【文章內容簡介】 器、智能控制PID調節(jié)器、自適應控制等。 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，它具有結構簡單，易于理解和實現(xiàn)，且一些高級控制都是以PID為基礎改進的。在工業(yè)過程控制中，40%以上的控制系統(tǒng)回路具有PID結構。在目前的溫度控制領域，應用十分廣泛。PID調節(jié)器又稱為比例積分微分調節(jié)器，它具有比例、積分、微分三種調節(jié)，可見，溫度PID調節(jié)器有三個可設定參數(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節(jié)規(guī)律如下：比例增益P比例增益 P就是用來設置差值信號的放大系數(shù)的。任何一種變頻器的參數(shù)P 都給出一個可設置的數(shù)值范圍，一般在初次調試時，P可按中間偏大值預置．或者暫時默認出廠值，待設備運轉時再按實際情況細調。比例增益部分用于保證控制量的輸出含有與系統(tǒng)偏差成線性關系的分量，能夠快速反應系統(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，調節(jié)結果達到最佳值時不能立即停止，導致超調，然后反過來調整，再次超調，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，又會當反饋信號急劇變化時，被控物理量難以迅速恢復。因此，I的取值與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，積分時間應短些；拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時，積分時間應長些。微分時間D微分時間D是根據(jù)差值信號變化的速率，提前給出一個相應的調節(jié)動作，從而縮短了調節(jié)時間，克服因積分時間過長而使恢復滯后的缺陷。D的取值也與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，微分時間應短些；反之，拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時，微分時間應長些。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，如果使用不當會使系統(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)設計的核心內容。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行調整和修改。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、反應曲線法和衰減法。兩種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，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)，都需要在實際運行中進行最后調整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預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。例如中央空調系統(tǒng)中，用回水溫度控制調節(jié)變頻器的輸出頻率和水泵電機的轉速。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轉速，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轉速，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)調整原則各參數(shù)的預置是相輔相成的，運行現(xiàn)場應根據(jù)實際情況進行如下細調：被控物理量在目標值附近振蕩，首先加大積分時間I，如仍有振蕩，可適當減小比例增益P。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復，首先加大比例增益P，如果恢復仍較緩慢，可適當減小積分時間I，還可加大微分時間D。 對空調系統(tǒng)的PID變頻控制在近幾年對中央空調系統(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蒸發(fā)器的進水口處的回水溫度和出水口處的出水溫度，將其溫差與設定值比對，通過PLC的PID控制功能或PID控制器，調節(jié)冷凍泵變頻器的頻率值，最終使溫差值保持在設定值[14]。對冷凍水控制通過檢測制冷主機冷凝器的進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，調節(jié)冷卻泵變頻器的頻率值，最終使溫度值保持在設定值附近。其比例積分系數(shù)憑經(jīng)驗設定。由前面的分析可知，系統(tǒng)的冷負荷隨著晝夜和季節(jié)的不同、大氣環(huán)境的變化有很大的差異，室溫等因素也會產生較大的影響。即使空調系統(tǒng)的水泵、風機等以同樣轉速等情況運行，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置參數(shù)，可更加節(jié)能，通過建立溫度查詢表并通過人機界面輸入到PLC存儲器中可實現(xiàn)自動控制。溫度設置如下表：表21 溫度值查詢表室溫19℃以下19℃~23℃23℃~26℃26℃以上設定值8765 PID控制器設計及實現(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機上運行，為用戶開發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應用程序提供了良好的編程環(huán)境。STEP7Micro/WIN32提供了PID指令向導，指導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)設計包括以下內容：(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)確認設計的PID算法名稱。PID設置向導過程如圖29：圖26(a) PID向導設置過程圖26(b) PID向導設置過程 本章小結本章介紹了中央空調的結構和原理，對變流量控制進行了研究闡述了變頻調速原理，分別對比了軟啟動器和變頻器的優(yōu)缺點，最后對傳統(tǒng)PID控制進行了細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 中央空調控制系統(tǒng)的硬件設計中央空調控制系統(tǒng)硬件有變頻器、PLC、溫度變送器、人機界面。實現(xiàn)功能如下：變頻器：為了調速，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出水溫度，編入控制器內存，最后來控制變頻器的頻率，以控制電機的轉速，調節(jié)水量，根據(jù)室內的溫度高低，控制熱交換的速度，達到節(jié)能目的。溫度變送器：將溫度變量轉化為可傳送的標準化輸出信號。主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。人機界面：系統(tǒng)和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現(xiàn)信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。凡參與人機信息交流的領域都存在著人機界面。 變頻器的原理主電路是給異步電動機提供調壓調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成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉。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個開關器件導通、關斷就可以得到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速度和轉矩的多功能標準變頻器。本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進技術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制技術，可使電動機低噪聲運行。全面而完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護創(chuàng)新的BiCo(內部功能互聯(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，在設置相關參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機控制系統(tǒng)。既可用于單獨傳動系統(tǒng)，也可集成到自動化系統(tǒng)中。變頻器適用于各種變速驅動裝置。由于它具有高度的靈活性因而可以在廣泛的領域得到應用。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；易于調試；牢固的EMC設計；可由IT電源供電；對控制信號的響應是快速和可重復的；參數(shù)設置的范圍很廣，確保它可對廣泛的應用對象進行配置；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；模塊化設計，配置非常靈活；開關頻率高(傳動變頻器可到16kHz)，因而電動機運行的噪音低；內部RS485 接口(端口)；詳細的變頻器狀態(tài)信息和完整的信息功能。 控制性能的特點最新的IGBT技術；數(shù)字微處理器控制；高質量的矢量控制系統(tǒng)；磁通電流控制(FCC)改善動態(tài)響應，并且優(yōu)化電動機的控制；線性V/F特性；平方V/F特性；多點v/f特性(可編程V/F特性)；力矩控制；捕捉再起動；滑差補償；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)邏輯運算和算術運算的操作；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；斜坡起始段和結束段的平滑功能；快速電流限制(FCL)功能，避免運行中不應有的跳閘；快速、可重復的數(shù)字輸入響應時間；使用兩個高分辨率的10位二進制模擬輸入，實現(xiàn)速度精調；復合制動，實現(xiàn)快速制動控制；4個跳轉頻率。 保護功能過壓/欠壓保護；變頻器過溫保護；使用PTC通過數(shù)字輸入實現(xiàn)電動機過熱保護；接地故障保護；短路保護；閉鎖電動機保護；防止電動機失速；參數(shù)聯(lián)鎖。 變頻器運行的環(huán)境條件～40度，這個溫度比較適合變頻器正常運行?！?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。確認變頻器的冷卻風口處于正確的位置，不妨礙空氣的流通。 使用變頻器設計系統(tǒng)時需注意的問題1. 變頻器柜內除本機專用的空氣開關外，不宜安置其它操作性開關電器，以免開關噪聲入侵變頻器，造成誤動作；2. 變頻器電源輸入側可采用容量適宜的空氣開關作為短路保護，但切記不可頻繁操作。由于變頻器內部具有大電容，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，電機轉矩中含有脈動分量，有可能造成電機的振動與機械振動產生共振，使設備出現(xiàn)故障。應預先找到負載固有的共振頻率后，利用變頻器頻率跳躍功能設置，躲開共振頻率點。為了控制電源，一般在變頻器電源進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。但應注意，除緊急情況外，接觸器的通斷只能在變頻器停止運行的情況下才能進行。 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，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術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械或生產過程。 PLC控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。運算功能簡單可編程邏輯控制器的