數(shù)字ＰＩＤ在脫硫電源中的應(yīng)用

摘 要：在基于流光放電的煙氣脫硫技術(shù)中，電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一直是個(gè)難點(diǎn)，本文提出一種基于DSP芯片的數(shù)字PID技術(shù)在脫硫直流電源中的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案?？刂葡到y(tǒng)采用DSP芯片提高了系統(tǒng)的控制精度和處理速度，采用改進(jìn)的數(shù)字PID的控制算法改善了系統(tǒng)對(duì)干擾的響應(yīng)速度，增強(qiáng)了對(duì)干擾的實(shí)時(shí)處理能力。最后給出仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)論。關(guān)鍵詞：煙氣脫硫；開關(guān)電源；數(shù)字PID；DSP

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在能源消費(fèi)中帶來的環(huán)境污染也越來越嚴(yán)重。其中大氣煙塵、酸雨、溫室效應(yīng)和臭氧層的破壞已成為危害人類生存的四大殺手。燃煤煙氣所含的煙塵、二氧化硫、氮氧化物等有害物質(zhì)是造成大氣污染、酸雨和溫室效應(yīng)的主要根源。我國煤炭?jī)?chǔ)量豐富，每年的產(chǎn)量超過10億噸。燃煤取得的能量達(dá)到能源總量的75％以，上，而且這種能源結(jié)構(gòu)在最近幾年不會(huì)改變。與此同時(shí)燃煤煙氣中排放的二氧化硫和氮氧化物占全國總排放量的90％。因此在我國對(duì)燃煤煙氣進(jìn)行脫硫脫硝是刻不容緩的任務(wù)。

近年來，利用交直流疊加電源實(shí)現(xiàn)流光放電煙氣脫硫技術(shù)的研究取得了很大的發(fā)展，能耗低，最終生成物可以再利用是這種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)。脫硫電源的設(shè)計(jì)一直是一個(gè)難題，交直流疊加電源所帶負(fù)載為流光放電反應(yīng)器，工作時(shí)希望直流電源可以穩(wěn)定在正常流光放電的電壓點(diǎn)上同時(shí)疊加交流增強(qiáng)流光放電。但由于煙氣工況經(jīng)常發(fā)生波動(dòng)，所以工作點(diǎn)要能夠根據(jù)負(fù)載的變化實(shí)時(shí)改變。傳統(tǒng)控制裝置控制不夠精確且實(shí)時(shí)性不好容易造成頻繁打火或不能工作在最好的流光放電工作點(diǎn)，造成反應(yīng)器損壞及效率降低。這里的數(shù)字PID技術(shù)利用計(jì)算機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)PID算法，使直流電壓穩(wěn)定在流光放電工作點(diǎn)，具有更大的靈活性、可靠性、實(shí)時(shí)性和更好的控制效果。

系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理圖如圖1所示。主電路采用高頻電能變換技術(shù)，將380V三相工頻交流電經(jīng)過三相全控整流電路，通過LC濾波電路變?yōu)榭烧{(diào)直流，然后通過高頻橋式逆變變?yōu)楦哳l交流再通過高頻變壓器產(chǎn)生高頻高壓交流；高壓直流電源由高頻交流經(jīng)過高壓硅堆整流得到。交流電源電路采用串聯(lián)諧振的工作方式，如果直接利用變壓器直接升壓達(dá)到流光放電所需要的電壓，這樣變壓器的匝比將會(huì)很高。對(duì)交流電源來講至少是諧振升壓時(shí)的10倍以上，當(dāng)副邊反應(yīng)器放電出現(xiàn)短路時(shí)，原邊電路的電流將會(huì)很大，很容易對(duì)開關(guān)管造成破壞，電路的可靠性將會(huì)大大降低。串聯(lián)諧振電感同時(shí)還可以在負(fù)載短路時(shí)，起到限制原邊短路電流大小的功能，可以大大提高電路工作的可靠性。交流電源和直流電源分別經(jīng)過隔直耦合電容和隔交濾波電感進(jìn)行疊加組成交直流疊加電源，主電路框圖如圖2所示。

電源采樣電路將反應(yīng)器的電壓、電流信號(hào)采集濾波以后輸入到DSP控制系統(tǒng)，由DSP控制系統(tǒng)對(duì)輸入的信號(hào)量與給定參考值進(jìn)行比較，如果偏差絕對(duì)值較大則比例環(huán)節(jié)增益取較大值，反之取較小值，這樣有利于加快響應(yīng)速度，同時(shí)保證有很好的穩(wěn)定性；如果偏差絕對(duì)值較小則積分和微分環(huán)節(jié)增益取較大值，反之取較大值，這樣有利于保證穩(wěn)態(tài)無靜差，加快對(duì)小偏差的反應(yīng)速度提高控制器對(duì)干擾的靈敏度，又可以避免積分飽和引起的調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。DSP控制系統(tǒng)經(jīng)產(chǎn)生的信號(hào)輸入到PWM驅(qū)動(dòng)器，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖控制交直流疊加電源的輸出電壓，這樣就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)電源系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。處理器采用n公司的TMS320LF2402芯片，TI公司的C24X系列為16位定點(diǎn)處理器，運(yùn)算速度為20～40MIPS，采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，3．3V電壓供電，內(nèi)核電壓為1．8V，片內(nèi)程序空間集成Flash，可以將系統(tǒng)控制程序直接燒入DSP芯片內(nèi)部而不用外擴(kuò)Flash存儲(chǔ)芯片，減少系統(tǒng)的功耗和體積。內(nèi)置2x8通道10位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(ADC)，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為500ns。其片內(nèi)還集成了脈寬調(diào)制(PWM)通道，不需要外擴(kuò)A／D和D／A轉(zhuǎn)換芯片。而且高達(dá)30MIPS的執(zhí)行速度提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。用TMS320LF2402芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。反應(yīng)器的電流和電壓信號(hào)經(jīng)傳感器采樣濾波后輸入到DSP芯片中，芯片對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行PID算法后由芯片PWM口輸出控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)濾波以后可以直接驅(qū)動(dòng)SG3525電路，然后由SG3525輸出PWM波來驅(qū)動(dòng)主電路上的IPM模塊。

鍵盤占用IOPA口，為了消除按鍵抖動(dòng)干擾，軟件采用20ms延時(shí)程序。顯示電路占用IOPB口，顯示實(shí)時(shí)電壓和電流值。

P1D數(shù)學(xué)模型及程序流程

采用DSP數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行采樣時(shí)，只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，所以經(jīng)離散化處理以后，以一系列采樣時(shí)刻點(diǎn)燈代表連續(xù)時(shí)間t，以和代替積分，增量代替微分。當(dāng)采用周期取得足夠小時(shí)，這種逼進(jìn)相當(dāng)準(zhǔn)

響應(yīng)如圖5所示。

通過DSP控制系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)器的控制，電源的負(fù)載調(diào)節(jié)能力得到了提高，實(shí)驗(yàn)證明基于DSP芯片的數(shù)字PID控制具有以下特點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)參數(shù)整定更加簡(jiǎn)單方便，硬件電路得到很大的簡(jiǎn)化。

(2)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能好，采用不完全微分的PID控制算法可以使穩(wěn)態(tài)誤差大大減小，控制更加精確。

(3)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，對(duì)煙氣擾動(dòng)反應(yīng)迅速并且能在較短時(shí)間內(nèi)重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，主電路為高頻高壓電路，對(duì)外界干擾較大，DSP控制系統(tǒng)和主電路隔離，避免了電磁干擾。

結(jié)語

數(shù)字PID控制在脫硫電源上的應(yīng)用改善了原來控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)，提高了控制系統(tǒng)的精度，既加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度又增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。實(shí)驗(yàn)證明此控制方法達(dá)到了快速、精確控制的目的。