基于改進PID算法的通信電源監控系統設計

王洪濤，周紅蓮，曹 茜，廖孟柯，王 斌，胡志云

（國網新疆電力有限公司經濟技術研究院 新疆 烏魯木齊 830011）

1 引言

通信電源監控系統是通信系統的重要元素之一，通信電源監控的有效性，是整個通信系統有效運行的基本保證，通信電源監控系統在通信中發揮著巨大的作用，一旦其工作不正常，通信系統就有可能會發生故障，帶來不良影響以及經濟損失。因此，保證通信電源監控系統維穩運行成為人們所關注的焦點。由于傳統的通信電源監控系統中，電源監控模塊的啟動電流與輸出電壓的不穩定以及監控數據的精準度的不足，導致通信電源監控系統性能不佳，為此，基于改進PID算法下，對其進行優化設計。

2 通信電源監控系統硬件設計

2.1 數據采集控制器及其控制電路設計

實現通信電源監控前，首先要進行數據采集及控制，主要是針對控制電路中的各器件的電壓及其溫度，也包括周邊溫度、環境濕度以及基準信號的數據進行收集和測量，對其進行實時監控，保證各數值在合理范圍內。在硬件設計上為保證數據收集的精準，在電路中安裝數據采集控制器。

圖1 數據采集控制電路圖

2.2 CAN通信接口電路設計

數據采集完成之后，需要通過通信接口電路來實現監控。在實現過程中一旦出現網絡負載很重的情況，就很容易受到干擾，進而造成監控系統癱瘓。選擇采用CAN總線來代替傳統的通信總線進行通信，在CPU外部擴展CAN控制器SJA1203和CNA總線收發器PCA82A50實現本監控系統的通信硬件電路。圖2為CAN通信接口電路設計。

圖2 CAN通信接口電路設計

如圖2所示，光藕的負載電阻，及其延遲時間具有以下關系：R102的變化范圍為0.8 K-10.8 K，其中，下降沿的延遲通常不超過0.23 us，小于100 ns，而上升沿的延遲的變化通常在1.3 us左右（為23 mA），至此完成整個通信電源監控系統的硬件設計。

3 基于改進PID算法的通信電源監控系統軟件設計

3.1 確定通信電源監控范圍

在實現通信電源監控時，首先要確定其監控范圍。考慮到確定監控范圍時，會受到靜差影響，因此利用改進后的PID算法進行積分，以此對靜差進行消除處理，提高監控范圍的精度。系統對積分項的要求是，偏差大時積分作用應減弱甚至全無，在偏差小時則應加強。通過對通信電源監控系統中的測量值，以及設定值的偏差大小，對PID算法中積分項的累加速度進行提高。

變速積分表達式為：

3.2 實現通信電源監控及告警處理

確定完通信電源監控范圍后，開始實施監控，首先，給臺墊回路加電，在MCU的控制下，信號經過CAN通信接口電路隔離放大之后運送給，再由MCU讀取的數據信息，判斷電阻是否在正常范圍。最終通信電源實時監控系統在得出結果后，分別會對應電阻高、電阻正常、電阻低這三種結果。接下來將結果傳送給執行機構，對這些數據進行檢測并識別，通過網絡再繼續傳遞給PID，PID對獲取到所有數據的分析和結果進行解析，解析成功后，如果其結果是安全狀態，就繼續將這些數據運輸到數據庫中去，進行記錄，但如果一旦出現異常，就會將此信息傳遞到告警控制器，進行告警處理。在積分作用下告警控制器的輸出會不斷累加，達到積分飽和后，就容易出現告警信息失真，造成通信電源監控系統失效，在計算u（k）時，引入微分信號，即要先對上一時間段的告警控制量進行判斷。

在告警控制中引入微分信號，雖然可以在一定程度上防止系統積分飽和，但也容易造成高頻干擾。為解決此問題，將低通濾波器直接加在微分環節上。其表達式為：

4 實驗檢測

4.1 實驗準備

為驗證本次設計的通信電源監控系統的有效性，對其進行實驗。通過搭建測試電路平臺及軟件校準，測試采樣通道精度。實驗選用雙路輸出（輸出0～30 V）可調直流穩壓電源、數字萬用表、多功能校驗儀及監控單元。測試分為實驗組和兩組對照組。實驗組為本文設計的通信電源監控系統，對照組為傳統的通信電源監控系統。實驗對通信電源監控性能進行測試，包括通信電源動態特性測試，監控數據精準度測試。

4.2 通信電源監控穩定性測試

在電源監控系統工作時，需要保證啟動監控電流與輸出監控電壓處于穩定狀態。因此，對通信電源監控穩定性進行測試。此次試驗中，通信電源監控系統的電源監控模塊開關機無過沖，啟動沖擊電流值，不超過最大沖擊電流有效值的1.2倍。

通過示波器，將開關機監控過沖幅度，及啟動監控沖擊電流波形展開后，實驗組及對照組電源監控模塊的的開機監控過沖幅度以及啟動監控沖擊電流波形如圖3所示。

圖3 開機過沖幅度及啟動沖擊電流波形

從圖3可以看出，本文設計的系統中，電源監控模塊的啟動監控電流與輸出監控電壓基本無沖擊，而傳統設計的通信電源監控系統中，顯然較不穩定。

4.3 監控數據精準度測試

通信電源監控系統穩定性測試完成后，為保證監控數據有效，對監控數據精準度進行測試。具體實驗步驟如下。

第一步：將單個穩壓電源的兩路輸出串聯，第一臺的輸出調到36 V給監控單元供電，將第二臺的輸出作為被測信號接入監控單元電壓采樣輸入端。將計算機的COM1口通過電纜與監控的RS212連接。

第二步：將第二臺穩壓電源電壓源輸出調節到32 V左右，使用萬用表測量電壓，通過COM1計算機口及后臺調試軟件啟動該通道校準，并將實際測量作為基準下發給監控單元，監控單元將自動計算校準系數并保存。

第三步：調節穩壓電源輸出范圍0～70 V，為排除偶然性，用萬用表對實際輸出電壓值進行多次測量取平均值，并讀取監控單元對應的測量值。

第四步：記錄實驗結果。經測量，實際電壓值在37.50 V，本文設計系統的測量值為37.51 V，傳統設計的系統的測量值分別為37.56 V和37.59 V，根據母排電壓采集電路監控測試數據，母排電壓采集電路工作正常，傳統設計系統下，監控數據測試最大誤差分別0.06 V、0.09 V，而在本文設計的系統下，監控數據測試最大誤差為0.01 V，滿足設計的需求。

5 結語

本文設計了一種基于改進PID算法的通信電源監控系統，在硬件設計中，采用了數據采集控制器并對其控制電路進行設計，以CAN總線代替傳統的通信總線，完成通信電源接口設計，在軟件設計中，利用改進后的PID算法進行積分，設計通信電源監控告警處理。為驗證該設計的有效性，作出實驗測試，結果表明本次設計的系統比傳統設計的系統，在監控性能上，更具有優勢。