CN105913340A

CN105913340A - 一种基于pid算法的直流母线电压控制方法

Info

Publication number: CN105913340A
Application number: CN201610414725.4A
Authority: CN
Inventors: 葛息杰; 陈正华; 叶旭波
Original assignee: Shen Ou Communication Equipment Co Ltd
Current assignee: Shen Ou Communication Equipment Co Ltd
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2016-06-14
Publication date: 2016-08-31

Abstract

本发明公开了一种基于PID算法的直流母线电压控制方法，根据PID算法公式：Δu(k)＝A×E(k)+B×E(k‑1)+C×E(k‑2)，给定恒定参数，并采用PID调节算法和实时跟踪母线电压相结合，从而能够智能跟踪频率变化引起的电压波动，通过比较当前电压所得到的反馈量与标准电压所得到的给定量的差值变化来界定电压波动幅值，来使得本发明相对传统变频改造更加节能，不需要再外接制动电阻消耗能量，从而其能够根据实时监测的母线电压来自适应调整输出电压，从而减少了电量的浪费，减少了电费开支，提高了利润率；采用本发明的调节方法能够消除设备的硬启硬停时对传动及运动部件的磨损，从而延长设备的使用寿命，减少大修次数，提高设备使用率。

Description

一种基于PID算法的直流母线电压控制方法

技术领域

本发明涉及工业控制领域，更具体地说，它涉及一种母线电压的计算方法。

背景技术

石材快锯机在石材行业应用十分普遍。又称排锯，沙锯，块锯；相比传统切割方法具有加工速度快，产品质量高的优点。传统的快锯变频改造方案中，用通用变频器调节拉锯速度，用制动单元消耗电机反馈的大量电能。简单的利用普通变频器来消耗多余的电能，在电压波动较大时还是会造成电费开支大，节能效果差的问题，从而导致企业利润空间小，产品缺少市场竞争力。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于PID算法的直流母线电压控制方法，该种方法减少了电量的浪费，减少了电费开支，提高了利润率，延长了设备的使用寿命，减少大修次数，提高设备使用率。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于PID算法的直流母线电压控制方法，采用以下步骤：

a、设定PID调节的给定量S(k)，S(k)的值设定为三相输入标准母线电压Uref与系统运行时所允许的最大母线电压Umax的百分比，即Uref/Umax；

b、设定PID调节的反馈量F(k)，F(k)的值设定为需要检测的实时母线电压Udc与最大母线电压Umax的百分比，即Udc/Umax；

c、设定PID调节的输出为Δu(k)，本次误差为值E(k)＝100*[F(k)-S(k)]，前一次误差值为E(k-1)＝100*[F(k-1)-S(k-1)]，前两次误差值为E(k-2)＝100*[F(k-2)-S(k-2)]；

d、设定控制系统采用恒定的采样周期T，并设定比例增益Kp＝2.7，积分时间常数Ti＝8.00s，微分时间常数Td＝0.02，采样周期Ts＝0.0002s；

e、设定该PID调节的控制算法公式为：

\begin{matrix} {Δu}_{k} = u_{k} - u_{k - 1} = K_{P} [e_{k} - e_{k - 1} + \frac{T}{T_{i}} e_{k} + T_{d} \frac{e_{k} - {2 e}_{k - 1} + e_{k - 2}}{T}] \\ = K_{P} (1 + \frac{T}{T_{i}} + \frac{T_{d}}{T}) e_{k} - K_{P} (1 + \frac{{2 T}_{d}}{T}) e_{k - 1} + K_{P} \frac{T_{d}}{T} e_{k - 2} \\ = {Ae}_{k} - {Be}_{k - 1} + {Ce}_{k - 2} \end{matrix}

设定其中的系数：

A＝Kp×(1+Ts/Ti+Td/Ts)，B＝Kp×(1+2×Td/Ts)，C＝Kp×Td/Ts。

作为上述技术方案的进一步改进：

当k＝1时，E(k)＝F1-S1＝E1，E(k-2)＝E(k-1)＝0。

当k＝2时，E(k)＝F2-S2＝E2，E(k-1)＝F1-S1＝E1，E(k-2)＝0。

通过采用上述技术方案，采用PID调节算法和实时跟踪母线电压相结合，从而能够智能跟踪频率变化引起的电压波动，通过比较当前电压所得到的反馈量与标准电压所得到的给定量的差值变化来界定电压波动幅值，来使得本发明相对传统变频改造更加节能，不需要再外接制动电阻消耗能量，从而其能够根据实时监测的母线电压来自适应调整输出电压，从而减少了电量的浪费，减少了电费开支，提高了利润率；采用本发明的调节方法能够消除设备的硬启硬停时对传动及运动部件的磨损，从而延长设备的使用寿命，减少大修次数，提高设备使用率。

具体实施方式

一种基于PID算法的直流母线电压控制方法，

采用以下步骤：

a、设定PID调节的给定量S(k)，S(k)的值设定为三相输入标准母线电压Uref与系统运行时所允许的最大母线电压Umax的百分比，即Uref/Umax(人们可以根据不同的设备设定不同的最大母线电压Umax的值，使得本发明的调节方法适应范围更广)；

b、设定PID调节的反馈量F(k)，F(k)的值设定为需要检测的实时母线电压Udc与最大母线电压Umax的百分比，即Udc/Umax(由于机器运行过程中会具有较大的电压波动，所以实时跟踪母线电压和PID调节算法相结合，从而能够智能跟踪频率变化引起的电压波动，通过比较当前电压所得到的反馈量与标准电压所得到的给定量的差值变化来界定电压波动幅值)；

c、设定PID调节的输出为Δu(k)，本次误差为值E(k)＝100*[F(k)-S(k)]，前一次误差值为E(k-1)＝100*[F(k-1)-S(k-1)]，前两次误差值为E(k-2)＝100*[F(k-2)-S(k-2)]，采集三次的误差值来均衡判定反馈量与给定量的差值变化，使得检测结果更加准确，也方便输出更加准确的结果；

d、设定控制系统采用恒定的采样周期T，并设定比例增益Kp＝2.7，积分时间常数Ti＝8.00s，微分时间常数Td＝0.02，采样周期Ts＝0.0002s(根据多次实验改变得出上述恒定常数)；

e、设定该PID调节的控制算法公式为：

\begin{matrix} {Δu}_{k} = u_{k} - u_{k - 1} = K_{P} [e_{k} - e_{k - 1} + \frac{T}{T_{i}} e_{k} + T_{d} \frac{e_{k} - {2 e}_{k - 1} + e_{k - 2}}{T}] \\ = K_{P} (1 + \frac{T}{T_{i}} + \frac{T_{d}}{T}) e_{k} - K_{P} (1 + \frac{{2 T}_{d}}{T}) e_{k - 1} + K_{P} \frac{T_{d}}{T} e_{k - 2} \\ = {Ae}_{k} - {Be}_{k - 1} + {Ce}_{k - 2} \end{matrix}

设定其中的系数：

A＝Kp×(1+Ts/Ti+Td/Ts)，B＝Kp×(1+2×Td/Ts)，C＝Kp×Td/Ts，通过PID调节算法计算出系统输出频率，降低回升电压，达到整个周期电流，电压平衡，保证整个工况正常运行。

通过采用上述技术方案，使得本发明相对传统变频改造更加节能，不需要再外接制动电阻消耗能量，从而其能够根据实时监测的母线电压来自适应调整输出电压，从而减少了电量的浪费，减少了电费开支，提高了利润率；采用本发明的调节方法能够消除设备的硬启硬停时对传动及运动部件的磨损，从而延长设备的使用寿命，减少大修次数，提高设备使用率。

需要注意的是，当k＝1时，即运行时第一次检测数据时，E(k)＝F1-S1＝F1，前一次和前两次都没有运行，因此E(k-2)＝E(k-1)＝0。

当k＝2时，E(k)＝F2-S2＝E2，E(k-1)＝F1-S1＝E1，由于前两次没有运行，所以E(k-2)＝0。

具体计算示例如下：此处以三相380V输入为例，得出标准母线电压：Uref＝380*1.414＝537V，

并以石材快锯床为例，设定系统运行时的允许最大母线电压：Umax＝850V，

标准母线电压与最大母线电压的百分比为：S(k)＝Uref/Umax＝537V/850V＝63.2％；

假定第一次PID调节时检测到系统当前母线电压Udc＝600V，此时反馈量F(k)＝600/850＝70.6％，给定量S(k)＝63.2％，本次误差E(k)＝100*(70.6％-63.2％)＝7.4，前一次误差E(k-1)＝0，前两次误差E(k-2)＝0；

比例系数Kp＝2.70，积分时间常数)Ti＝8.00S，微分时间常数Td＝0.02S，采样周期Ts＝0.002S；

首先算出系数A＝Kp×(1+Ts/Ti+Td/Ts)＝29.7，系数B＝Kp×(1+2×Td/Ts)＝56.7，系数C＝Kp×Td/Ts＝27；

根据PID算法公式：Δu(k)＝A×E(k)+B×E(k-1)+C×E(k-2)，计算出第一次PID的调节量Δu(k)＝29.7*7.4+56.7*0+27*0＝219.78，经系统参数定标转换为系统调节的频率量。

假定第二次PID调节时检测到系统当前母线电压Udc＝650V，此时反馈量F(k)＝650/850＝76.5％，给定量S(k)＝63.2％，本次误差E(k)＝100*(76.5％-63.2％)＝13.3，前一次误差E(k-1)＝7.4，前两次误差E(k-2)＝0；

由于系数A＝Kp×(1+Ts/Ti+Td/Ts)＝29.7，系数B＝Kp×(1+2×Td/Ts)＝56.7，系数C＝Kp×Td/Ts＝27；

根据PID算法公式：Δu(k)＝A×E(k)+B×E(k-1)+C×E(k-2)，计算出第二次PID的调节量Δu(k)＝29.7*13.3+56.7*7.4+27*0＝814.59，经系统参数定标转换为系统调节的频率量。

假定第三次PID调节时检测到系统当前母线电压Udc＝700V，此时反馈量F(k)＝700/850＝82.3％，给定量S(k)＝63.2％，本次误差E(k)＝100*(82.3％-63.2％)＝19.1，前一次误差E(k-1)＝13.3，前两次误差E(k-2)＝7.4；

根据PID算法公式：Δu(k)＝A×E(k)+B×E(k-1)+C×E(k-2)，计算出第二次PID的调节量Δu(k)＝29.7*29.7+56.7*13.3+27*7.4＝1321.38，经系统参数定标转换为系统调节的频率量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于PID算法的直流母线电压控制方法，其特征在于：采用以下步骤：

e、设定该PID调节的控制算法公式为：

\begin{matrix} {Δu}_{k} = u_{k} - u_{k - 1} = K_{P} [e_{k} - e_{k - 1} + \frac{T}{T_{i}} e_{k} + T_{d} \frac{e_{k} - 2 e_{k - 1} + e_{k - 2}}{T}] \\ = K_{P} (1 + \frac{T}{T_{i}} + \frac{T_{d}}{T}) e_{k} - K_{P} (1 + \frac{2 T_{d}}{T}) e_{k - 1} + K_{P} \frac{T_{d}}{T} e_{k - 2} \\ = {Ae}_{k} - {Be}_{k - 1} + {Ce}_{k - 2} \end{matrix}

设定其中的系数：

A＝Kp×(1+Ts/Ti+Td/Ts)，B＝Kp×(1+2×Td/Ts)，C＝Kp×Td/Ts。

2.根据权利要求1所述的基于PID算法的直流母线电压控制方法，其特征在于：当k＝1时，E(k)＝F1-S1＝F1，E(k-2)＝E(k-1)＝0。

3.根据权利要求1所述的基于PID算法的直流母线电压控制方法，其特征在于：当k＝2时，E(k)＝F2-S2＝E2，E(k-1)＝F1-S1＝F1，E(k-2)＝0。