張 駿

（常州愛斯特空調(diào)設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213018）

0 引言

控制系統(tǒng)主要由控制器和控制對象兩部分組成，通過一定的控制方法使系統(tǒng)達到所要求 的控制性能?？刂颇Ｊ接虚_環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制三種。開環(huán)控制是控制器與控制對象之間只有正向作用，是一種單向的控制過程。如果控制器與控制對象之間既有正向作用又有反向聯(lián)系，這種控制方式稱為閉環(huán)控制。為了達到較好的控制效果，往往將開環(huán)控制和閉環(huán)控制結(jié)合起來，稱為復(fù)合控制。過程控制中的PID 控制是一種常見的控制策略，由于算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于過程控制中。在PLC主程序中調(diào)用PID子程序就可以實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)功能。下面，我們來對PID 控制作進一步了解和研究。

1 控制過程的品質(zhì)指標

中央空調(diào)溫濕度受控系統(tǒng)的被控過程一般是一個衰減振蕩的過渡過程，該過程可用曲線描述，衡量系統(tǒng)控制質(zhì)量的品質(zhì)指標主要有：

1.1 最大偏差

偏差是指被調(diào)參數(shù)與給定值之差。對于一個衰減振蕩過渡過程，其最大偏差是第一個波的峰值，用 A 表示。最大偏差表示系統(tǒng)瞬時偏離給定值的最大程度，若偏離越大，偏離時間越長，系統(tǒng)離開規(guī)定的平衡狀態(tài)越遠，這是不希望出現(xiàn)的情況，一般要對最大偏差加以限制。

1.2 超調(diào)量

超調(diào)量是振蕩的第一個峰值與新穩(wěn)定值之差，用 B 表示。超調(diào)量也可以用來表征被調(diào)參數(shù)的偏離程度。

1.3 靜差

靜差是過渡過程終了時的殘余偏差，也就是被調(diào)參數(shù)的穩(wěn)定值與給定值之間的差值，用 C 表示。靜差可正可負，被調(diào)參數(shù)越接近給定值越好，亦即靜差絕對值越小越好。

1.4 衰減比

是前后兩個峰值的比，是表示衰減程度的指標。衰減比為 B：B’，習(xí)慣上用n：1來表示。假若 n 只比 1 稍大一點，過渡過程的衰減程度很小，它與等幅振蕩過程接近，振蕩過程過于頻繁不夠安全，一般不采用；如果 n 很大則又太接近于非振蕩過程，通常也是不希望的。一般取 n = 4～10 為宜。

1.5 穩(wěn)定時間

從干擾開始作用起至被調(diào)參數(shù)又建立新的平衡狀態(tài)為止，這段時間稱為穩(wěn)定時間。在可以測量的 區(qū)域內(nèi)，在穩(wěn)定值上下規(guī)定一個小的范圍，當指示值進入這一范圍而不再越出時，就認為被調(diào)參數(shù)已達到穩(wěn)定值。穩(wěn)定時間短，說明過渡過程進行得比較迅速，這時即使干擾頻繁出現(xiàn)，系統(tǒng)也能適應(yīng)，系統(tǒng)質(zhì)量就高。

1.6 振蕩周期

是指過渡過程中兩個同向波峰之間的間隔時間，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的條件下，振蕩周期與穩(wěn)定時間成正比。一般希望周期短些為好。

1.7 振蕩次數(shù)

穩(wěn)定時間內(nèi)被調(diào)參數(shù)振蕩的次數(shù)稱為振蕩次數(shù)。較為理想的過渡過程，振蕩兩次就能達到穩(wěn)定狀態(tài)。

1.8 上升時間

從干擾變化時間起至第一個波峰時所需要的時間為振蕩的上升時間。上升時間以短些為宜。

2 PID 控制原理

常規(guī)的 PID 控制系統(tǒng)原理框圖如下圖所示：

系統(tǒng)由 PID 控制器和被控對象組成。PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r（t）與實際輸出值c（t）構(gòu)成控制偏差：

e（t）= r（t）- c（t）

將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱 PID 控制器。

3 PID 參數(shù)整定方法

對于一個被控系統(tǒng)，一般要求過程超調(diào)量小、調(diào)整時間短、沒有靜差，要達到控制效果，合理地選擇 PID 調(diào)節(jié)器各參數(shù)是十分重要的。

在 PID 調(diào)節(jié)器中，需要整定的參數(shù)有比例系數(shù) Kp、積分系數(shù) Ki和微分系數(shù) Kd。如何合理地選擇采樣周期T，也是影響系統(tǒng)性能的重要因素。PID 參數(shù)的整定一般采用工程整定方法。通過模擬或閉環(huán)運行，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達到滿意的響應(yīng)。

PID 各參數(shù)對系統(tǒng)的影響可概括如下：

3.1 增大比例系數(shù) Kp一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞；

3.2 減小積分系數(shù) Ki有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢；

3.3 增大積分系數(shù) Kd也有利于將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應(yīng)。

4 中央空調(diào)溫濕度通過PLC實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)應(yīng)用

采用德國SIEMENS公司S7-200 PLC作為變頻螺桿壓縮機控制器，主要包括：CPU224、A/D模塊、EM235模擬量擴展模塊、操作屏、傳感器系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)等組成。PLC控制器具有閉環(huán)控制功能，使中央空調(diào)溫濕度通過PLC實現(xiàn)PID 控制更加靈活。程序中的PID程序塊可利用s7-Micro/win程序中的“工具”→“指令向?qū)А鄙?。根?jù)向?qū)У奶崾究梢詫λ绤^(qū)、報警、手動等功能進行選擇，可以對設(shè)定范圍、P、I、D等參數(shù)進行設(shè)定（完成后還可以利用向?qū)нM行更改）。根據(jù)提示完成設(shè)定后會自動生成一個子程序和一個中斷程序，在主程序或其他程序中調(diào)用PID子程序就可以實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)功能。

溫濕度調(diào)節(jié)以溫度優(yōu)先控制，首先控制溫度到合適范圍即“0～12區(qū)間”范圍之內(nèi)，由于加濕器屬于連續(xù)PID調(diào)節(jié)，故以控制壓縮機工作為主，整個機組默認最多控制8個壓縮機，除濕電磁閥開機默認接通，濕度≥RH%+△RH%時關(guān)閉，濕度≤RH%時打開，RH%＜濕度＜RH%+△RH%時保持，在0區(qū)域時放大倍數(shù)應(yīng)該小，在其他區(qū)域時放大倍數(shù)應(yīng)該大。區(qū)域共分14個：0～13

區(qū)域0：壓縮機保持不變，在該區(qū)域電加熱和電加濕的輸出值并不為0，需保持相對恒定；

區(qū)域1：需要作溫度趨勢判斷，若溫度下降速率相對較小則保持壓縮機，若溫度下降速率，相對較大，卸載壓縮機，若壓縮機已經(jīng)全部卸載，再加載電加熱；

區(qū)域2：需要作溫度趨勢判斷，若溫度上升速率相對較小則保持壓縮機，若溫度上升速率相對較大，卸載電加熱，若電加熱已經(jīng)全部卸載，再加載壓縮機；

區(qū)域3：需要作濕度趨勢判斷，若濕度下降速率相對較小則保持壓縮機，若濕度下降速率相對較大，卸載電加熱，若電加熱已經(jīng)全部卸載，再卸載壓縮機；

區(qū)域4：需要作濕度趨勢判斷，若濕度上升速率相對較小則保持壓縮機，若濕度上升速率相對較大，加載電加熱，若電加熱已經(jīng)全部加載，再加載壓縮機；

區(qū)域5：先卸載壓縮機，若壓縮機已經(jīng)全部卸載，再加載電加熱；

區(qū)域6：先卸載電加熱，若電加熱已經(jīng)全部卸載，再加載壓縮機；

區(qū)域7：壓縮機不變，電加熱加載；

區(qū)域8：電加熱不變，壓縮機加載；

區(qū)域9：壓縮機卸載，若壓縮機已經(jīng)完全卸載，再加載電加熱；

區(qū)域10：電加熱保持，壓縮機加載；

區(qū)域11：電加熱卸載，若電加熱已經(jīng)完全卸載，再卸載壓縮機；

區(qū)域12：壓縮機不變，電加熱加載；

區(qū)域13：電加熱完全卸載，壓縮機加載。

在主程序中調(diào)用PID子程序就可以實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)功能。根據(jù)我們進行溫濕度調(diào)節(jié)試驗積累的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，PID參數(shù)調(diào)節(jié)在以下范圍內(nèi)：P=0.2～0.6，I=180～600s，D=3～180s?？稍谡{(diào)試中先輸入經(jīng)驗值，再按各參數(shù)對系統(tǒng)的影響作用對系數(shù)實行“先比例，后積分，再微分”的整定步驟。

4.1 首先只整定比例部分。即將比例系數(shù)由小到大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)。

4.2 加入積分環(huán)節(jié)。整定時首先置積分系數(shù)Ki一個較小的值，并將第（1）步中整定的比例系數(shù)略為縮?。ɡ缈s小為原值的0.8倍），然后增大Ki，使在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)與積分系數(shù)。

4.3 若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)。在整定時，可先置微分系數(shù)為0，在第一步的基礎(chǔ)上，增大Kd，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間。

5 結(jié)束語

本文介紹了PID控制器原理及中央空調(diào)溫濕度PID控制器調(diào)節(jié)控制應(yīng)用方法。實踐證明，中央空調(diào)溫濕度PID控制溫濕度優(yōu)勢明顯，可使溫濕度精度提高，使空調(diào)使用場所的舒適度或工藝性提高，不失為一種較好的方法。

[1]STEP 7—Micro編程參考手冊.SIEMENS，2009

[2]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社，2003

[3]黃友銳、曲立國.PID控制器參數(shù)整定與實現(xiàn).科學(xué)出版社，2010