电镀电源控制算法的研究与仿真

电镀电源控制算法的研究与仿真[1];;;摘[1];;;要：[1];;;在直流电镀工艺需要电源输出电流调节范围宽、输出电流值稳定的背景下，针对PID参数整定困难，积分分离的增量式PID阈值选定困难，智能算法构造复杂、不易实现这几个问题，首先改良了PID算法，然后将最小二乘法应用在PID参数整定中，最后将改良的PID算法应用在电镀电源的控制中，实现了对系统的精致细密控制。改良的PID算法构造简单，参数易于整定，阈值易于选取，仿真结果表示清楚，改良的PID算法在电镀电源控制中获得了良好的效果。[1];;;[1];;;本文关键词语：[1];;;增量式PID；[1];;;PID参数整定；[1];;;最小二乘法；[1];;;电镀电源[1];;;[1];;;[1];;;TN05?34；[1];;;TP301.6[1];;;[1];;;A[1];;;[1];;;1004?373X〔2015〕15?0145?04[1];;;[1];;;Research[1];;;on[1];;;electroplating[1];;;power[1];;;supply[1];;;control[1];;;algorithm[1];;;and[1];;;its[1];;;simulation[1];;;applications[1];;;[1];;;GU[1];;;Rong，[1];;;WANG[1];;;Baozhong，[1];;;LIU[1];;;Lang[1];;;[1];;;〔School[1];;;of[1];;;Electronics[1];;;and[1];;;Information，[1];;;Jiangsu[1];;;University[1];;;of[1];;;Science[1];;;and[1];;;Technology，[1];;;Zhenjiang[1];;;212003，[1];;;China〕[1];;;[1];;;Abstract：[1];;;DC[1];;;electroplating[1];;;technique[1];;;needs[1];;;power[1];;;supply[1];;;output[1];;;wide[1];;;adjustment[1];;;range[1];;;current[1];;;and[1];;;stable[1];;;current[1];;;value.[1];;;Under[1];;;this[1];;;background，[1];;;the[1];;;PID[1];;;algorithm[1];;;is[1];;;improved[1];;;because[1];;;it[1];;;is[1];;;difficult[1];;;to[1];;;tune[1];;;PID[1];;;parameter，[1];;;hard[1];;;to[1];;;choose[1];;;integral[1];;;se?parated[1];;;incremental[1];;;PID[1];;;threshold，[1];;;and[1];;;intelligent[1];;;algorithm[1];;;has[1];;;complex[1];;;structure[1];;;and[1];;;is[1];;;difficult[1];;;to[1];;;implement.[1];;;Then[1];;;the[1];;;least[1];;;square[1];;;method[1];;;is[1];;;applied[1];;;in[1];;;PID[1];;;parameter[1];;;tuning.[1];;;Then[1];;;the[1];;;improved[1];;;PID[1];;;algorithm[1];;;is[1];;;applied[1];;;in[1];;;electroplating[1];;;power[1];;;control，[1];;;and[1];;;the[1];;;precise[1];;;control[1];;;to[1];;;the[1];;;system[1];;;is[1];;;achieved.[1];;;The[1];;;improved[1];;;PID[1];;;algorithm[1];;;has[1];;;the[1];;;advantages[1];;;of[1];;;simple[1];;;structure，[1];;;easy[1];;;to[1];;;tuning，[1];;;liable[1];;;to[1];;;select[1];;;the[1];;;threshold.[1];;;The[1];;;simulation[1];;;results[1];;;show[1];;;that[1];;;the[1];;;improved[1];;;PID[1];;;algorithm[1];;;has[1];;;achieved[1];;;good[1];;;results[1];;;in[1];;;electroplating[1];;;power[1];;;supply[1];;;control.[1];;;[1];;;Keywords：[1];;;incremental[1];;;PID；[1];;;PID[1];;;parameter[1];;;tuning；[1];;;least[1];;;square[1];;;method；[1];;;electroplating[1];;;power[1];;;supply[1];;;[1];;;0[1];;;引[1];;;言[1];;;[1];;;影响电镀质量的因素包含：阳极材料的质量、电镀液的成分、温度、通电时间、搅拌强度、析出的杂质、电流参数等[1]，其中电源是电镀最重要的设备。不同的电镀工艺对电源的要求是不一样的，如镀铜，采取脉动直流电能提升镀层光亮度；相反，对于镀铬，就只能用直流电能力得到良好的镀层，假如有沟通成份，铬镀层的亮度会降低，以至发白，发雾，变灰，直流中所含的沟通成份越大，这种现象就越严重。除用得很少的铝件沟通氧化直接用可调低压沟通电外，其他基本上都采取直流电源。任何镀液都有一个获得良好镀层的电流密度范围，获得良好镀层的最大电流密度称为电流密度上限，获得良好镀层的最小电流密度称为电流密度下限，这就要求电源的输出电流从开机开始迅速到达设定值并坚持稳定，纹波系数小。使用符合要求的直流电源是精致细密电镀的基本要求。据此，对电镀电源的控制算法进行研究，以使电源响应速度快、纹波系数低、电流调节范围宽、稳定可靠。电镀电源的目的输出电流波形如此图1所示。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;图1[1];;;目的电流波形[1];;;[1];;;1[1];;;系统仿真模型[1];;;[1];;;利用Matlab/Simulink建立仿真模型如此图2所示。[1];;;[1];;;1.1[1];;;控制算法[1];;;[1];;;PID控制器是当前应用最为广泛的一种控制器，它利用受控系统的输入输出数据来设计，构造简单，使用方便[2]，因而本文拟采取PID算法控制电镀电源。PID算法原理框图如此图3所示。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;图2[1];;;电镀电源Matlab仿真模型[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;图3[1];;;PID控制系统原理框图[1];;;[1];;;增量式PID算法是对PID算法公式进行变换得到的，由于增量式PID算法具有计算量小，易于实现的优点，所以首先采取增量式PID算法。[1];;;[1];;;1.2[1];;;增量式PID算法[1];;;[1];;;增量式PID算法中控制器的输出是系统控制量的增量[[1];;;uk。]当系统的履行机构所需的不是控制量自己，而是控制量的增量时，应该使用增量式PID算法对系统进行控制。增量式PID的控制规律如下：[[1];;;uk=kp[e〔k〕-e〔k-1〕]+kie〔k〕+kd[e〔k〕-2e〔k-1〕+e〔k-2〕]][1];;;〔1〕[1];;;[1];;;将增量式PID应用到系统中，设定值为4[1];;;000，得出仿真图如此图4所示。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;图4[1];;;增量式PID调节图[1];;;[1];;;PID算法中的积分环节重要作用是消除静差，但假如积分作用参与了系统调节的整个经过，由于起始阶段系统偏差较大，很容易造成积分饱和，导致PID公式的运算结果跨越履行机构的最大控制量，使系统输出量存在较大的超调，以至引起大的振荡[3]，如此图4所示。这样的电源存在诸如响应不够快、超调、稳定性不够好等问题，这样的电源应用在电镀生产中势必会影响产品质量。为改善超调和振荡问题，将积分作用从PID算法中分离出来，即改为采取增量式积分分离PID算法。[1];;;[1];;;1.3[1];;;增量式积分分离PID控制算法[1];;;[1];;;积分分离的详细做法是：当系统的输出误差较大时，积分作用不参与调节；当系统的输出误差较小时，参加积分控制来消除静差。其详细实现步骤如下[4]：[1];;;[1];;;〔1〕[1];;;根据实际情况，人为设定阈值[ε[1];;;0]；[1];;;[1];;;〔2〕[1];;;当[error〔k〕[1];;;ε]时，采取PD控制；[1];;;[1];;;〔3〕[1];;;当[error〔k〕[1];;;ε]时，采取PID控制。[1];;;[1];;;增量式积分分离控制算法可表示为：[1];;;[1];;;[[1];;;uk=kp[e〔k〕-e〔k-1〕]+[1];;;kie〔k〕+kd[e〔k〕-2e〔k-1〕+e〔k-2〕]][1];;;[1];;;〔2〕[1];;;[1];;;[1];;;其中[[1];;;]为积分项的开关系数。[1];;;[1];;;[[1];;;=1，error〔k〕[1];;;ε0，error〔k〕[1];;;ε][1];;;〔3〕[1];;;[1];;;将增量式积分分离PID算法应用到系统中，仿真得到如此图5，图6所示波形，这两幅图为阈值分别是300和100，给定值分别为4[1];;;000和600时系统的输出电流波形。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;图5[1];;;给定值为4[1];;;000时输出电流波形[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;图6[1];;;给定值为600时输出电流波形[1];;;[1];;;由仿真图可知，增量式积分分离PID控制算法一定水平上解决了增量式PID算法中的超调和振荡问题，如此图5中阈值为300时的情形，但是由于电镀电源输出电流大，调节范围宽，阈值设定就成了一个比较棘手的问题，对于小的设定值，阈值过大，达不到积分分离的目的，如此图6所示，阈值为300时系统存在超调；对于大的设定值，阈值设定过小，系统可能进不了积分作用区间，会出现较大的残差，如此图5所示，阈值为100时系统存在较大的静差，大约为200。仿真结果表示清楚，对于调节范围宽的电镀电源系统，增量式积分分离PID控制算法不能兼顾各设定值下的系统输出电流波形。为了解决系统由于阈值选择欠妥而出现的超调或静差问题，拟改良增量式积分分离PID控制算法。[1];;;[1];;;1.4[1];;;改良的增量式积分分离PID算法[1];;;[1];;;即便是对于同一个系统，不同的输出值所允许的误差绝对值都是不一样的，系统通常会规定一个允许的误差百分比，即要求误差和设定值的比值在允许的范围内，据此，本文将系统给定值[r]引入算法，利用误差[error〔k〕]和给定值[r]的比值作为开关系数的判定条件，将误差和给定值的比值叫做误差百分比，改良的增量式积分分离PID算法详细实现步骤如下：[1];;;[1];;;〔1〕[1];;;根据系统允许的误差百分比设定阈值[ε[1];;;0]；[1];;;[1];;;〔2〕[1];;;当[error〔k〕r[1];;;ε]时，采取PD控制；[1];;;[1];;;〔3〕[1];;;当[error〔k〕r[1];;;ε]时，采取PID控制。[1];;;[1];;;改良的积分分离PID控制算法公式和增量式积分分离PID算法的公式无异，不同点在于开关系数的判定条件变为：[1];;;[1];;;[[1];;;=1，error〔k