恒壓供水PID自控系統設計

　　摘 要 ： 本文通過研究恒壓供水PID自控系統，分析反饋理論的三個要素：測量、比較和執行。測量關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節控制系統的響應。控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定。
　　關鍵詞： 恒壓供水 PID 自控系統 設計
　　
　　一、恒壓供水PID的工作原理
　　一個好的過程控制系統必須有一個好的調節器，最常用的基于自動控制理論的就是PID調節器。PID調節器的作用如下圖1所示。
　　Kp：比例常數；T：積分時間；S：拉氏算子;Td：微分時間
　　圖1中的PID調節器的數學表達式，實質上是對△U進行P、I、D運算調節的傳遞函數，即為Kp（1++TS），Kp、Ti、Td選擇要恰當。首先系統要保證穩定，△U有一個穩定值；其次要求精度高，Uf逼近Ug，誤差△U小；最后是快速性問題，當有擾動時，Uf很快逼近Ug，穩定性、精度、快速性是過程控制系統的主要指標。
　　PID運算的結果Uk去控制變頻器的頻率/電壓，Uk稱為控制量。變頻器輸出的頻率/電壓正是P、I、D運算的結果，稱為執行量。
　　1.比例運算——P運算（如圖2）
　　就是對誤差△U進行放大（縮小），稱為比例運算。
　　2.積分運算——Ⅰ運算（如圖3）
　　就是對誤差△U進行積分運算，拉氏變換后的積分運算為，T為積分常數，T大，積分結果上升速度慢，圖3為積分曲線，曲線的斜率為。
　　3.微分運算——D運算，如圖4。
　　微分運算是指對誤差信號進行微分，如果圖4誤差為常數的條件下共微分為0，假如誤差為直線，則D運算結果為常數。
　　在過程控制系統最常的調節器是PI調節（比例+積分調節），一般系統都能滿足要求，為進一步改善動態性能，再加微分調節，加微分調節易引起系統振蕩（輸出不穩定）調試較為麻煩，故在實際應用中多只采用PI調節。
　　二、PID控制的負作用與正作用
　　1.負作用
　　偏差量加大時，要求執行量加大來縮小偏差，稱為PID負作用。
　　供水的壓力控制（控制水泵）加熱的溫度控制（控制加熱器），都需要負作用PID來控制，以恒壓供水系統為例。
　　當供水系統供的水量增大（水泵出水增大），則管網壓力下降，即反饋壓力下降，此時誤差△U=給定壓力-反饋壓力△U↑，則要求執行量加大，使電機加速，加大水泵供水能力來縮小誤差。
　　2.正作用
　　偏差量加大時，要求減小執行量來縮小偏差，稱為PID正作用，中央空調冷水系統就是一個例子，當室內溫度（反饋值）偏低（給定值-反饋值）加大，則可以向調節目標少送冷水，使調節目標（室內）的溫度上升，這就是說，當誤差加大后，Uk使執行量（f/U）減小，以減小冷水供應量來提高室內溫度與給定值相適應。
　　同是水泵供水，用相反的兩種調節器，可以得到不同的調節效果。
　　三、PID的相關參數
　　Pr.128“PID動作選擇”（負、正作用選擇）
　　Pr.129“PID比例常數”調節范圍為0.1—1000%，其倒數為Kp。
　　Pr.130“PID積分時間”
　　Pr.131“上限”
　　Pr.132“下限”
　　Pr.133“PU操作時的PID目標設定值”
　　Pr.134“PID微分時間”
　　Pr.73“0—5V/0—10V選擇”
　　Pr.79“操作方式選擇”
　　Pr.180—Pr.186（輸入端子分配）
　　Pr.191—Pr.194（輸出端子分配）
　　由電壓輸入信號或Pr.133的設定值作為設定點和4—20mA電流輸入信號作為反饋量組成PID控制的反饋系統。
　　四、PID的參數設置
　　對輸入輸出端子作以下設置：
　　Pr.183=14（RT=14）
　　Pr.192=16（FU）
　　Pr.193=14（OL）
　　Pr.194=15（IPF）
　　<設定值輸入校正>
　　1.在端子2—5間輸入電壓（例如：0V），使設定值的設定為0%。
　　2.用Pr.902校正，此時，輸入的頻率將作為偏差值=0%（例如：0Hz）時變頻器的輸出頻率。
　　3.在端子2—5間輸入電壓（例如：5V），使設定值的設定為100%。
　　4.用Pr.903校正，此時，輸入的頻率將作為偏差值=100%（例如：50Hz）時變頻器的輸出頻率。
　　<傳感器的輸出校正>
　　1.在端子4—5間輸入電流（例如：4mA）相當于傳感器輸出值為0%。
　　2.用Pr.904進行校正。
　　3.在端子4—5間輸入電流（例如：20mA）相當于傳感器輸出值為100%。
　　4.用Pr.905進行校正。
　　注：Pr.904和Pr.905所設定的頻率必須與Pr.902和Pr.903所設定的一致。以上所述的校正如下圖所示。
　　注：1.如果多段速度（RH，RM，RL）信號和點動進行（jog）信號在X14信號接通的情況下輸入，將停止PID控制并開始執行多段速度或點動運行。
　　2.當Pr.128設定為“20”或“21”時，注意，變頻器端子1—5之間的輸入信號將疊加到設定值2-5端子之間。
　　3.當Pr.79設定為“6”（切換模式），則PID控制無效。
　　五、操作步驟
　　參考文獻：
　　［１］霍罡，曹輝.可編程序控制器模擬量及PID算法應用案例［J］.高等教育出版社，2008，3.
　　［2］陶永華.新型PID控制及其應用［J］.機械工業出版社，2003，7.
　　［3］劉金琨.智能控制［J］.電子工業出版社，2009，7.