数字PID在脱硫电源中的应用

摘 要：在基于流光放电的烟气脱硫技术中，电源控制系统的设计一直是个难点，本文提出一种基于DSP芯片的数字PID技术在脱硫直流电源中的应用设计方案。控制系统采用DSP芯片提高了系统的控制精度和处理速度，采用改进的数字PID的控制算法改善了系统对干扰的响应速度，增强了对干扰的实时处理能力。最后给出仿真及实验结论。关键词：烟气脱硫；开关电源；数字PID；DSP

引言

随着我国经济的发展，在能源消费中带来的环境污染也越来越严重。其中大气烟尘、酸雨、温室效应和臭氧层的破坏已成为危害人类生存的四大杀手。燃煤烟气所含的烟尘、二氧化硫、氮氧化物等有害物质是造成大气污染、酸雨和温室效应的主要根源。我国煤炭储量丰富，每年的产量超过10亿吨。燃煤取得的能量达到能源总量的75％以，上，而且这种能源结构在最近几年不会改变。与此同时燃煤烟气中排放的二氧化硫和氮氧化物占全国总排放量的90％。因此在我国对燃煤烟气进行脱硫脱硝是刻不容缓的任务。

近年来，利用交直流叠加电源实现流光放电烟气脱硫技术的研究取得了很大的发展，能耗低，最终生成物可以再利用是这种技术的主要优点。脱硫电源的设计一直是一个难题，交直流叠加电源所带负载为流光放电反应器，工作时希望直流电源可以稳定在正常流光放电的电压点上同时叠加交流增强流光放电。但由于烟气工况经常发生波动，所以工作点要能够根据负载的变化实时改变。传统控制装置控制不够精确且实时性不好容易造成频繁打火或不能工作在最好的流光放电工作点，造成反应器损坏及效率降低。这里的数字PID技术利用计算机软件编程实现PID算法，使直流电压稳定在流光放电工作点，具有更大的灵活性、可靠性、实时性和更好的控制效果。

系统原理

系统原理图如图1所示。主电路采用高频电能变换技术，将380V三相工频交流电经过三相全控整流电路，通过LC滤波电路变为可调直流，然后通过高频桥式逆变变为高频交流再通过高频变压器产生高频高压交流；高压直流电源由高频交流经过高压硅堆整流得到。交流电源电路采用串联谐振的工作方式，如果直接利用变压器直接升压达到流光放电所需要的电压，这样变压器的匝比将会很高。对交流电源来讲至少是谐振升压时的10倍以上，当副边反应器放电出现短路时，原边电路的电流将会很大，很容易对开关管造成破坏，电路的可靠性将会大大降低。串联谐振电感同时还可以在负载短路时，起到限制原边短路电流大小的功能，可以大大提高电路工作的可靠性。交流电源和直流电源分别经过隔直耦合电容和隔交滤波电感进行叠加组成交直流叠加电源，主电路框图如图2所示。

电源采样电路将反应器的电压、电流信号采集滤波以后输入到DSP控制系统，由DSP控制系统对输入的信号量与给定参考值进行比较，如果偏差绝对值较大则比例环节增益取较大值，反之取较小值，这样有利于加快响应速度，同时保证有很好的稳定性；如果偏差绝对值较小则积分和微分环节增益取较大值，反之取较大值，这样有利于保证稳态无静差，加快对小偏差的反应速度提高控制器对干扰的灵敏度，又可以避免积分饱和引起的调节时间延长。DSP控制系统经产生的信号输入到PWM驱动器，调节驱动器产生的PWM驱动脉冲控制交直流叠加电源的输出电压，这样就实现了整个电源系统的闭环调节。

控制系统硬件组成

控制系统结构如图3所示。处理器采用n公司的TMS320LF2402芯片，TI公司的C24X系列为16位定点处理器，运算速度为20～40MIPS，采用高性能的静态CMOS技术，3．3V电压供电，内核电压为1．8V，片内程序空间集成Flash，可以将系统控制程序直接烧入DSP芯片内部而不用外扩Flash存储芯片，减少系统的功耗和体积。内置2x8通道10位数据转换(ADC)，转换时间约为500ns。其片内还集成了脉宽调制(PWM)通道，不需要外扩A／D和D／A转换芯片。而且高达30MIPS的执行速度提高了控制器的实时控制能力。用TMS320LF2402芯片实现数字PID控制系统结构如图3所示。反应器的电流和电压信号经传感器采样滤波后输入到DSP芯片中，芯片对采样信号进行PID算法后由芯片PWM口输出控制信号，控制信号经滤波以后可以直接驱动SG3525电路，然后由SG3525输出PWM波来驱动主电路上的IPM模块。

键盘占用IOPA口，为了消除按键抖动干扰，软件采用20ms延时程序。显示电路占用IOPB口，显示实时电压和电流值。

P1D数学模型及程序流程

采用DSP数字信号处理器进行采样时，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，所以经离散化处理以后，以一系列采样时刻点灯代表连续时间t，以和代替积分，增量代替微分。当采用周期取得足够小时，这种逼进相当准

响应如图5所示。

通过DSP控制系统对反应器的控制，电源的负载调节能力得到了提高，实验证明基于DSP芯片的数字PID控制具有以下特点：

(1)系统参数整定更加简单方便，硬件电路得到很大的简化。

(2)系统稳态性能好，采用不完全微分的PID控制算法可以使稳态误差大大减小，控制更加精确。

(3)系统动态性能好，对烟气扰动反应迅速并且能在较短时间内重新达到稳定状态。

(4)控制系统稳定性好，主电路为高频高压电路，对外界干扰较大，DSP控制系统和主电路隔离，避免了电磁干扰。

结语

数字PID控制在脱硫电源上的应用改善了原来控制系统实时性差的缺点，提高了控制系统的精度，既加快了系统的动态响应速度又增强了系统的稳态性能。实验证明此控制方法达到了快速、精确控制的目的。