好地解决系统的响应速度和超调量之间的矛盾,故通过对积分环节的控制来进行协调,即积分分离PID 控制。2 数字调压器中积分分离PID 控制的可行性分析2.1 数字调压器积分分离PID 控制的实现方法:在普通PID 控制中引入积分环节的目的,只要是为了消除静差,提高控制精度。但在过程启动、结束或大幅度增减设定时,段时间内系统输出有很大的偏差,会造成PID 运算的积分累计,致使控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量,引起系统

3、的较大的超调,甚至引起系统较大的震荡。所以在数字调压器的控制中采用积分-分离PID 控制算法。积分-分离控制的基本思想是:当被控量与设定值偏差较大时,取消积分作用,以免由于积分作用使系统稳定性降低,超调量增大;当被控量接近给定值时,引入积分控制,以便消除静差,提高控制精度。其实现步骤:(1 由于在技术指标中,调压系统的输出电压平均值:2705V ,所以设定阀值5=;(2 当(k e 时,采用PD 控制,可以避免产生过大的超调,又使系统有较快的响应。 (3 当(k e 时,采用PID 控制,以保证系统的控制精度。积分-分离控制算法可以表示为:=-+=kj d i p Tk e k e k T j

4、 e k k e k k u 0/1(式中,T 为采用时间,项为积分项的开关系数:=(0(1k e k e通过对上面积分分离的可行性的分析和研究,可以建立积分-分离控制模型,如下图: 图1 积分分离控制模型3 积分分离PID 算法的仿真实现对于上面的控制算法程序图,通过采样偏差电压,并与设定阀值进行比较,以选择采用PID 控制或PD 控制。并设计了如下的积分控制结构框图, U ref图2 积分分离PID 控制结构框图在上面的结构图中,阀值5=,7.324p =,0.366I =,D=0。电压偏差u 与阀值进行比较,当u 时采用PID 控制。而当u 时采用PD 控制,这样相对单独的积分-分离控制

5、要好的多。在测试过程中发现,取值对测试结果影响很大,若过大,则达不到积分分离的目的;若过小,则会导致无法进入积分区,会出现余差。在发电机调压模型中,根据图2的积分分离PID 控制结构框图所搭建的MATLAB 仿真构建图(图3。 图3 积分-分离控制算法在MATLAB仿真构建图4积分分离算法的控制效果和分析发电机输出标准电压为270V,经过积分分离PID控制仿真,其输出电压波形如图4、图5: 图4 积分分离控制在0-0.2s内的输出电压波形 图5 积分分离控制0.1s到0.14s输出电压波形通过对图5.3仿真波形的研究,发电机输出电压的峰值为300V,满足技术指标。同时在0.025s之后,系统进

6、入稳定状态,输出电压一直保持在270V左右。其波动范围在-6V,+8V之间,如图5.4所示。在整个调压过程中,输出电压的超调量,峰值时间和稳态误差都符合技术要求,积分分离PID控制能够很好地完成了对发电机输出电压的调节。5 小结实验仿真数据表明,基于积分分离PID控制算法,解决了在普通PID中引入积分环节,会造成控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量的缺陷。使得系统在保证较小的超调的前提下,消除了静差,提高了控制精度。参考文献1先进PID控制及其MATLAB仿真,电子工业出版社, 20032 陈志辉,无刷发电机数字调压技术的研究博士学位论文 ,南京航空航天大学,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信息科学中的软计算方法,哈尔滨工业大学出版社,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