2 PID 控制算法

　　系统软启动的控制功能通过比例积分微分控制器实现。通过比较给定信号与反馈信号的偏差， 并进行比例、积分、微分等运算进行控制， 是技术较成熟、应用、广泛的一种控制方式。其结构简单、灵活性强、系统参数调整方便， 不需要求出模型。

　　PID 控制原理如图2 所示。PID 控制是一种线性调节器， 它把设定值W 与实际输出值相减， 得到控制偏差e .偏差值e 经比例、积分、微分后通过线性组合构成控制量U, 对对象进行控制。其中比例调节器起到基础调节作用， 主要对控制系统的灵敏度和控制速度有影响。积分调节器可以自动调节控制量， 消除稳态误差，使系统趋于稳定。微分调节器可以减小超调， 克服振荡， 同时加快系统的稳定速度， 缩短调整时间， 从而改善系统的动态性能。

图2 PID 控制原理图

　PID 控制器的输出与输入之间的关系可表达为：

　　式中： Ti为积分时间常数； Td为微分时间常数； Kp为比例系数； Ki为积分常数， Ki=Kp/Ti ; Kd为微分常数，Kd=Kp/Td.

　　系统启动时间较短， 启动电压、电流较大， 负载所承受的冲击也较大， 致使启动阶段负载的动负荷峰值远远大于正常运行时的负荷， 容易造成负载的损坏。为解决此问题， 设计了一种新型的PID 控制软启动电源系统， 主要由电源、大电流恒流源、输出大电流端采样和控制系统组成， 并完成了实验室内的试验。当电源启动时， 首先由单片机系统给定设定电压、电流或功率。PID软启动是按负载线性上升的规律控制输出。在负载电压线性增加的过程中， 如果电流超出了所限定的范围， 则马上投入电压闭环， 使电流值限定在所设定的范围内后， 再线性逐渐增加电压至额定值， 系统的光强也由零逐渐增大， 完成启动过程。

　　PID 控制系统软启动效果图如图3 所示。通过串行通信端口com1 通信， 电压单位mV、电流单位mA, 功率单位mW, 时间单位s.

　　从图3 的软启动效果图可以看出， 在恒定电压、电流、功率的模式下工作时， 系统开机过程超调量很小， 有效地控制了启动过程， 防止了启动过程产生过大的扰动电压， 产生过大的功率， 有效地保护了负载。

3 实验结果

　　由于输出电流达到8 A, 对电源的功率要求较高， 易产生噪声， 这种随机噪声也会对输出电流产生一定的影响。为减弱这种噪声， 各个模块分别供电， 以减少交叉干扰， 同时在电路板上多加装去耦滤波电容， 减小干扰的影响， 同时OPA549 能有效地抑制纹波。影响电源稳定性的因素很多， 如负载的变化、取样电阻的变化、A/D、D/A 的影响等。如图4 所示， 不同负载的情况下， 电源误差不同。10 W 的负载， 由于功率较低， 在电压、电流增加时， 误差变化也较小。35 W 的负载， 由于功率较大， 工作电流的变化范围比较大， 功耗较大， 电源的误差变化相应地也比较大。如图5, 在10 W、20 W 和35 W 的负载时， 工作状态稳定， 能够满足大电流、大功率的需要。

　　该系统利用PID 算法进行控制， 采用大功率运放OPA549 输出电流在0~8 A 范围内可调， 最大峰值可达到10 A, 能够有效抑制纹波电流， 克服了传统电流源输出电流范围小的缺点。可设置并能实时显示输出电压、电流、功率实测值， 具有"+ " , "- " 步进调整功能， 输出可在LCD12864 显示， 同时通过RS232 与上位机同步通信， 直接显示， 保存实验数据。通过对测试结果的分析，系统在软启动的过程中， 超调量很小， 启动效果很好， 避免了对负载的冲击。由于大功率调整管的电流大范围变化时， 经过软件补偿、放大电路调整等方法解决线性度较差，实测值和设定值存在偏差的问题。该电源适用于大功率的场合，本电源具有很好的实用性。