基于改進PID算法的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王洪濤，周紅蓮，曹 茜，廖孟柯，王 斌，胡志云

（國網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 新疆 烏魯木齊 830011）

1 引言

通信電源監(jiān)控系統(tǒng)是通信系統(tǒng)的重要元素之一，通信電源監(jiān)控的有效性，是整個通信系統(tǒng)有效運行的基本保證，通信電源監(jiān)控系統(tǒng)在通信中發(fā)揮著巨大的作用，一旦其工作不正常，通信系統(tǒng)就有可能會發(fā)生故障，帶來不良影響以及經(jīng)濟損失。因此，保證通信電源監(jiān)控系統(tǒng)維穩(wěn)運行成為人們所關(guān)注的焦點。由于傳統(tǒng)的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中，電源監(jiān)控模塊的啟動電流與輸出電壓的不穩(wěn)定以及監(jiān)控數(shù)據(jù)的精準度的不足，導致通信電源監(jiān)控系統(tǒng)性能不佳，為此，基于改進PID算法下，對其進行優(yōu)化設(shè)計。

2 通信電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集控制器及其控制電路設(shè)計

實現(xiàn)通信電源監(jiān)控前，首先要進行數(shù)據(jù)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(huán)境濕度以及基準信號的數(shù)據(jù)進行收集和測量，對其進行實時監(jiān)控，保證各數(shù)值在合理范圍內(nèi)。在硬件設(shè)計上為保證數(shù)據(jù)收集的精準，在電路中安裝數(shù)據(jù)采集控制器。

圖1 數(shù)據(jù)采集控制電路圖

2.2 CAN通信接口電路設(shè)計

數(shù)據(jù)采集完成之后，需要通過通信接口電路來實現(xiàn)監(jiān)控。在實現(xiàn)過程中一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負載很重的情況，就很容易受到干擾，進而造成監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓。選擇采用CAN總線來代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(fā)器PCA82A50實現(xiàn)本監(jiān)控系統(tǒng)的通信硬件電路。圖2為CAN通信接口電路設(shè)計。

圖2 CAN通信接口電路設(shè)計

如圖2所示，光藕的負載電阻，及其延遲時間具有以下關(guān)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(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

3 基于改進PID算法的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 確定通信電源監(jiān)控范圍

在實現(xiàn)通信電源監(jiān)控時，首先要確定其監(jiān)控范圍。考慮到確定監(jiān)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(jiān)控范圍的精度。系統(tǒng)對積分項的要求是，偏差大時積分作用應(yīng)減弱甚至全無，在偏差小時則應(yīng)加強。通過對通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中的測量值，以及設(shè)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(xiàn)通信電源監(jiān)控及告警處理

確定完通信電源監(jiān)控范圍后，開始實施監(jiān)控，首先，給臺墊回路加電，在MCU的控制下，信號經(jīng)過CAN通信接口電路隔離放大之后運送給，再由MCU讀取的數(shù)據(jù)信息，判斷電阻是否在正常范圍。最終通信電源實時監(jiān)控系統(tǒng)在得出結(jié)果后，分別會對應(yīng)電阻高、電阻正常、電阻低這三種結(jié)果。接下來將結(jié)果傳送給執(zhí)行機構(gòu)，對這些數(shù)據(jù)進行檢測并識別，通過網(wǎng)絡(luò)再繼續(xù)傳遞給PID，PID對獲取到所有數(shù)據(jù)的分析和結(jié)果進行解析，解析成功后，如果其結(jié)果是安全狀態(tài)，就繼續(xù)將這些數(shù)據(jù)運輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中去，進行記錄，但如果一旦出現(xiàn)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(xiàn)告警信息失真，造成通信電源監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)節(jié)上。其表達式為：

4 實驗檢測

4.1 實驗準備

為驗證本次設(shè)計的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)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(diào)直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表、多功能校驗儀及監(jiān)控單元。測試分為實驗組和兩組對照組。實驗組為本文設(shè)計的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)，對照組為傳統(tǒng)的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)。實驗對通信電源監(jiān)控性能進行測試，包括通信電源動態(tài)特性測試，監(jiān)控數(shù)據(jù)精準度測試。

4.2 通信電源監(jiān)控穩(wěn)定性測試

在電源監(jiān)控系統(tǒng)工作時，需要保證啟動監(jiān)控電流與輸出監(jiān)控電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，對通信電源監(jiān)控穩(wěn)定性進行測試。此次試驗中，通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的電源監(jiān)控模塊開關(guān)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(guān)機監(jiān)控過沖幅度，及啟動監(jiān)控沖擊電流波形展開后，實驗組及對照組電源監(jiān)控模塊的的開機監(jiān)控過沖幅度以及啟動監(jiān)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(shè)計的系統(tǒng)中，電源監(jiān)控模塊的啟動監(jiān)控電流與輸出監(jiān)控電壓基本無沖擊，而傳統(tǒng)設(shè)計的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中，顯然較不穩(wěn)定。

4.3 監(jiān)控數(shù)據(jù)精準度測試

通信電源監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性測試完成后，為保證監(jiān)控數(shù)據(jù)有效，對監(jiān)控數(shù)據(jù)精準度進行測試。具體實驗步驟如下。

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

第二步：將第二臺穩(wěn)壓電源電壓源輸出調(diào)節(jié)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(diào)試軟件啟動該通道校準，并將實際測量作為基準下發(fā)給監(jiān)控單元，監(jiān)控單元將自動計算校準系數(shù)并保存。

第三步：調(diào)節(jié)穩(wěn)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(jiān)控單元對應(yīng)的測量值。

第四步：記錄實驗結(jié)果。經(jīng)測量，實際電壓值在37.50 V，本文設(shè)計系統(tǒng)的測量值為37.51 V，傳統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)的測量值分別為37.56 V和37.59 V，根據(jù)母排電壓采集電路監(jiān)控測試數(shù)據(jù)，母排電壓采集電路工作正常，傳統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)下，監(jiān)控數(shù)據(jù)測試最大誤差分別0.06 V、0.09 V，而在本文設(shè)計的系統(tǒng)下，監(jiān)控數(shù)據(jù)測試最大誤差為0.01 V，滿足設(shè)計的需求。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于改進PID算法的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)，在硬件設(shè)計中，采用了數(shù)據(jù)采集控制器并對其控制電路進行設(shè)計，以CAN總線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的通信總線，完成通信電源接口設(shè)計，在軟件設(shè)計中，利用改進后的PID算法進行積分，設(shè)計通信電源監(jiān)控告警處理。為驗證該設(shè)計的有效性，作出實驗測試，結(jié)果表明本次設(shè)計的系統(tǒng)比傳統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)，在監(jiān)控性能上，更具有優(yōu)勢。