运用PID与变频器实现恒压供水控制方案2008-01-20 19:58
 
一：PID概念

1. PID解释：即由比例（Proportion）+积分（Integral）+微分（Differential coefficient）组合而成。

2. 比例P控制：调节量按误差成比例输出，纯比例时误差不会为零。即一对一的对应关系。

3. 积分I控制：调节量按误差的积分输出，误差为零时，输出恒定。既有一定的延迟。

4. 微分D控制：调节量按误差的微分输出，误差突变时，能及时控制。既快速反应。

5. PI控制动作：所谓PI控制就是将比例控制P和积分控制I结合起来，根据偏差及时间变化，产生一个操作变量。

二：运用PI控制系统方框图

　　运用于PID可实现压力负反馈单闭环控制。控制理论与算法。
1. PID配合变频器与压力传感器实现单泵闭环恒压供水控制系统。

2. 通常压力传感器分电流型与电压型两种。PID有内置变频器与单独的外置两种。

三：设定

任何一个控制系统都需要经过反复地调试后方可达到最佳性能，没有调试的系统是不能工作或不能良好地运行。下面举例AMB-G7系列单泵恒压供水调试方法。

A. 首先必须知道控制对象的参数。对象特征、需要的最大供水压力、需要给定用户的恒定压力、供水最小压力、上限压力、下限压力等。

B. 假设对一小区进行恒压供水改造，其要求管道最大供水压力为（A）11Kpa ，对应传感器输出电流为20mA , 要求最小供水压力为（B）1Kpa,对应输出的电流为4mA , 用户要求恒定的供水压力为（C）5Kpa 。根据以上三个参数可以确定PID的设定值，既：（必须保证在最大供水压力时对应于压力传感器电流输出最大，反之亦然，可求出用户要求供水压力时的传感器电流）

C. 传感器给定电流（Iset）正比于用户所需的恒定供水压力。(假设压力传感器输出电流为4~20mA)既：

Iset/(Imax-Imin)=C/(A-B)→Iset/(20mA-4mA)=5/(11-1)→Iset/16=5/10→Iset=16*0.5=8mA(50%电流)

其中Imax=最大电流 Imin=最小电流 Iset=需要给定的电流值

D. 而G7系列F84设定电压也正比与设定电流。既：

Fset/(Fmax-Fmin)=Iset/(Imax-Imin)→Fset/(10V-0V)=8/(20mA-4mA)→Fset=0.5*10=5V（50%电压）

其中Fset=需要给定的设定电压 Fmax=F84中最大电压值 Fmin=F84中最小电压值

E. 设定好给定值后，需设定PI比例常数。F88既比例增益

F. 增益Kp=1/比例常数

G. 由公式可看出当比例常数小时增益很大，既小小常数变化会引起很大的反馈变化，但由于G7系列是直接调增益的，所以系数越大则增益越大，增益大反馈越深便于控制，但太大又会失去稳定性，产生振荡。我门一般先将其设定为60%既6V。

H. 其次要设定F80=1 使PID使能， F82=1使通道选择为4~20mA控制， F85=0既正相响应（与传感器变化正比属于负反馈，否则产生正反馈而自激）F10=1使用外部端子RUN运行。

I. F89设定为60适当的积分为使系统稳定。

四：调试

按上序方法设定后一般可良好地运行。如系统稳定则可微调F84使实际压力最接近想要设定的压力，稳定后慢慢增大F88使其出现不稳定振荡后往回调一个数，系统稳定后此值为最佳值。慢慢减小F89值以不出现振荡为准。适当的增大F83可减少来自传感器电流在传输过程中受到的干扰。仔细观察和试验，如感觉小小的用户用水量改变导致变频器频繁的控制动作，即马达加速后压力过头然后有自动降速，来回周折（既周期振荡）可适当调大F89来改善和慢慢减小F88来改善。

确定系统已调试稳定，改变F81值是为了使显示值对应于实际的压力值。例如运行中显示的反馈值为620，此时实际压力为5Kg (既5Kpa)则可设F81为：X =5Kpa/620=8.06=8.1

这样通过显示即可知道反馈的量与实际的量之间地差距，一目了然。

如发现此系统反映过于迟钝，可通过减小变频器的加、减速时间来提高。一般单泵供水的场合下不用改变。在用到消防供水时需减少此参数值。

附加功能调试：

五：变频器输出切换与故障输出

设定F59频率水平检测FDT值：当输出频率高于设定值时，且F68=0时，输出集电极开路Y1有效。这样可实现变频与工频地自动切换。

设定F68可控制变频器有故障时Y端子输出有效，实现报警或保护电路。

六：其他

设定F71=1可进行掉电再启动从零转速追综，设定F71=2可进行掉电再起动从上次转速开始追踪。此时建议将F72功能设定为1，防止跳因马达惯性造成过电流保护。

还有一些详细的微调，用户可在实践经验中摸索以达到最佳运行状态。

（9）如果水压在设定值上下有剧烈的抖动，则应该调节PID指令的微分参数，将值设定小一些，同时适当增加积分参数值。如果调整过于缓慢，水压的上下偏差很大，则系统比例常数太大，应适当减小。
 
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 自信  15:22:01
PID算法　　在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、…）。
　　下面对控制点所采用的PID控制算法进行说明。
　　控制点目前包含三种比较简单的ＰＩＤ控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。 这三种ＰＩＤ算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。
　　1) PID增量式算法
　　离散化公式：
　　注：各符号含义如下
　　u(t);;;;; 控制器的输出值。
　　e(t);;;;; 控制器输入与设定值之间的误差。
　　Kp;;;;;;; 比例系数。
　　Ti;;;;;;; 积分时间常数。
　　Td;;;;;;; 微分时间常数。
　　T;;;;;;;; 调节周期。
　　对于增量式算法，可以选择的功能有：
　　(1) 滤波的选择
　　可以对输入加一个前置滤波器，使得进入控制算法的给定值不突变，而是有一定惯性延迟的缓变量。
　　(2) 系统的动态过程加速
　　在增量式算法中，比例项与积分项的符号有以下关系：如果被控量继续偏离给定值，则这两项符号相同，而当被控量向给定值方向变化时，则这两项的符号相反。
　　由于这一性质，当被控量接近给定值的时候，反号的比例作用阻碍了积分作用，因而避免了积分超调以及随之带来的振荡，这显然是有利于控制的。但如果被控量远未接近给定值，仅刚开始向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。
　　为了加快开始的动态过程，我们可以设定一个偏差范围v，当偏差|e(t)|< β时，即被控量接近给定值时，就按正常规律调节，而当|e(t)|>= β时，则不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|e(t)-e(t-1)|，其符号与积分项一致。利用这样的算法，可以加快控制的动态过程。
　　(3) PID增量算法的饱和作用及其抑制
　　在PID增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。
　　纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分积累起来，而一旦可能时，再补充执行。
　　2) PID位置算法
　　离散公式：
　　;=
　　对于位置式算法，可以选择的功能有：
　　a、滤波：同上为一阶惯性滤波
　　b、饱和作用抑制：
　　(1) 遇限削弱积分法
　　一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。具体地说，在计算Ui时，将判断上一个时刻的控制量Ui-1是否已经超出限制范围，如果已经超出，那么将根据偏差的符号，判断系统是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项。
　　(2) 积分分离法
　　在基本PID控制中，当有较大幅度的扰动或大幅度改变给定值时， 由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调量和长时间的波动。特别是对于温度、成份等变化缓慢的过程，这一现象将更严重。为此可以采用积分分离措施，即偏差较大的时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。
　　另外积分分离的阈值应视具体对象和要求而定。若阈值太大，达不到积分分离的目的，若太小又有可能因被控量无法跳出积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差。
　　离散化公式：
　　Δu(t) = q0e(t) + q1e(t-1) + q2e(t-2)
　　当|e(t)|≤β时
　　q0 = Kp(1+T/Ti+Td/T)
　　q1 = -Kp(1+2Td/T)
　　q2 = Kp Td /T
　　当|e(t)|＞β时
　　q0 = Kp(1+Td/T)
　　q1 = -Kp(1+2Td/T)
　　q2 = Kp Td /T
　　u(t) = u(t-1) + Δu(t)
　　注：各符号含义如下
　　u(t);;;;; 控制器的输出值。
　　e(t);;;;; 控制器输入与设定值之间的误差。
　　Kp;;;;;;; 比例系数。
　　Ti;;;;;;; 积分时间常数。
　　Td;;;;;;; 微分时间常数。
　　T;;;;;;;; 调节周期。
　　β;;;;;;; 积分分离阈值
　　(3) 有效偏差法
　　当根据PID位置算法算出的控制量超出限制范围时，控制量实际上只能取边际值U=Umax,或U=Umin,有效偏差法是将相应的这一控制量的偏差值作为有效偏差值计入积分累计而不是将实际的偏差计入积分累计。因为按实际偏差计算出的控制量并没有执行。
　　如果实际实现的控制量为U=U（上限值或下限值），则有效偏差可以逆推出，即：
　　=
　　然后，由该值计算积分项
　　3) 微分先行PID算法
　　当控制系统的给定值发生阶跃时，微分作用将导致输出值大幅度变化，这样不利于生产的稳定操作。因此在微分项中不考虑给定值，只对被控量（控制器输入值）进行微分。微分先行PID算法又叫测量值微分PID算法。公式如下：
　　离散化公式：
　　参数说明同上
　　对于纯滞后对象的补偿
　　控制点采用了Smith预测器，使控制对象与补偿环节一起构成一个简单的惯性环节。
　　PID参数整定
　　(1) 比例系数Ｋｃ对系统性能的影响：
　　比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。Ｋｃ偏大，振荡次数加多，调节时间加长。Ｋｃ太大时，系统会趋于不稳定。Ｋｃ太小，又会使系统的动作缓慢。Ｋｃ可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果Ｋｃ的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远，如果出现这样的情况Ｋｃ的符号就一定要取反。
　　(2) 积分控制Ｔｉ对系统性能的影响：
　　积分作用使系统的稳定性下降，Ｔｉ小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。
　　(3) 微分控制Ｔｄ对系统性能的影响：
　　微分作用可以改善动态特性，Ｔｄ偏大时，超调量较大，调节时间较短。Ｔｄ偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Ｔｄ合适，才能使超调量较小，减短调节时间