从空调温度控制看PID的实现

1、装备制造技术2007年第3期从空调温度控制看 的实现施俏春湖北荆门职业技术学院化【浮院湖北荆门448000)摘嬰以空调温度控制中的调节为例，讲述参数的计算和处理方法，尤其是具体应用中数值绘化处理的菇木方法，并提出参数的整定策略。关键词温度：参数:整定中图分类号：文献标识码：文辛编号：<)装备制造技术2007年第3期装备制造技术2007年第3期收稿门期：200D1T8作者简介:施俏作W6&T女江苏人，JH门职业技术学院化匸学院讲师.木科川I ：臼向：生产过右 J化.从爭自动控制专业的技术人员，都学习r pq的原理，如 何将其应用到具体的控制项目中去,就耍靠实际操作的经验 了关键是计

2、算紿果需耍进行处理和换算，实际操作时需要进 行反0调试-木文以立吕金三峡印务空调“控项U中温度控制 部分为例，讲述PID的具体实现。的相关知识基本术语(D 口接算催和增量算法:££接算法足运用标准的血接计 算法公式算出结果,得到的是当前需£的控制&增量算法是 标准算法的相邻两次运算Z垦，紂到的结果是增量，即在上 次控制量的基础1:需要增加(负值意味打减少)的控制量,对于 空调温度的控制就是需要增加或减少为勺加热比例。两种算法 的基本控制方法、原理足完全-样的.(2基本偏差e©衣示当前测最值与设定冃标之差，设定 II标处彼减数，结果可以址正或负正数

3、农示还没右达到，负数 农示已经超过了设定值。这是而对比例项P用的变动数据。<3 累计偏差£ ed ee=eG+eblHeb2>h + e 0为每次测登值偏差总和，这是代数和，运算时应考虑它的 正负符号，这足面对积分项I用的变动数据.(4基本偏差的相对偏差ee-een用于考察当前控 制对彖的变化趋势，作为快速反应的車耍依据，这是Kii对微分 项D用的变动数据。(介三个基本参数R LD这是做好个控制话的关键常 数，分别称为比例常故、枳分常数和微分常数，不同的控制对彖 需要选择不同的数值，还需经过现场调试才能获得较好的效 果。(G PID算法：P1D控制器调节输出，保证僞差e为

4、冬，使 系统达到稳定状态，僞差e足给定值SP和过程变駅FV的 差.PH)控制的原理慕于下面的算式，输出是比例项、积分项 和微分项的换狭ItM 0M<cX e-HCc f 曲枫艸/普O其中，M © PD)叫路的输出，是时间的两数：氏PU)冋 路的堆益；e PD)冋路的偏差:PD)|叫路输出的初始值.(0标准的直接计算法公式：Ite=PX e O+IX L e tHDX i (>-e M) 上一次的计算值：F%t M)=RX e MH-k E e M)+DX E LU 2) 两式相减得到增量法计算公式：PdrfX g Oe t-l)4-IX e O+DX E <>

5、-2X e LD + e e-2)2)梵中E项的衣示应该是对e(W、1到冷部总和.1三个基本参数、在实际控制中的作用(D比例调节作用：系统4H1现了偏筮，比例调节立即 按比例产生作用减少偏差增人比例系数般将加快系统的响 应，仃利丁减小静至。但过人的比例系数会使系统仃较人的超 调晟，并产生振荡，使稳定性下降.(2)积分调节作用：能使系统消除稳态谋差，提萬无差度。 系统冇谋差，积分调节就I：作，直至无差，积分调节停止，输出 为常数。枳分作用的强弱取决于积分时间常数TiT泄小,积 分作用就越强M利丁滅小超调，减小振荡，使系统更加穏宦， 但系统静差的消除将师之减慢枳分作用常与另两种调市规律 结合，组成

6、PI调节器或PID调节器。(3微分调节作用：微分作用反映系统偏羞信号的变化 率，具有预见性，能预见偏差变化的趙势，因此能产生趙前的控 制作用，在僞差还没有形成之前，已被微分调节作用消除.因 此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择恰肖的情况下， 可以减少超调，缩短调节时河。微分作用对噪声干扰有放人作 用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利此外，微分反应 的是变化率，而当输入没尙变化时，微分作用输出为零微分作 用不能单独便用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD 或PID调节器具体应用中数值量化处理的基本方法上面只足控制算法的数学计算，比较抽彖，在具体的控制 项冃中怎样对应呢？也就是具体的

7、駅化问懸F面以宜冷金三 峡卬务空调汩度控制中加温部分为例说明。对于加温的温度控制可以采用调节电磯阀门开度或在 定时间循环周期内的供电时间比例來实现，般前若比较简 单，也是常用的方法。以调节电傩阀门开度为例：设泄个标准 的加温周期,例如亦h调节输出，使电磁阀门开度恒定，在整 个周期内都加温。根据计算结果让电磁阀门开度在 厂10吆内 变化，比如计算所得在这个周期内电感阀门开度应该打开到 5吆，加初以后再测晟拎制对彖温度，通过计算阀门开度应该 打开到4%依此类推，阀门开度髓周期变化而更改，不断地 修正输出量,以达到对温度的冇效控制。为J"便F处理，在控制程序内部般不用时分秒来计算， 通常用

8、个定时器作为系统的时钟.相对于计算來说,控制周 期比较大，可以对进行细分,例如对每分钟进行100等 分两分钟就圧200等分,用丁温度控制,这样的输出比例变化 已经足够细了，共有200个输出等级.取200等分的另个好 处是，对应于PLC刚好可以在个字节内进行运算，程序简 单，运算速度快对于不同的加热对象，例如热惯性较大的加热 对象可能 加和谢期太短可以通过修改基本定时常数的办 法来实现,而保持200等分不变.PD)的三个基本参数KjxKiKd 般由试验确定，先根 据I作对象初步设定，然后在实际运行过程屮进行调整。为了 达到比较好的控制效果，这三个参数 般不采用整数，但为了 减少PLC的运算吊通常

9、采用2的整数倍放人的办法确定这 些参数，在运算结果中再除以2的整数倍，因为PLC运算中可 以用移位來完成，速度比较快，常用的足8倍或1G倍放人，注 意这三个参数必须采用相同的放人比例编程的过程中从头到 尾嬰消楚参数是经放人r的,不翌忘记还廉运算结果。怎样获得加温数据呢？为了说明这个问题,先只考虑最简 单的比例控制算法，假定控制范11彳是20(T C则设定温度与实 际测度的基的瑕大值就径20(TC用它去输出，这时的参数 Kp=L为了捉高加热速度,可缩小受控的区域,例如只控制 5(rc范用，如果H标温度设定为23(rc控制的范用就在 18口30范II祕，这时的羞值不够20(TC把计算结果乘以4 就

10、得到oo(rc的数据了。假定当前实测温度为22?c测 23口22=8再乘以4咫得32以此作为输出比例数据。Kp可 以&本保持不变,确立了起始控制点到目标值之间的控制范 【科，再加入微分和积分项，这里微分和积分项只址作为附加部 分，基本不影响控制范I科当温度突然下降度时，我们希卑补 上藝少比例进行卜 轮的加热呢？这是微分系数:经过这么久 的控制川标渔度还足低了点,我们希望用多少的比例去弥 补这个长期欠温呢？这就是枳分常数。不同的操作者会确定不 同的参数。总Z,比例常数决定达到11标点以前頁正控制的范 HI. Kp=本时间总周期 他制范围.KiKd是操作者希望的 反应速度，婆有耐心左逐步达

11、到稳定点过激f会起反作用，过 于谨憤也难以达到预期目标。最后,在计算结果交付于输出之询,还需要做些修改，例 如当计算结果在大于200TC时按20(rc输出，计算结果小于零 时按零输出.为J"提离测温的准确性，往往需翌进行女次测温，然后剔 除结果中的最人值和巌小值，把剩余的数值相加再计算平均 值，这样比较侑利于抗干扰,或者由于其他原因引起的测杲值 波动。测温工作和PID计算 般安丼在上个输出周期的最 后阶段就提前进行，测温次数般在厂i3次，去掉最人嚴小数 以后保留11次用于运算，均值运算的累加部分将安押在毎 次测温以后逐步进行，不会过多占用系统时间，只要系统的 时间允许，尽可能参测儿次

12、，结果会更箱确。运算中往往会出现数据溢出的惜况，所以要求将数据转换 成in曲，注总需要考虑符号，另外，对有些参数如积分项的累 加数过人时会起反作用便调节失灵，或者引起人幅後荡，为此 我们对这项引入个数值最人界限，为结果超出约定界限 时，不禅增加1(或减少)。加温时不必全程PD)控制，可以在设 定目标值前-个温度区域才进行PQ控制，例如，设定目标温 度为30(TC则我们可以在250PC以前全速加温，当达到25(r C后才开始计畀FID并于以控制，这样可以加快加温速质又 不影响温度控制在不产生过冲的悄况F，尽可能把起点抬高, 冇利r-Juifti控制部分的进步细化o在进入控制z前积分项记 录数据为

13、零.参数设定及调整对策工程上使用的整定方法有以下三种：(D临界比例度法。简单力便，易于掌握、判断，适用于 般流量、压力、液面、温度控制但对于临界比例度很小的系统, 输出变化人，使阀门全关或全开，影响正常操作。(2衰减曲线法.适用于并种I业系统，但对外界干扰频 秋的系统，记录曲线不规则。(3经验法。根抑:操作经验和控制过程曲线和形状，直接 在闭合的控制系统中反0奏试址后得到适合的参数这是PD)调节兹闲难的部分，有吃难以建立持确数学模 型、非线性、时变的复杂系统不能很好地控制编程时，只设定 pm的人槪数值.嬰反奴调试才能找到较理想的螯数卅L Ifli 向不同的拎制对象参数设定都不同，所以无法捉供参

14、考数值。 但定可以根据系统的具体衣现分析PID参数设直的不合理Z 处，进而制定相应的对策。常见的几种情况如衣L表参数设置情况表系统农现加温很迅速就达到I标 值，但是温度过冲很人基本上能够奁控制冃标匕，但卜偏差偏人经常 波动翘褪蠶严大易廉因分析1.比例系数太人致使在未达到设定温度 前加温比例过高:2徹分系数过小，致使对对線反应不敏 感：:胡魏鋼:耀掘絲怒足:L微分系数过小，对即时变化反应不够 足不力：Z积分系数过大，使微分反应被淹没钝 化：3役定的丛木定时周期过如加热没右來 得及传到测温点：参数的整定处理上的些常用方法在凑试时，可参考以上参数对控制过程的影响趙势对参1.微分系数过小，对即时变化反

15、应不够 线胡谦笊仙期过长.不能及时得 到修正 数实行先比例，后枳分,再微分的整定步骤。d nr先只整定比例部分。即将比例系数宙小变人，并观察 相应的系统响应，fi至得到反咸快、超调小的响应曲线。0如果在比例调肯的基础上系统的静差不能満足设计耍 求则须加入积分环节整定时首先置枳分时间为 较人值，并 将经笫步整泄得到的比例系数略为缩小（如缩小为廉值的 Q 8倍），然后减小积分时间在保持系统良好动态性能的悄况 下，使静基得到消除。3若使用比例枳分调节器消除了静差，但动态过程经反 奴调整仍不能满盘，则可加入微分环节，构成比例积分微分调 节器。选择合适的时间常数很豆要，要根据输出单元采用的器件 来确定，

16、采用可控硅，可设定时间常数的范围就很大，如果采用 继电猛，过于频第的开关会影响使用焊命，所以就不太适介较 短的周期。般周期设泄范国为flOnh较为合适。为了调试方便，在调试阶段必须编制个可以对参数进行 随时修改和记忆的接口。结束语PQ并不足惟的控制方法，在很多场介未必就是最任 的控制算法，随着人最的血用研究，有很参种新理念新方法町 以替代它。但圧PQ作为种基本的控制算法已经比较成熟, 以妹木PQ为基础的变种算法或者叫做加强算法也派生了很 多，控制效果往往更ikoifii向每个具体匸作对彖，Il程技术人 员要不断換索出种蚁适介的控制方法，不拘 恪，开创I己 的路.参考文秋：0蔡相光自动控制仪表1

17、0西安:西安岀版社，19990竽智超.PH）控制规律教学方仏探析（Q常熟理L学院学报， L 2005 11（ 3： 108-11 L0 忖绷贾峰圧祝宁自动控制基确与控m匕京：屮LNil 址岀版社，2003o庞疽萍.曲洪斌,土浚.电加热模糊pd控制及仿貞研究mil算机点用研究.2004, 90： 225-23（1装备制造技术2007年第3期装备制造技术2007年第3期91 IQ iao- chun(JhgnenTechnicalCollege Jingnen Hubei 44800UChh:Taking tie PD adjustnent h tie air conditionhg tonper

18、ature control as an exanpla narrates flie calculation and tie processing method brPD) paaneters And a tuning strategy was proposed for the paranetere:Tonperalina P1D paranelera Tuning（上接笫页）ZHANG Sheng1, ZUO St CAO Hu?(LCollege ofCanputerEngrieemg UnivereiofShanghai ibrScience and Technobgy Shanghai 20009SChha 2Fengxian-SuarW aterSuppiyCaLld Shanghai 2OI4OZChh:The thesis used many 初dustrial configurations Schnique oharciwa:e and soflvare h souivewatei