改進PID算法在通信電源監控系統中的應用

宋桂蓉，侯秀梅，王小平

(張家口職業技術學院，河北張家口 075000)

改進PID算法在通信電源監控系統中的應用

宋桂蓉，侯秀梅，王小平

(張家口職業技術學院，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的儲能環節。采用改進的PID算法，提出了基于CAN總線進行數據傳輸以及嵌入式技術的通信電源監控系統終端設計方案，并編寫了相應的通信電源監控系統終端的控制程序。經測試證明，本程序可以有效地改善通信電源儲能環節的超調、響應時間和靜差等問題。關鍵詞：通信電源；PID算法；蓄電池；嵌入式系統

近些年來，隨著電力電子技術的發展，通信電源系統也在工作可靠性、穩定性、電磁兼容性、提高電能利用率及動態性等方面取得了長足的進步。通信電源系統由交、直流供電系統和相應的保護系統構成。由于通信電源系統設備多、集成程度高、分布地點相對分散，所以，針對于通信電源的監控系統一直是通信順暢運行的有力保障。

一個完善的通信電源監控系統必須具備智能監控、無人值守和電池自動管理等功能，從而滿足安全、可靠、高效、穩定、不間斷地向通信設備提供能源的基本要求。而新型的監控系統都是分布式計算機控制系統。它是一種集中并融合了嵌入式技術、傳感器技術、現代計算機技術、通信技術和網絡技術的最新成果而構成的計算機集成系統。它的基本功能是通過對監控范圍內的各種電力電子設備和相關通信電源系統、機房環境進行遙測、遙信，實時監測系統和設備的運行狀態，記錄和處理相關數據，及時偵測故障并適時通知維護人員處理，進行必要的遙控操作，改變或調整設備的運行狀態，從而實現通信局(站)的少人或無人值守，實現電源、空調及環境的監控維護管理，提高供電系統的可靠性和通信設備的安全性[1]。

1 PID算法及其改進方法綜述

PID算法是在計算機監控系統中最常用的一種算法，主要的方法是按運行數據與目標值的偏差按比例、積分、微分進行運行狀態的控制。利用PID算法，可以實現在系統穩定的前提下，提高系統的帶載能力以及抗干擾能力，有利于提高系統的穩定性、快速性和準確性。

PID算法包括三個環節：P(比例)控制環節、PD(比例微分)控制環節、I(積分)控制環節，具體的控制算法結構如圖1所示。

圖1 PID控制算法結構框圖

控制表達式為：

在通信電源儲能系統中，大多數采用的是蓄電池儲電方式。而在蓄電池充放電控制系統中，所監控的對象的執行機構是晶閘管，控制精度要求較高。而PID算法的基本方法是根據采樣時刻的輸出與輸入的偏差值計算控制量。因此在控制規律中，積分和微分項不能夠直接準確計算。只能用數值計算的方法逼近，這對控制非常不利，會引起執行機構的運行偏差，嚴重時有可能造成重大的生產事故。

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

模糊PID控制系統原理框圖如圖2所示[2]。

圖2 模型PID控制系統原理圖

與常規PID控制相比，模糊PID的數學模型表達式的比例、微分、積分等增益系數不再是常數，而是可以根據系統的實時控制狀態進行適時調整的動態系數。實現的過程是首先分析實際生產參數，找出PID的比例、微分、積分等三個參數與偏差和偏差變化率之間的模糊關系，再根據模糊控制原理對三個參數進行實時在線修改，以滿足在不同的和時對控制參數的不同要求，使被控對象具有良好的動態性能和靜態性能。

2 基于改良的PID算法的通信電源儲能環節監控系統的設計

通信系統的儲能環節一般都是蓄電池。因此，對儲能環節的監控，主要實現的就是對蓄電池充放電過程的監控。

蓄電池充放電控制系統是一個閉環控制系統，它的基本結構如圖3所示。從圖3可知，蓄電池的各項性能指標，如電流、電壓、溫度等參數通過傳感器傳送至單片機內，單片機將這些數據輸入至系統校正調整環節，生成修正值，并利用修正值生成PWM調制波形，生成調整信號，輸入至蓄電池中進行充放電過程的調整。

圖3 蓄電池充放電監控系統結構圖

數據實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的實時性，主要傳送的是來自于傳感器的數據，主要包括蓄電池的電流、電壓、溫度等信息，這些數據送至PID校正調整環節，得到的結果傳入蓄電池進行充放電控制。另一種方式是采用Internet，主要的作用是將蓄電池的數據上傳至中央監控中心。

3 改進后仿真實驗

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進行仿真。仿真結果如圖4和圖5所示。從仿真曲線對比可以看出，在對蓄電池進行恒流充放電時，改進后在0.1 s內達到50 A，比改進前縮短了一倍，而且調整過程中電流波動較小，這說明算法在減少超調、響應時間、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定工作和壽命延長。

圖4 改進前輸出電流仿真結果圖

圖5 改進后輸出電流仿真結果圖

4 總結

在通信電源蓄電池充放電系統中，增加帶有模糊PID控制器的監控環節，有利于改善PID算法控制的性能，為蓄電池的充放電系統提供良好的穩態和動態性能。本文在研究改良PID算法的基礎上，設計了基于該算法的通信電源儲能環節監控系統。仿真結果表明，該系統在減少超調、響應時間和靜差等方面，都取得了良好的效果。

[1]強生澤.現代通信電源系統原理與設計[M]．北京：中國電力出版社，2009：12-13.

[2]劉振海.改進的PID算法在通信電源監控系統中的應用[D]．阜新：遼寧工程技術大學，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，主要研究方向為機械工程及控制技術。