【文章內(nèi)容簡介】 在許多領(lǐng)域里，人們需對溫度進(jìn)行測量和控制，長期以來，國內(nèi)外科技工作者對溫度控制器進(jìn)行了廣泛深入的研究，產(chǎn)生了大批溫度控制器，如：性能成熟、應(yīng)用廣泛的PID調(diào)節(jié)器、智能控制PID調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)控制等。 PID控制原理PID在溫度控制中已使用數(shù)十年，是一種成熟的技術(shù)，它具有結(jié)構(gòu)簡單，易于理解和實現(xiàn)，且一些高級控制都是以PID為基礎(chǔ)改進(jìn)的。在工業(yè)過程控制中，40%以上的控制系統(tǒng)回路具有PID結(jié)構(gòu)。在目前的溫度控制領(lǐng)域，應(yīng)用十分廣泛。PID調(diào)節(jié)器又稱為比例積分微分調(diào)節(jié)器，它具有比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)，可見，溫度PID調(diào)節(jié)器有三個可設(shè)定參數(shù)，即比例放大系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)。對一個控制系統(tǒng)而言，合理地設(shè)置這三個參數(shù)，可取得較好的控制效果。圖25 PID控制系統(tǒng)原理圖PID控制器各個部分的作用及其在控制中的調(diào)節(jié)規(guī)律如下：比例增益P比例增益 P就是用來設(shè)置差值信號的放大系數(shù)的。任何一種變頻器的參數(shù)P 都給出一個可設(shè)置的數(shù)值范圍，一般在初次調(diào)試時，P可按中間偏大值預(yù)置．或者暫時默認(rèn)出廠值，待設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時再按實際情況細(xì)調(diào)。比例增益部分用于保證控制量的輸出含有與系統(tǒng)偏差成線性關(guān)系的分量，能夠快速反應(yīng)系統(tǒng)輸出偏差的變化情況。由經(jīng)典控制理論可知，比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)的增大而減少，但比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分時間I如上所述．比例增益P越大，調(diào)節(jié)靈敏度越高，但由于傳動系統(tǒng)和控制電路都有慣性，調(diào)節(jié)結(jié)果達(dá)到最佳值時不能立即停止，導(dǎo)致超調(diào)，然后反過來調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩。為此引入積分環(huán)節(jié)I，其效果是，使經(jīng)過比例增益P放大后的差值信號在積分時間內(nèi)逐漸增大 (或減小) ，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時間I太長，又會當(dāng)反饋信號急劇變化時，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此，I的取值與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，積分時間應(yīng)短些；拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時，積分時間應(yīng)長些。微分時間D微分時間D是根據(jù)差值信號變化的速率，提前給出一個相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作，從而縮短了調(diào)節(jié)時間，克服因積分時間過長而使恢復(fù)滯后的缺陷。D的取值也與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，微分時間應(yīng)短些；反之，拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時，微分時間應(yīng)長些。由于微分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)傳遞函數(shù)中引入了一個零點(diǎn)，如果使用不當(dāng)會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。兩種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。 PID的反饋邏輯所謂反饋邏輯，是指被控物理量經(jīng)傳感器檢測到的反饋信號對變頻器輸出頻率的控制極性。例如中央空調(diào)系統(tǒng)中，用回水溫度控制調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率和水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。冬天制熱時，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度低，要求提高變頻器輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速，加大熱水的流量；而夏天制冷時，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度過低，可以降低變頻器的輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少冷水的流量。由上可見，同樣是溫度偏低，反饋信號減小，但要求變頻器的頻率變化方向卻是相反的。這就是引入反饋邏輯的原由。 P、I、D參數(shù)調(diào)整原則各參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運(yùn)行現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行如下細(xì)調(diào)：被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，首先加大積分時間I，如仍有振蕩，可適當(dāng)減小比例增益P。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù)，首先加大比例增益P，如果恢復(fù)仍較緩慢，可適當(dāng)減小積分時間I，還可加大微分時間D。 對空調(diào)系統(tǒng)的PID變頻控制在近幾年對中央空調(diào)系統(tǒng)的變頻控制中多采用PI或PID來實現(xiàn)出回水定溫差或定壓差的水泵頻率控制。對冷凍水控制通過檢測制冷主機(jī)蒸發(fā)器的進(jìn)水口處的回水溫度和出水口處的出水溫度，將其溫差與設(shè)定值比對，通過PLC的PID控制功能或PID控制器，調(diào)節(jié)冷凍泵變頻器的頻率值，最終使溫差值保持在設(shè)定值[14]。對冷凍水控制通過檢測制冷主機(jī)冷凝器的進(jìn)水口處的回水溫度和出水口處的出水溫度，通過PLC的PID控制功能，調(diào)節(jié)冷卻泵變頻器的頻率值，最終使溫度值保持在設(shè)定值附近。其比例積分系數(shù)憑經(jīng)驗設(shè)定。由前面的分析可知，系統(tǒng)的冷負(fù)荷隨著晝夜和季節(jié)的不同、大氣環(huán)境的變化有很大的差異，室溫等因素也會產(chǎn)生較大的影響。即使空調(diào)系統(tǒng)的水泵、風(fēng)機(jī)等以同樣轉(zhuǎn)速等情況運(yùn)行，其實際出回水溫差也變化很大。因此隨環(huán)境因素實時的修改設(shè)置參數(shù)，可更加節(jié)能，通過建立溫度查詢表并通過人機(jī)界面輸入到PLC存儲器中可實現(xiàn)自動控制。溫度設(shè)置如下表：表21 溫度值查詢表室溫19℃以下19℃~23℃23℃~26℃26℃以上設(shè)定值8765 PID控制器設(shè)計及實現(xiàn)西門子公司從S7200系列PLC中的CPU215，CPU216開始增加了用于閉環(huán)控制的PID指令。西門予公司的S7200系列的PLC都有配套的STEP7Micro/WIN32編程軟件，該軟件可以在PC機(jī)上運(yùn)行，為用戶開發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應(yīng)用程序提供了良好的編程環(huán)境。STEP7Micro/WIN32提供了PID指令向?qū)В笇?dǎo)使用者定義一個閉環(huán)控制過程的PID算法，該算法程序由編程軟件自動插入到主程序中。PID的組態(tài)設(shè)計包括以下內(nèi)容：(1)確定所要控制的PID指令編號(回路編號)：(2)選擇參數(shù)控制表存放的位置以及閉環(huán)控制的參數(shù)；(3)確定PID回路的輸入和輸出控制參數(shù)；(4)確定PID回路的報警選項以及報警參數(shù)；(5)指定用于計算的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域；(6)指定初始化子過程和中斷的名稱；(7)確認(rèn)設(shè)計的PID算法名稱。PID設(shè)置向?qū)н^程如圖29：圖26(a) PID向?qū)гO(shè)置過程圖26(b) PID向?qū)гO(shè)置過程 本章小結(jié)本章介紹了中央空調(diào)的結(jié)構(gòu)和原理，對變流量控制進(jìn)行了研究闡述了變頻調(diào)速原理，分別對比了軟啟動器和變頻器的優(yōu)缺點(diǎn)，最后對傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行了細(xì)致的研究和探討可行性及PID控制環(huán)節(jié)的實現(xiàn)。第3章 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計中央空調(diào)控制系統(tǒng)硬件有變頻器、PLC、溫度變送器、人機(jī)界面。實現(xiàn)功能如下：變頻器：為了調(diào)速，并降低啟動電流。PLC：PLC作為控制單元，是整個系統(tǒng)的控制核心，PLC 控制器通過溫度傳感器測量進(jìn)出水溫度，編入控制器內(nèi)存，最后來控制變頻器的頻率，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)水量，根據(jù)室內(nèi)的溫度高低，控制熱交換的速度，達(dá)到節(jié)能目的。溫度變送器：將溫度變量轉(zhuǎn)化為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號。主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。人機(jī)界面：系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，它實現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。凡參與人機(jī)信息交流的領(lǐng)域都存在著人機(jī)界面。 變頻器的原理主電路是給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓(電流)。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。 西門子MM440變頻器性能介紹MICROMASTER 440全新一代用于控制三相交流電動機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器。本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性。采用脈沖頻率可選的專用脈寬調(diào)制技術(shù)，可使電動機(jī)低噪聲運(yùn)行。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動機(jī)提供了良好的保護(hù)創(chuàng)新的BiCo(內(nèi)部功能互聯(lián))功能有無可比擬的靈活性[15]。其具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的可變速控制系統(tǒng)供電的理想變頻傳動裝置。由于MICROMASTER 440具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機(jī)控制系統(tǒng)。既可用于單獨(dú)傳動系統(tǒng)，也可集成到自動化系統(tǒng)中。變頻器適用于各種變速驅(qū)動裝置。由于它具有高度的靈活性因而可以在廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。它尤其適合用于吊車和起重系統(tǒng)、立體倉儲系統(tǒng)、食品、飲料和煙草工業(yè)以及包裝工業(yè)的定位系統(tǒng)。 主要特征易于安裝；易于調(diào)試；牢固的EMC設(shè)計；可由IT電源供電；對控制信號的響應(yīng)是快速和可重復(fù)的；參數(shù)設(shè)置的范圍很廣，確保它可對廣泛的應(yīng)用對象進(jìn)行配置；電纜連接簡便；具有多個繼電器輸出；具有多個模擬量輸出(0~20mA)；6 個帶隔離的數(shù)字輸入，并可切換可NPN/PNP 接線；2 個模擬輸入：1)ADC1：0~10V，0~20mA 和10 至+10V 2)ADC2：0~10V，0~20mA；2 個模擬輸入可以作為第7 和第8 個數(shù)字輸入；BICO 技術(shù)；模塊化設(shè)計，配置非常靈活；開關(guān)頻率高(傳動變頻器可到16kHz)，因而電動機(jī)運(yùn)行的噪音低；內(nèi)部RS485 接口(端口)；詳細(xì)的變頻器狀態(tài)信息和完整的信息功能。 控制性能的特點(diǎn)最新的IGBT技術(shù)；數(shù)字微處理器控制；高質(zhì)量的矢量控制系統(tǒng)；磁通電流控制(FCC)改善動態(tài)響應(yīng)，并且優(yōu)化電動機(jī)的控制；線性V/F特性；平方V/F特性；多點(diǎn)v/f特性(可編程V/F特性)；力矩控制；捕捉再起動；滑差補(bǔ)償；在電源中斷或故障跳閘以后，自動再起動；可以由用戶定義的自由功能塊，實現(xiàn)邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算的操作；動態(tài)緩沖；用于定位控制的減速斜坡函數(shù)曲線；高品質(zhì)的PID控制器(具有參數(shù)自整定功能)，可用于一般的過程控制；可編程的加速/減速斜坡函數(shù)，0秒至650秒；斜坡起始段和結(jié)束段的平滑功能；快速電流限制(FCL)功能，避免運(yùn)行中不應(yīng)有的跳閘；快速、可重復(fù)的數(shù)字輸入響應(yīng)時間；使用兩個高分辨率的10位二進(jìn)制模擬輸入，實現(xiàn)速度精調(diào)；復(fù)合制動，實現(xiàn)快速制動控制；4個跳轉(zhuǎn)頻率。 保護(hù)功能過壓/欠壓保護(hù)；變頻器過溫保護(hù)；使用PTC通過數(shù)字輸入實現(xiàn)電動機(jī)過熱保護(hù)；接地故障保護(hù)；短路保護(hù)；閉鎖電動機(jī)保護(hù)；防止電動機(jī)失速；參數(shù)聯(lián)鎖。 變頻器運(yùn)行的環(huán)境條件～40度，這個溫度比較適合變頻器正常運(yùn)行?！?5%，無凝露。不允許把變頻器安裝在有可能經(jīng)常受到振動的地方。，例如，安裝在存在灰塵、腐蝕性氣體等的環(huán)境中。例如，不要把變頻器安裝在水管的下面，因為水管的表面有可能結(jié)露。禁止把變頻器安裝在濕度過大和有可能出現(xiàn)凝露的地方。確認(rèn)變頻器的冷卻風(fēng)口處于正確的位置，不妨礙空氣的流通。 使用變頻器設(shè)計系統(tǒng)時需注意的問題1. 變頻器柜內(nèi)除本機(jī)專用的空氣開關(guān)外，不宜安置其它操作性開關(guān)電器，以免開關(guān)噪聲入侵變頻器，造成誤動作；2. 變頻器電源輸入側(cè)可采用容量適宜的空氣開關(guān)作為短路保護(hù)，但切記不可頻繁操作。由于變頻器內(nèi)部具有大電容，其放電過程較為緩慢，頻繁操作將造成過電壓而損壞內(nèi)部元件；3. 注意防止發(fā)生共振現(xiàn)象。由于定子電流中含有高次諧波成分，電機(jī)轉(zhuǎn)矩中含有脈動分量，有可能造成電機(jī)的振動與機(jī)械振動產(chǎn)生共振，使設(shè)備出現(xiàn)故障。應(yīng)預(yù)先找到負(fù)載固有的共振頻率后，利用變頻器頻率跳躍功能設(shè)置，躲開共振頻率點(diǎn)。為了控制電源，一般在變頻器電源進(jìn)線上串接一個超過變頻器額定電流兩倍以上的交流接觸器。但應(yīng)注意，除緊急情況外，接觸器的通斷只能在變頻器停止運(yùn)行的情況下才能進(jìn)行。 PLC選型 PLC簡介可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC控制功能的選擇該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、