恒压供水PID自控系统设计

　　摘 要 ： 本文通过研究恒压供水PID自控系统，分析反馈理论的三个要素：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定。
　　关键词： 恒压供水 PID 自控系统 设计
　　
　　一、恒压供水PID的工作原理
　　一个好的过程控制系统必须有一个好的调节器，最常用的基于自动控制理论的就是PID调节器。PID调节器的作用如下图1所示。
　　Kp：比例常数；T：积分时间；S：拉氏算子;Td：微分时间
　　图1中的PID调节器的数学表达式，实质上是对△U进行P、I、D运算调节的传递函数，即为Kp（1++TS），Kp、Ti、Td选择要恰当。首先系统要保证稳定，△U有一个稳定值；其次要求精度高，Uf逼近Ug，误差△U小；最后是快速性问题，当有扰动时，Uf很快逼近Ug，稳定性、精度、快速性是过程控制系统的主要指标。
　　PID运算的结果Uk去控制变频器的频率/电压，Uk称为控制量。变频器输出的频率/电压正是P、I、D运算的结果，称为执行量。
　　1.比例运算——P运算（如图2）
　　就是对误差△U进行放大（缩小），称为比例运算。
　　2.积分运算——Ⅰ运算（如图3）
　　就是对误差△U进行积分运算，拉氏变换后的积分运算为，T为积分常数，T大，积分结果上升速度慢，图3为积分曲线，曲线的斜率为。
　　3.微分运算——D运算，如图4。
　　微分运算是指对误差信号进行微分，如果图4误差为常数的条件下共微分为0，假如误差为直线，则D运算结果为常数。
　　在过程控制系统最常的调节器是PI调节（比例+积分调节），一般系统都能满足要求，为进一步改善动态性能，再加微分调节，加微分调节易引起系统振荡（输出不稳定）调试较为麻烦，故在实际应用中多只采用PI调节。
　　二、PID控制的负作用与正作用
　　1.负作用
　　偏差量加大时，要求执行量加大来缩小偏差，称为PID负作用。
　　供水的压力控制（控制水泵）加热的温度控制（控制加热器），都需要负作用PID来控制，以恒压供水系统为例。
　　当供水系统供的水量增大（水泵出水增大），则管网压力下降，即反馈压力下降，此时误差△U=给定压力-反馈压力△U↑，则要求执行量加大，使电机加速，加大水泵供水能力来缩小误差。
　　2.正作用
　　偏差量加大时，要求减小执行量来缩小偏差，称为PID正作用，中央空调冷水系统就是一个例子，当室内温度（反馈值）偏低（给定值-反馈值）加大，则可以向调节目标少送冷水，使调节目标（室内）的温度上升，这就是说，当误差加大后，Uk使执行量（f/U）减小，以减小冷水供应量来提高室内温度与给定值相适应。
　　同是水泵供水，用相反的两种调节器，可以得到不同的调节效果。
　　三、PID的相关参数
　　Pr.128“PID动作选择”（负、正作用选择）
　　Pr.129“PID比例常数”调节范围为0.1—1000%，其倒数为Kp。
　　Pr.130“PID积分时间”
　　Pr.131“上限”
　　Pr.132“下限”
　　Pr.133“PU操作时的PID目标设定值”
　　Pr.134“PID微分时间”
　　Pr.73“0—5V/0—10V选择”
　　Pr.79“操作方式选择”
　　Pr.180—Pr.186（输入端子分配）
　　Pr.191—Pr.194（输出端子分配）
　　由电压输入信号或Pr.133的设定值作为设定点和4—20mA电流输入信号作为反馈量组成PID控制的反馈系统。
　　四、PID的参数设置
　　对输入输出端子作以下设置：
　　Pr.183=14（RT=14）
　　Pr.192=16（FU）
　　Pr.193=14（OL）
　　Pr.194=15（IPF）
　　<设定值输入校正>
　　1.在端子2—5间输入电压（例如：0V），使设定值的设定为0%。
　　2.用Pr.902校正，此时，输入的频率将作为偏差值=0%（例如：0Hz）时变频器的输出频率。
　　3.在端子2—5间输入电压（例如：5V），使设定值的设定为100%。
　　4.用Pr.903校正，此时，输入的频率将作为偏差值=100%（例如：50Hz）时变频器的输出频率。
　　<传感器的输出校正>
　　1.在端子4—5间输入电流（例如：4mA）相当于传感器输出值为0%。
　　2.用Pr.904进行校正。
　　3.在端子4—5间输入电流（例如：20mA）相当于传感器输出值为100%。
　　4.用Pr.905进行校正。
　　注：Pr.904和Pr.905所设定的频率必须与Pr.902和Pr.903所设定的一致。以上所述的校正如下图所示。
　　注：1.如果多段速度（RH，RM，RL）信号和点动进行（jog）信号在X14信号接通的情况下输入，将停止PID控制并开始执行多段速度或点动运行。
　　2.当Pr.128设定为“20”或“21”时，注意，变频器端子1—5之间的输入信号将叠加到设定值2-5端子之间。
　　3.当Pr.79设定为“6”（切换模式），则PID控制无效。
　　五、操作步骤
　　参考文献：
　　［１］霍罡，曹辉.可编程序控制器模拟量及PID算法应用案例［J］.高等教育出版社，2008，3.
　　［2］陶永华.新型PID控制及其应用［J］.机械工业出版社，2003，7.
　　［3］刘金琨.智能控制［J］.电子工业出版社，2009，7.