【導讀】PID變頻恒溫系統(tǒng)由PID變頻器、風機組、加熱裝置、溫度傳感器、信號采集轉換電路等構成。電機的轉速來改變供氣量，最終保持系統(tǒng)的溫度恒定。恒溫控制的意義··········································································1. 變頻恒溫系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀······················································2. 2PID變頻恒溫系統(tǒng)的總體方案設計····················································4. 3電機調速模塊的分析··········································&#1

　　

【正文】 U＋－ COM 之間的＋ 基準電壓源進行分壓后，可提供所需 UREF 值，亦可選外基準。 CREF＋、 CREF－是外接基準電容端。 IN＋、 IN－為模擬電壓的正、負輸入端。 CAZ 端接自動調零電容。 BUF 是緩沖放大器輸出端，接積分電阻 RINT。 INT 為積分器輸出端，按積分電容 CINT。需要說明， ICL7106 的數字地（ GND）并未引出，但可將測 試端（ TEST）視為數字地，該端電位近似等于電源電壓的一半。 芯片 ICL710 的實物圖如圖 54 所示。 圖 5－ 4 芯片 ICL7107的和實物圖 28 6 PID 功能 簡介 及 系統(tǒng)的 設置 與 調試 PID 控制器的組成及作用 當今的自動控制技術都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節(jié)控制系統(tǒng)的響應。這個理論和應用自動控制的關鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。 PID（比例 積分 微分）控制器作為最早實用化的控制器 已有 50 多年歷史，現(xiàn)在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。 PID控制器簡單易懂，使 用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器， PID 控制器由比例單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元（ D）組成，其中： 比例（ P）調節(jié)作用：是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調節(jié)立即產生調節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 積分（ I）調節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節(jié)就進 行，直至無差，積分調節(jié)停止，積分調節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數 Ti， Ti越小，積分作用就越強。反之 Ti大則積分作用弱，加入積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。積分作用常與另兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成PI 調節(jié)器或 PID 調節(jié)器。 微分（ D）調節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調，減少調節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大 作用，因此過強的加微分調節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節(jié)規(guī)律相結合，組成 PD 或 PID控制器。 使用中只需設定三個參數（ Kp， Ki 和 Kd）即可， 在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。 29 PID 基本構成及功能概述 （ 1） PID控制基本構成 如圖 61所示。 圖 61 PID控制基本構成 (2) PID動作概要 ① PI動作 ： 由于 PI動作由比例動作（ P）和積分動作（ I）組合而成，因此可以得到符合偏差大小及時間變化的操作量。 測量值階跌變化時的動作示例 如圖 62所示 。 圖 62 測量值階跌變化時的動作示例圖 30 ② PD動作：由于 PD動作是由比例動作（ P）和微分動作（ D）組合而成，因此會以與偏差的速度相符的操作量進行動作 ，以改善過渡特性。測量值按比例變化時的動作示例如下圖 63所示 。 圖 63 測量值按比例變化時的動作示例 ③ PID動作：由于 PID動作是由 PI動作和 PD動作組合而成， 即就是 P和 I及 D動作的合成動作 ， 因而可以實現(xiàn)集各項動作之長的控制。 PID動作合成示意圖如圖 64所示。 圖 64 PID動作合成示意圖 31 ④負作用：當偏差 X＝ （目標值－測量值）為正時，增加操作量（輸出頻率），如果偏差為負，則減小操作量。 空調里制暖時的反饋信號與目標信號負作用原理如圖65所示。 圖 65 空調制暖時的反饋信號與目標信號負作用原理 ⑤正作用：當偏差 X＝ （目標值－測量值）為負時，增加操作量（輸出頻率），如果偏差為正，則減小操作量。 空調里制冷時的反饋信號與目標信號正作用原理如圖55（ a）所示，偏差與操作量（輸出頻率）之間的關系如圖 65（ b） 所示。 圖 65（ a） 空調制冷時的反饋信號與目標信號正作用原理 圖 65（ b） 偏差與操作量之間的關系 32 6． 3 本 系統(tǒng) 設計 的 參數設置介紹 在 PID 控制中，參數設置是最重要的一步，如果參數設置不對， PID 控制是控制不起來的，這些參數有常規(guī)的參數和 PID 專用的功能參數，兩部分參數需綜合設置才能實現(xiàn)此 PID 的功能。表 62 列出了本次設計的相關參數的設置。除此以外的其他參數都直接選用變頻器的默認值。 表 62 PID恒溫控制的參數設置 參數號 參數名稱 設定范圍 設定值 設定理由 Pr1 上限頻率 0～ 120Hz 50HZ 輸出頻率的上限值，限制電機的速度上限。 Pr2 下限頻率 0～ 120Hz 0 HZ 輸出頻率的下限值，使電機的速度最低可以達到停機。 Pr7 加速時間 0～ 360S 5S 電機加速時間 ,根據變頻器容量不同而不同 , 5S Pr8 減速時間 0～ 360S 5S 電機加速時間 ,根據變頻器容量不同而不同 ,5S Pr9 電子過電流保護 0～ 500A 0 電機使用外部熱繼電器時，為了不使電子過電流工作， 設定為“ 0”。（但是變頻器的輸出晶體管 的保護功能（ ）工作。） Pr14 適用負載選擇 0～ 3 1 風機類負載應該屬于低轉矩負載，所以選擇 1 Pr73 模擬量輸入選擇 0/1/10/11 1 端子 2輸入， 0～ 5V無極性 Pr77 參數寫入選擇 0～ 2 0 僅限于停止時可以寫入，防止在運行狀態(tài)下誤寫入參數 Pr78 反轉防止選擇 0～ 2 1 不可反轉，因為鼓風機只有正轉才能正常鼓風 Pr79 運行模式選擇 0～ 7 4 外部／ PU組合運行模式 2，由面板啟動，外部調節(jié)運行。 Pr83 電機額定電壓選擇 0～ 1000V 380V 鼓風機電機額定電壓（ V） Pr128 PID動作選擇 0/20/21/40～43/50/51/60/61 21 選擇 PID正作用， 測量值輸入（端子 4）目標值由（端子 2或 ） 33 Pr129 PID比例帶 ～ 1000%/9999 100% 比例帶狹窄（參數的設定值?。r，測量值的微小變化可以帶來大的操作量變化隨比例帶的變小，響應靈敏度（增益）會變得更好，但可能會引起振動等、降低穩(wěn)定性增益 Kp＝ 1／比例帶 Pr130 PID積分時間 ～ 3600s/9999 2s 在偏差步進輸入時，僅在積 分（ I）動作中得到與比例（ P）動作相同的操作量所需要的時間（ Ti）隨著積分時間變小，到達目標值的速度會加快，但是容易發(fā)生振動現(xiàn)象 Pr131 PID上限 0～ 100%/9999 100% 上限值 :反饋量超過設定值的情況下輸出 FUP信號測量值（端子4）的最大輸入（ 20mA/5V/10V）相當于 100% Pr132 PID下限 0～ 100%/9999 10% 下限值 :測定值低于設定值范圍的情況下輸出 FDN信號測量值（端子 4）的最大輸入（ 20mA/5V/10V）相當于 100% Pr133 PID動作目標值 0～ 100%/9999 9999 PID控制，端子 2輸入電壓為目標值 Pr134 PID微分時間 ～ ，僅得到比例動作（ P）的操作量所需要的時間（ Td）隨微分時間的增大，對偏差變化的反應也越大 Pr183 MRS端子功能選擇 0～ 5/7/8/10/12/14～16/18/24/25/62/65～67/9999 14 PID控制有效端子 ,用以啟動PID控制 Pr267 端子 4輸入選擇 0～ 2 0 選擇端子 4輸入電流 4～ 20mA，即外部檢測信號輸入端 34 PID 恒溫 控制 系統(tǒng) 接線圖 如 圖 51是 PID恒溫控制的接線圖，變頻器主電路部分，電源輸入端 R/S/T接的是交流 380V電壓，輸出端 U/V/W接熱風機電機?？刂齐娐氛D端子 STF接正傳啟動開關，反轉端子 STR沒有接開關， PID控制選擇用不常用的 MRS端子，在 MRS端子與 SD之間接一個開關，用以控制 PID的啟動與停止。端子 10/2/5各端按下圖所示接一個電位器，用以設定目標值，端子 4是 4～ 20mA電流輸入端，實物接線參考下圖 61即可。 圖 61 PID恒溫 控制接線圖 35 系統(tǒng)的調試 本次設計的實物圖 如 圖 61所示 ， 首先 合上右上角左邊的交流接觸器，給 變頻器通 380V交流 電源 ，然后按上節(jié)所說的參數進行設計，設置好參數后，在合上右上角右邊的交流接觸器，給控制電路提供電源 。 按下啟動按鈕，同時給線路板和熱電爐上點，當線路板顯示溫度上升到 50℃左右時，按下變頻器面板上的 RUN按鈕，然后再調節(jié)電位器，設置好目標頻率，再把開關合上，以啟動 PID自動控制系統(tǒng) ， PID啟動完成。 啟動完成后，進入自動監(jiān)視控制，只需要目 測顯示部分，能夠在某個溫度上下波動就實現(xiàn)了恒溫控制，然后在調節(jié)一下電位器，使目標值改變，再重新達到另一個恒定溫度，這樣重復幾次后，調試就算完成了。 停止過程 沒有特別要求，但最好是首先斷開 PID啟動開關，然后按下停止按鈕，斷開電子線路和熱電爐的電源，待箱內溫度下降到常溫后，再按下變頻器的停止按鈕PU/EXT，最后斷開兩個交流接觸器，拔掉電源插頭。 圖 61 PID恒溫控制系統(tǒng)實物圖 36 結 論 經過兩個月的 畢業(yè)設計 ，基本上完成了 PID恒溫控制的課題， 本課題完全實現(xiàn)了溫度顯示和恒溫控制，經過檢驗 ，控制顯示的溫度，與實際的溫度差在 5度范圍內變化不定，雖說誤差比較大，但能夠控制到這個水平已經是不錯了。這次設計的不足之處在于不能實現(xiàn)任意溫度的控溫，由于當初我們的設計思路是鼓風機鼓熱風，同時熱風的溫度會隨風量的增加而加大，但在購買材料時，發(fā)現(xiàn)熱風機太過昂貴，老師要我們這個課題 購買材料 不能超過 400元 。了解了一下，就是買一個三相異步電動控制的熱風機就要超過 400元，而且是他自己改裝的成的。 后來沒有辦法了，課題又是報上去的了，必須的做下去，跟林老師討論了一下，后來我們 決定，在箱子中加熱，鼓冷風進去，讓風把箱中 溫度排出去，這樣應該可以實現(xiàn)恒溫的。 確定好這種方案后，我就開始忙采集材料了，采集材料也不容易?。〗涍^好幾番折騰才買好主要的材料，從材料買好后，林老師幾乎沒有給我做過任何指導，全是我一個人自己設計實物，在哪里邊想邊做， 雖說 我們 是兩個人 做 一個課題， 但 她是一個女生， 剛開始兩天跟我一起在做，我看她 這樣的苦力 幾乎是 難以承受的 ， 后來做實物的過程中我也就沒有叫她幫忙了。經過好幾天的精心設計，實物終于安裝好了。裝好前，林老師就沒有去看過我做實物，裝好后我叫他去看我實物時，他還有點不在乎的感覺，但看到我設計的實物后，他非常 的滿意，后來還主動說要去幫著我把它調試成功。 在調試中，我們出現(xiàn)很多的困難，因為對 PID參數并不是很了解，老師說他也沒有調試過，一起研究了幾天才把 PID控制起來。 PID雖然控制起來了，但恒溫控制卻實現(xiàn)不了，好幾個老師都要我改變方案，把它改裝過。我想，我一個人要按他們的改裝至少要兩周才可能完成，而畢業(yè)設計到此剛好才兩周了，討論到時間關系，我沒有按他們的做，自己琢磨了好幾天，后來以難為難，拿起電鉆把排氣孔這邊孔給加大，同時鉆了很多小的排氣孔，沒想到這樣一弄后在調試，恒溫 可以 實現(xiàn)了 ，也算是成功了。 經過兩個月的畢 業(yè)設計，我學到了很多，其中最主要的是，認識到了要自己動手設計制作一個項目真的是非常困難的，而且必須要有恒心、要能動手，只有這樣才可能做出一個項目。 37 致 謝 在此次畢業(yè)設計中，我 衷心 的 感謝我的指導老師 林向華老師，是他讓我有這樣的一次實物制作機會，在這次實物制作中，我學到的遠比在課堂上學到的要多。在這次做畢業(yè)設計的過程中得到了林老師的 悉心指導 和精心幫助才順利完成，他一天既要上課，又要來為我們指導畢業(yè)設計。有時候出現(xiàn)什么問題后，他還要陪我們學生在哪里一直做，連飯都顧不上去吃，他的這種精神和 務實的工作作 風都深深地影響著我，并將成為我以后學習和工作的榜 樣。在此謹向林老 師表示最衷心的感謝 。 在這兩個月的畢業(yè)設計的過程中，我還得到了很多同學的大力幫助，我們一起學習，一起探討問題、解決問題。當我遇到困難時，他們給了我許多好的建議和無私的幫助。在此，對所有給予我?guī)椭耐瑢W表示衷心的感謝。 最后我感謝我們的學校 和 曾經 為我們上過課的所有老師以及身邊的同學朋友， 在大學 這三年里，是你們陪我度過 這么多美好的時光，在你們身上我學到了很多，也感受到了很多，在以后的社會生活中我會更加努力，把自己塑造成一個有用的人。 38 參 考 文 獻 1 李良仁 ． 變頻調速技術與應用． 2版．北京：電子工業(yè)出版社， 2 周良權，傅恩錫，李世馨．模擬電子基礎． 3版， 北京： 高等教育出版社， 3 徐虎，吳加國．電機應用技術．北京：機械工程出版社， 4 彭軍．運算放大器及其應用．北京：科教出版社， 2021 5 張萱 ， 聞建靜 ， 樓建明 ． 鉑電阻測溫非線性校正方案 ． 南昌大學學報 , 2021, 25 6 沙占友， 沙占為 ． 數字萬用表的原理、使用與維修 ． 電子工業(yè)出版社 1988 7 三菱公司 ． FRE700使用手冊（ 基礎 篇） ． 初版印刷 , 8 三菱公司 ． FRE700使用手冊（應用篇） ． 初版印刷 , 39 附錄 A Pt1000分度表 40 41 42