數字ＰＩＤ在脫硫電源中的應用

摘 要：在基于流光放電的煙氣脫硫技術中，電源控制系統的設計一直是個難點，本文提出一種基于DSP芯片的數字PID技術在脫硫直流電源中的應用設計方案。控制系統采用DSP芯片提高了系統的控制精度和處理速度，采用改進的數字PID的控制算法改善了系統對干擾的響應速度，增強了對干擾的實時處理能力。最后給出仿真及實驗結論。關鍵詞：煙氣脫硫；開關電源；數字PID；DSP

引言

隨著我國經濟的發展，在能源消費中帶來的環境污染也越來越嚴重。其中大氣煙塵、酸雨、溫室效應和臭氧層的破壞已成為危害人類生存的四大殺手。燃煤煙氣所含的煙塵、二氧化硫、氮氧化物等有害物質是造成大氣污染、酸雨和溫室效應的主要根源。我國煤炭儲量豐富，每年的產量超過10億噸。燃煤取得的能量達到能源總量的75％以，上，而且這種能源結構在最近幾年不會改變。與此同時燃煤煙氣中排放的二氧化硫和氮氧化物占全國總排放量的90％。因此在我國對燃煤煙氣進行脫硫脫硝是刻不容緩的任務。

近年來，利用交直流疊加電源實現流光放電煙氣脫硫技術的研究取得了很大的發展，能耗低，最終生成物可以再利用是這種技術的主要優點。脫硫電源的設計一直是一個難題，交直流疊加電源所帶負載為流光放電反應器，工作時希望直流電源可以穩定在正常流光放電的電壓點上同時疊加交流增強流光放電。但由于煙氣工況經常發生波動，所以工作點要能夠根據負載的變化實時改變。傳統控制裝置控制不夠精確且實時性不好容易造成頻繁打火或不能工作在最好的流光放電工作點，造成反應器損壞及效率降低。這里的數字PID技術利用計算機軟件編程實現PID算法，使直流電壓穩定在流光放電工作點，具有更大的靈活性、可靠性、實時性和更好的控制效果。

系統原理

系統原理圖如圖1所示。主電路采用高頻電能變換技術，將380V三相工頻交流電經過三相全控整流電路，通過LC濾波電路變為可調直流，然后通過高頻橋式逆變變為高頻交流再通過高頻變壓器產生高頻高壓交流；高壓直流電源由高頻交流經過高壓硅堆整流得到。交流電源電路采用串聯諧振的工作方式，如果直接利用變壓器直接升壓達到流光放電所需要的電壓，這樣變壓器的匝比將會很高。對交流電源來講至少是諧振升壓時的10倍以上，當副邊反應器放電出現短路時，原邊電路的電流將會很大，很容易對開關管造成破壞，電路的可靠性將會大大降低。串聯諧振電感同時還可以在負載短路時，起到限制原邊短路電流大小的功能，可以大大提高電路工作的可靠性。交流電源和直流電源分別經過隔直耦合電容和隔交濾波電感進行疊加組成交直流疊加電源，主電路框圖如圖2所示。

電源采樣電路將反應器的電壓、電流信號采集濾波以后輸入到DSP控制系統，由DSP控制系統對輸入的信號量與給定參考值進行比較，如果偏差絕對值較大則比例環節增益取較大值，反之取較小值，這樣有利于加快響應速度，同時保證有很好的穩定性；如果偏差絕對值較小則積分和微分環節增益取較大值，反之取較大值，這樣有利于保證穩態無靜差，加快對小偏差的反應速度提高控制器對干擾的靈敏度，又可以避免積分飽和引起的調節時間延長。DSP控制系統經產生的信號輸入到PWM驅動器，調節驅動器產生的PWM驅動脈沖控制交直流疊加電源的輸出電壓，這樣就實現了整個電源系統的閉環調節。

控制系統硬件組成

控制系統結構如圖3所示。處理器采用n公司的TMS320LF2402芯片，TI公司的C24X系列為16位定點處理器，運算速度為20～40MIPS，采用高性能的靜態CMOS技術，3．3V電壓供電，內核電壓為1．8V，片內程序空間集成Flash，可以將系統控制程序直接燒入DSP芯片內部而不用外擴Flash存儲芯片，減少系統的功耗和體積。內置2x8通道10位數據轉換(ADC)，轉換時間約為500ns。其片內還集成了脈寬調制(PWM)通道，不需要外擴A／D和D／A轉換芯片。而且高達30MIPS的執行速度提高了控制器的實時控制能力。用TMS320LF2402芯片實現數字PID控制系統結構如圖3所示。反應器的電流和電壓信號經傳感器采樣濾波后輸入到DSP芯片中，芯片對采樣信號進行PID算法后由芯片PWM口輸出控制信號，控制信號經濾波以后可以直接驅動SG3525電路，然后由SG3525輸出PWM波來驅動主電路上的IPM模塊。

鍵盤占用IOPA口，為了消除按鍵抖動干擾，軟件采用20ms延時程序。顯示電路占用IOPB口，顯示實時電壓和電流值。

P1D數學模型及程序流程

采用DSP數字信號處理器進行采樣時，只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，所以經離散化處理以后，以一系列采樣時刻點燈代表連續時間t，以和代替積分，增量代替微分。當采用周期取得足夠小時，這種逼進相當準

響應如圖5所示。

通過DSP控制系統對反應器的控制，電源的負載調節能力得到了提高，實驗證明基于DSP芯片的數字PID控制具有以下特點：

(1)系統參數整定更加簡單方便，硬件電路得到很大的簡化。

(2)系統穩態性能好，采用不完全微分的PID控制算法可以使穩態誤差大大減小，控制更加精確。

(3)系統動態性能好，對煙氣擾動反應迅速并且能在較短時間內重新達到穩定狀態。

(4)控制系統穩定性好，主電路為高頻高壓電路，對外界干擾較大，DSP控制系統和主電路隔離，避免了電磁干擾。

結語

數字PID控制在脫硫電源上的應用改善了原來控制系統實時性差的缺點，提高了控制系統的精度，既加快了系統的動態響應速度又增強了系統的穩態性能。實驗證明此控制方法達到了快速、精確控制的目的。