2 PID 控制算法

　　系統軟啟動的控制功能通過比例積分微分控制器實現。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， 是技術較成熟、應用、廣泛的一種控制方式。其結構簡單、靈活性強、系統參數調整方便， 不需要求出模型。

　　PID 控制原理如圖2 所示。PID 控制是一種線性調節器， 它把設定值W 與實際輸出值相減， 得到控制偏差e .偏差值e 經比例、積分、微分后通過線性組合構成控制量U, 對對象進行控制。其中比例調節器起到基礎調節作用， 主要對控制系統的靈敏度和控制速度有影響。積分調節器可以自動調節控制量， 消除穩態誤差，使系統趨于穩定。微分調節器可以減小超調， 克服振蕩， 同時加快系統的穩定速度， 縮短調整時間， 從而改善系統的動態性能。

圖2 PID 控制原理圖

　PID 控制器的輸出與輸入之間的關系可表達為：

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

　　系統啟動時間較短， 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， 設計了一種新型的PID 控制軟啟動電源系統， 主要由電源、大電流恒流源、輸出大電流端采樣和控制系統組成， 并完成了實驗室內的試驗。當電源啟動時， 首先由單片機系統給定設定電壓、電流或功率。PID軟啟動是按負載線性上升的規律控制輸出。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， 使電流值限定在所設定的范圍內后， 再線性逐漸增加電壓至額定值， 系統的光強也由零逐漸增大， 完成啟動過程。

　　PID 控制系統軟啟動效果圖如圖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， 系統開機過程超調量很小， 有效地控制了啟動過程， 防止了啟動過程產生過大的擾動電壓， 產生過大的功率， 有效地保護了負載。

3 實驗結果

　　由于輸出電流達到8 A, 對電源的功率要求較高， 易產生噪聲， 這種隨機噪聲也會對輸出電流產生一定的影響。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地也比較大。如圖5, 在10 W、20 W 和35 W 的負載時， 工作狀態穩定， 能夠滿足大電流、大功率的需要。

　　該系統利用PID 算法進行控制， 采用大功率運放OPA549 輸出電流在0~8 A 范圍內可調， 最大峰值可達到10 A, 能夠有效抑制紋波電流， 克服了傳統電流源輸出電流范圍小的缺點?？稍O置并能實時顯示輸出電壓、電流、功率實測值， 具有"+ " , "- " 步進調整功能， 輸出可在LCD12864 顯示， 同時通過RS232 與上位機同步通信， 直接顯示， 保存實驗數據。通過對測試結果的分析，系統在軟啟動的過程中， 超調量很小， 啟動效果很好， 避免了對負載的沖擊。由于大功率調整管的電流大范圍變化時， 經過軟件補償、放大電路調整等方法解決線性度較差，實測值和設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。