基于改进PID算法的通信电源监控系统设计

王洪涛，周红莲，曹 茜，廖孟柯，王 斌，胡志云

（国网新疆电力有限公司经济技术研究院 新疆 乌鲁木齐 830011）

1 引言

通信电源监控系统是通信系统的重要元素之一，通信电源监控的有效性，是整个通信系统有效运行的基本保证，通信电源监控系统在通信中发挥着巨大的作用，一旦其工作不正常，通信系统就有可能会发生故障，带来不良影响以及经济损失。因此，保证通信电源监控系统维稳运行成为人们所关注的焦点。由于传统的通信电源监控系统中，电源监控模块的启动电流与输出电压的不稳定以及监控数据的精准度的不足，导致通信电源监控系统性能不佳，为此，基于改进PID算法下，对其进行优化设计。

2 通信电源监控系统硬件设计

2.1 数据采集控制器及其控制电路设计

实现通信电源监控前，首先要进行数据采集及控制，主要是针对控制电路中的各器件的电压及其温度，也包括周边温度、环境湿度以及基准信号的数据进行收集和测量，对其进行实时监控，保证各数值在合理范围内。在硬件设计上为保证数据收集的精准，在电路中安装数据采集控制器。

图1 数据采集控制电路图

2.2 CAN通信接口电路设计

数据采集完成之后，需要通过通信接口电路来实现监控。在实现过程中一旦出现网络负载很重的情况，就很容易受到干扰，进而造成监控系统瘫痪。选择采用CAN总线来代替传统的通信总线进行通信，在CPU外部扩展CAN控制器SJA1203和CNA总线收发器PCA82A50实现本监控系统的通信硬件电路。图2为CAN通信接口电路设计。

图2 CAN通信接口电路设计

如图2所示，光藕的负载电阻，及其延迟时间具有以下关系：R102的变化范围为0.8 K-10.8 K，其中，下降沿的延迟通常不超过0.23 us，小于100 ns，而上升沿的延迟的变化通常在1.3 us左右（为23 mA），至此完成整个通信电源监控系统的硬件设计。

3 基于改进PID算法的通信电源监控系统软件设计

3.1 确定通信电源监控范围

在实现通信电源监控时，首先要确定其监控范围。考虑到确定监控范围时，会受到静差影响，因此利用改进后的PID算法进行积分，以此对静差进行消除处理，提高监控范围的精度。系统对积分项的要求是，偏差大时积分作用应减弱甚至全无，在偏差小时则应加强。通过对通信电源监控系统中的测量值，以及设定值的偏差大小，对PID算法中积分项的累加速度进行提高。

变速积分表达式为：

3.2 实现通信电源监控及告警处理

确定完通信电源监控范围后，开始实施监控，首先，给台垫回路加电，在MCU的控制下，信号经过CAN通信接口电路隔离放大之后运送给，再由MCU读取的数据信息，判断电阻是否在正常范围。最终通信电源实时监控系统在得出结果后，分别会对应电阻高、电阻正常、电阻低这三种结果。接下来将结果传送给执行机构，对这些数据进行检测并识别，通过网络再继续传递给PID，PID对获取到所有数据的分析和结果进行解析，解析成功后，如果其结果是安全状态，就继续将这些数据运输到数据库中去，进行记录，但如果一旦出现异常，就会将此信息传递到告警控制器，进行告警处理。在积分作用下告警控制器的输出会不断累加，达到积分饱和后，就容易出现告警信息失真，造成通信电源监控系统失效，在计算u（k）时，引入微分信号，即要先对上一时间段的告警控制量进行判断。

在告警控制中引入微分信号，虽然可以在一定程度上防止系统积分饱和，但也容易造成高频干扰。为解决此问题，将低通滤波器直接加在微分环节上。其表达式为：

4 实验检测

4.1 实验准备

为验证本次设计的通信电源监控系统的有效性，对其进行实验。通过搭建测试电路平台及软件校准，测试采样通道精度。实验选用双路输出（输出0～30 V）可调直流稳压电源、数字万用表、多功能校验仪及监控单元。测试分为实验组和两组对照组。实验组为本文设计的通信电源监控系统，对照组为传统的通信电源监控系统。实验对通信电源监控性能进行测试，包括通信电源动态特性测试，监控数据精准度测试。

4.2 通信电源监控稳定性测试

在电源监控系统工作时，需要保证启动监控电流与输出监控电压处于稳定状态。因此，对通信电源监控稳定性进行测试。此次试验中，通信电源监控系统的电源监控模块开关机无过冲，启动冲击电流值，不超过最大冲击电流有效值的1.2倍。

通过示波器，将开关机监控过冲幅度，及启动监控冲击电流波形展开后，实验组及对照组电源监控模块的的开机监控过冲幅度以及启动监控冲击电流波形如图3所示。

图3 开机过冲幅度及启动冲击电流波形

从图3可以看出，本文设计的系统中，电源监控模块的启动监控电流与输出监控电压基本无冲击，而传统设计的通信电源监控系统中，显然较不稳定。

4.3 监控数据精准度测试

通信电源监控系统稳定性测试完成后，为保证监控数据有效，对监控数据精准度进行测试。具体实验步骤如下。

第一步：将单个稳压电源的两路输出串联，第一台的输出调到36 V给监控单元供电，将第二台的输出作为被测信号接入监控单元电压采样输入端。将计算机的COM1口通过电缆与监控的RS212连接。

第二步：将第二台稳压电源电压源输出调节到32 V左右，使用万用表测量电压，通过COM1计算机口及后台调试软件启动该通道校准，并将实际测量作为基准下发给监控单元，监控单元将自动计算校准系数并保存。

第三步：调节稳压电源输出范围0～70 V，为排除偶然性，用万用表对实际输出电压值进行多次测量取平均值，并读取监控单元对应的测量值。

第四步：记录实验结果。经测量，实际电压值在37.50 V，本文设计系统的测量值为37.51 V，传统设计的系统的测量值分别为37.56 V和37.59 V，根据母排电压采集电路监控测试数据，母排电压采集电路工作正常，传统设计系统下，监控数据测试最大误差分别0.06 V、0.09 V，而在本文设计的系统下，监控数据测试最大误差为0.01 V，满足设计的需求。

5 结语

本文设计了一种基于改进PID算法的通信电源监控系统，在硬件设计中，采用了数据采集控制器并对其控制电路进行设计，以CAN总线代替传统的通信总线，完成通信电源接口设计，在软件设计中，利用改进后的PID算法进行积分，设计通信电源监控告警处理。为验证该设计的有效性，作出实验测试，结果表明本次设计的系统比传统设计的系统，在监控性能上，更具有优势。