吳翠娟

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州　215009）

改進(jìn)PID算法下的電網(wǎng)溫度控制過程仿真

吳翠娟

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215009）

針對(duì)電網(wǎng)溫度控制具有非線性、多擾動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)敏感電子元件的工作溫度要求較高，導(dǎo)致控制不準(zhǔn)確的問題。提出基于改進(jìn)的PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變結(jié)構(gòu)控制的電網(wǎng)溫度控制算法，構(gòu)建電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，對(duì)電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行控制指標(biāo)設(shè)計(jì)和流程分析，采用3層前向變結(jié)構(gòu)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法對(duì)溫度控制算法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)電網(wǎng)溫度控制的硬件模塊和軟件模塊，對(duì)電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件配裝和調(diào)試。仿真結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行電網(wǎng)溫度控制具有較好的溫度控制跟蹤性能，控制過程的收斂性能較好，減少了溫度的波動(dòng)和振蕩，提高了對(duì)電網(wǎng)溫度控制的精度。

電網(wǎng)；溫度控制；改進(jìn)PID算法

電網(wǎng)系統(tǒng)是由大量的敏感電子元件組成的電壓設(shè)備和輸電設(shè)備構(gòu)成。電網(wǎng)設(shè)備包含變電設(shè)備、輸電設(shè)備和配電設(shè)備3個(gè)單元的電子器件設(shè)備。在電網(wǎng)運(yùn)行中，電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備規(guī)模復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，存在來自于發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的干擾導(dǎo)致溫度變換不穩(wěn)定，如果不能有效地進(jìn)行溫度控制，將對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的電機(jī)和穩(wěn)壓設(shè)備的電壓輸出造成影響，導(dǎo)致輸出的電壓和功率不穩(wěn)定。通過對(duì)電網(wǎng)溫度的有效控制，以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。因此，研究電網(wǎng)的溫度有效控制方法具有重要的意義［1］。

電網(wǎng)溫度控制具有非線性、多擾動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)敏感電子元件的工作溫度要求較高，傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)有效控制。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要采用EPGA/CPLD控制方案，具有實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性不好的問題。采用PID控制系統(tǒng)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、專家控制系統(tǒng)等自組織學(xué)習(xí)和復(fù)合控制方案［2］，結(jié)合相關(guān)的邏輯控制編程器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)。但傳統(tǒng)的電網(wǎng)溫度控制方法具有時(shí)效性差、控制精度不好的問題。對(duì)此，相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了算法改進(jìn)。文獻(xiàn)［3］提出一種基于進(jìn)化迭代方法的電網(wǎng)溫度方法，通過對(duì)環(huán)境溫度感知采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)溫度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，但是該控制系統(tǒng)具有精度較差的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［4］采用DSP控制設(shè)計(jì)，把電網(wǎng)溫度調(diào)節(jié)控制分為輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新3個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，但是該控制系統(tǒng)采用大功率信號(hào)進(jìn)行通信，在不進(jìn)行電網(wǎng)信息數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)入休眠期，導(dǎo)致電網(wǎng)溫度調(diào)節(jié)中斷，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的溫度控制的自適應(yīng)性不好［5］。本文在傳統(tǒng)的PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變結(jié)構(gòu)控制的電網(wǎng)溫度控制算法的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，對(duì)電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行控制指標(biāo)設(shè)計(jì)和流程分析，引入變結(jié)構(gòu)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法對(duì)溫度控制算法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，采用本文提出的改進(jìn)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變結(jié)構(gòu)控制的電網(wǎng)溫度控制算法，不但提高了對(duì)溫度控制的精確度，而且電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性也相應(yīng)提高。

1　電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)和基本流程

本文通過DSP芯片結(jié)合PLC可編程邏輯控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)溫度的自適應(yīng)控制，保障電網(wǎng)運(yùn)行安全。PLC可編程邏輯控制器，它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，PLC可編程邏輯控制的整個(gè)射頻識(shí)別工作無須外界人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，特別適用于對(duì)大型電網(wǎng)的溫度自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)環(huán)境中，PLC可編程邏輯控制的中央處理單元（CPU）是其控制中樞。采用高性能DSP系統(tǒng)和PLC可編程邏輯控制進(jìn)行電網(wǎng)溫度控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)所需的功率、電流、電壓等具體信息進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)［6］。本文設(shè)計(jì)的電網(wǎng)溫度的硬件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，電網(wǎng)溫度控AD模塊主要完成輸入模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，對(duì)電網(wǎng)溫度信息進(jìn)行模擬信號(hào)調(diào)制和輸出，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)送到DSP中，將接收到的輸入時(shí)鐘變換為CPU所需的供電電壓。采用PLC可編程邏輯控制，配置了大量的在片外設(shè)，進(jìn)行電網(wǎng)溫度控制。模塊設(shè)計(jì)分別描述如下。

1.1AD轉(zhuǎn)換器可編程邏輯控制處理器

AD轉(zhuǎn)換器可編程邏輯控制處理器與通用處理器的不同在于，PLC可編程邏輯控制CPU大多范圍在為指定用戶群所特定的系統(tǒng)中，它通過CPU中的主板完成對(duì)程序數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)傳輸?shù)叫酒瑑?nèi)部，從而有利于PLC可編程邏輯控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)趨于小型化的發(fā)展，同時(shí)還具有很高的效率和可靠性。

圖1　電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖Fig.1　The overall design diagram of the grid temperature control system

1.2PLC可編程邏輯控制外圍設(shè)備

PLC可編程邏輯控制系統(tǒng)硬件中，除主要控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）外，還包括用于控制存儲(chǔ)、通信、調(diào)試、顯示等輔助性能的其他硬件，即PLC可編程邏輯控制外圍設(shè)備。

1.3PLC可編程邏輯控制操作系統(tǒng)

為使PLC可編程邏輯控制系統(tǒng)更加迅速發(fā)展，需有專業(yè)負(fù)責(zé)管理存儲(chǔ)器分配、中斷處理、任務(wù)調(diào)度等功能的軟件程序，被統(tǒng)稱為PLC可編程邏輯控制操作系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程包括如下幾個(gè)方面：

1）硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)?；隗w系結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2）系統(tǒng)集成。把系統(tǒng)的軟件、硬件和執(zhí)行裝置集成一個(gè)開發(fā)程序，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)單元設(shè)計(jì)過程中的誤差。

3）系統(tǒng)測(cè)試。對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行調(diào)試，檢查是否滿足功能要求。

根據(jù)1）—3）分析，給出本文進(jìn)行電網(wǎng)溫度控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)描述為：指令周期9.26 ns；時(shí)鐘頻率108MHz；溫度控制范圍：18～23℃，DSP運(yùn)行在200MHz的主頻。選用了TI公司的TMS320VC5509A作為核心數(shù)字處理芯片，基于電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)和基本流程分析，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2　改進(jìn)的變結(jié)構(gòu)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法

在構(gòu)建電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行溫度控制算法設(shè)計(jì)，以此作為軟件核心程序，應(yīng)用到電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)中［7-9］。選取1個(gè)3層前向神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)作為電網(wǎng)溫度控制的模糊控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)結(jié)構(gòu)，3層前向PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2　三層前向PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型Fig.2　Three layers forward PID neural network model of the system

圖2給出的是1種3層前向變結(jié)構(gòu)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，變結(jié)構(gòu)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為2×3×1結(jié)構(gòu)，3層前向神經(jīng)元分別作為比例元、積分元和微分元，控制電網(wǎng)系統(tǒng)的電流、電壓和溫度，電網(wǎng)溫度控制對(duì)象M和h由確定和不確定的控制模型2部分組成，神經(jīng)元的狀態(tài)uj的輸入為：

式中：Mn和為溫度變化率；ΔM和為溫度控制的不確定量。

由結(jié)合PID控制調(diào)節(jié)性能的自動(dòng)模糊匹配性，進(jìn)一步得到：

式中：電網(wǎng)溫度控制的最佳的補(bǔ)償逼近函數(shù)為：

在限定條件下，設(shè)置的模糊控制器，電網(wǎng)溫度控制優(yōu)選解析式總輸入為：

式中：x′j為3層前向變結(jié)構(gòu)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層各神經(jīng)元的溫度變化輸出值；w′j為3層前向變結(jié)構(gòu)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層至輸出層的連接權(quán)重值。

3層前向變結(jié)構(gòu)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層神經(jīng)元的諧波整流與比例元的逆變狀態(tài)函數(shù)近似，狀態(tài)輸出為：

前向變結(jié)構(gòu)PID電網(wǎng)溫度控制的輸出v（k）等于輸出層神經(jīng)元的輸出，即：

采用雙向流動(dòng)補(bǔ)償方法，固定輸入層至隱含層的權(quán)值ωij（i=1，2；j=1，2，3），根據(jù)雙重傅里葉變換調(diào)節(jié)隱含層至輸出層的權(quán)值ω′j（j=1，2，3），記ω=［ω′1ω′2ω′3］，由此改善電網(wǎng)溫度的PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制性能。

3　電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)

3.1硬件模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)的改進(jìn)的PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法為基礎(chǔ)，進(jìn)行電網(wǎng)溫度控制過程仿真和系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)，首先設(shè)計(jì)電網(wǎng)溫度控制的電源電路，電源電路為整個(gè)硬件電路正常工作提供供電電壓，本文采用SDRAM的3.3 V供電，得到電網(wǎng)溫度控制的電源設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

圖3　電網(wǎng)溫度控制的電源芯片電路設(shè)計(jì)Fig.3　The design of the power source circuit for the grid temperature control

在電網(wǎng)溫度控制的電源芯片電路中，輸出為3.3 V和1.6 V，1.6 V由外部電阻的比值來確定，Vref=1.1834V，計(jì)算出R1和R2的值分別為11 kΩ和30 kΩ，得到的+5 V電壓，為電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)供電。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行電網(wǎng)溫度控制的CPU模塊設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，CPU控制模塊DA接口為4路，最小分辨率不小于12 bit，由于PLC可編程邏輯控制器接收的信號(hào)必須是數(shù)字量，因此，數(shù)據(jù)采集板所采集到的輸出電壓、輸出電流、環(huán)境溫度等信息都要通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由此得到電網(wǎng)溫度控制的CPU模塊電路如圖4所示。其中，檢測(cè)裝置中為PLC供電的電源電壓為5 V，采用專業(yè)基準(zhǔn)源芯片PLC來產(chǎn)生參考源Vref，PLC可編程邏輯控制IO口P17是用于AD所需始終信號(hào)輸出的，VIN和LIN是由電壓和電流信號(hào)調(diào)理電路產(chǎn)生的。

圖4 電網(wǎng)溫度控制的CPU模塊Fig.4　The grid temperature control CPU module

圖4中，電網(wǎng)溫度信息采用無線電訊號(hào)進(jìn)行光學(xué)非接觸式讀寫的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，使電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)的輸出電壓為0～10 V，VAA為+5 V電壓輸入，實(shí)現(xiàn)了16位并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，達(dá)到電網(wǎng)溫度控制的目的。

3.2電網(wǎng)溫度控制的軟件實(shí)現(xiàn)

在硬件電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的PID算法進(jìn)行電網(wǎng)溫度控制的軟件開發(fā)，首先確定采用變結(jié)構(gòu)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，論證算法的正確性，程序的主體框架和對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的部分采用C/C++語言，其他部分采用Matlab編程，在Windows操作系統(tǒng)下，采用圖形接口界面，編寫匯編代碼，進(jìn)行電網(wǎng)溫度控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)溫度的數(shù)據(jù)采集、能譜測(cè)量、高壓控制和溫度控制，軟件編寫流程圖如圖5所示。

程序開始后首先進(jìn)行初始化，包括：時(shí)鐘頻率初始化、存儲(chǔ)器初始化和溫度控制終端初始化，判斷當(dāng)前A/D采樣緩沖，最后程序回到開始，繼續(xù)判斷A/D采樣是否完成，根據(jù)收到的數(shù)值調(diào)節(jié)高壓，實(shí)現(xiàn)溫度控制。

圖5　電網(wǎng)溫度控制軟件實(shí)現(xiàn)流程Fig.5　The grid temperature control software implementation process

4　仿真實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的基于改進(jìn)PID算法的電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)采集板由MCU、電源模塊、LCD顯示電路、電壓采集電路、電流采集電路、溫度采集電路和串行通信電路幾部分組成，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Pentium（R）4 CPU，3.00 GHz，512 MB內(nèi)存的PC機(jī)上，通過Matlab 2011b進(jìn)行編程，PLC可編程邏輯控制器片內(nèi)含4 kB ISP（In system programmable）的可反復(fù)擦寫1 000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，采用本文算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行電網(wǎng)溫度控制仿真，得到溫度控制跟蹤曲線如圖6所示。由圖6可知，采用本文算法，具有較好的溫度控制跟蹤性能由仿真驗(yàn)證波形可知，通過VHDL編程，實(shí)現(xiàn)了所要完成的功能，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

圖6　溫度控制跟蹤曲線Fig.6　The tracking curve of the temperature control

為了對(duì)比本文控制算法和傳統(tǒng)方法對(duì)電網(wǎng)溫度控制精度的性能，以電網(wǎng)溫度控制的收斂曲線為測(cè)試指標(biāo)，得到不同方法的溫度控制性能對(duì)比結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，采用本方法具有較好的溫度控制收斂性能，減少的溫度的波動(dòng)和振蕩，提高了對(duì)電網(wǎng)溫度控制的精度。

圖7　不同方法的溫度控制性能對(duì)比Fig.7　Temperature control performances comparison with different methods

5　結(jié)語

在電網(wǎng)運(yùn)行中，電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備規(guī)模復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，存在來自于發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的干擾導(dǎo)致溫度變換不穩(wěn)定的問題。通過對(duì)電網(wǎng)溫度的有效控制，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行，提出一種基于改進(jìn)的PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變結(jié)構(gòu)控制的電網(wǎng)溫度控制算法，構(gòu)建電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，采用變結(jié)構(gòu)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法對(duì)溫度控制算法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)電網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件配裝和調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文算法能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)溫度的穩(wěn)定性控制，實(shí)現(xiàn)了所要完成的功能，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

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Simulation of the Power Grid Temperature Control Process Based on Improved PID Algorithm

WU Cuijuan
（Institute of Electrical and Information Technology，Suzhou Trade Vocational and Technical College，Suzhou 215009，Jiangsu，China）

The temperature control of the power grid is characteristic of non-linearity and multiple disturbances and has higher requirements for sensitive electronic components，and often leads to inaccurate control.This paper proposes a new grid temperature control algorithm based on improved PID neural network variable structure control and builds the overall structure model of the grid temperature control system.In addition，the control index is designed and the process is analyzed for the system，and three-layers-forward variable structure PID neural network control algorithm are adopted for the improvement of the temperature control algorithm and the hardware and software models are designed for the grid temperature control and finally the hardware is installed and testing and commissioning is carried out.The Simulation results show that this method of the grid temperature control temperature control has good tracking performance and good convergence performance of the control process，and reduces the temperature fluctuations and oscillation，enhances the precision of the power grid temperature control.

power grid；temperature control；improved PID algorithm

1674-3814（2015）12-0007-05

TM924.13

A

2015-04-02。

吳翠娟（1968—），女，碩士研究生，副教授，主要研究方向?yàn)殡娮有畔ⅰ?/p>

（編輯董小兵）

江蘇省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2014JY0059）。

Project Supported by Applied Basic Research Project of Jiangsu Province（2014JY0059）.