PID控制原理与在空调设备上应用 pid控制的基本原理

PID控制入门（引子）：

PID指Proportion-Integral-Differential，中文是比例-积分-微分。

PID控制器是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

对组合机恒温控制系统-表冷阀开度控制：

1、控制驱动单元-表冷阀-作为输入信号；

2、被控对象-出风温度-作为输出反馈。

所谓“误差”就是目标值与实际值的差值。比如你希望目标出风温度为15℃而实际出风温度13℃， 则误差：2℃。

该误差值送到PID控制器，作为PID控制器的输入。PID控制器的输出为：误差乘比例系数Kp+Ki*误差积分+Kd*误差微分。

上式为三项求和即为PID运算结果，经PLC转换后送入表冷阀驱动器，PID就会对表冷阀作调整，直到误差=0。

PID控制原理：

PID控制及作用：PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值r（t）与输出值c（t）进行比较构成控制偏差：e（t）＝r（t）－c（t）

将其按比例、积分、微分运算后，并通过线性组合构成控制量，如图所示，所以简称为P（比例）、I（积分）、D（微分）调节器。

P控制器的选择：它适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统。

PI控制器的选择：它适用于控制通道有一定滞后，负荷变化不大，被控量不允许有静差的控制系统；

PID控制器的选择：它适用于负荷变化大，容量滞后较大，控制质量要求又很高的控制系统，比如恒温恒湿控制系统。

PID控制在空调机电标准应用实例：

末端恒湿控制系统流程图：

应用实例：

以siemens PLC为例。

假设目标出风温度为15℃而实际出风温度13℃，应误差为2，将目标值、实际值、P值、I值、D值输入至PLC PID运算指令，经PID自动运算后，得出运算结果，将此结果转化为0-10V的电压信号输入至表冷阀或加热阀执行器即可。

PLC运行结果为0.0-1.0之间的实数，0-0.5对应表冷阀开度100%-0%；0.5- -1.0对应加热阀开度0%- 100%。

假设仅设定P值，I值和D值设定为0，若误差恒定，则PID运算结果是恒定的，因此表冷阀开度也是恒定的，此开度可能太大也可能太小。

若表冷阀开度过大，则出风温度会不断下降，PID运算后减小输出值，从而减小表冷阀开度；

若表冷阀开度过小，则出风温度会不断上升，PID运算后增大输出值，从而加大表冷阀开度；

P值控制温度曲线图（无I值、D值控制）：

比例调节的特点：1、调节作用快，系统一出现偏差，调节器立即将偏差放大K倍输出；2、系统存在余差。

P越小，过渡过程越平稳，但静差越大；P增大，静差将减小，但是不能完全消除静差，只能起到粗调作用，但是P过大，过渡过程易振荡，P太大时，就可能出现发散振荡。

通过上述比例调节，可使出风温度在某一范围内正弦曲线波动，但无法恒定。原因是温度响应滞后，引起超调，因此需加入积分项调节。

在比例调节的基础上增加积分调节，即设定P值和I值，D值仍设定为0，即使误差恒定，PID运算结果是不断变化的，其输出值会自动表冷阀开度。

PI值控制温度曲线图（无D值控制）：

积分时间TI对系统性能的影响：增大积分时间TI有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。

PI控制温度曲线图（无D值控制），有扰动源：

若使用PI调节器消除了静态误差，但在稳定运行过程中仍不时出现波动，则可加入微分环节，构成PID调节器，从而消除扰动的影响。

在有温度扰动源的场合，增加微分项调节可减少温度扰动源的影响。

PID控制温度曲线图，有扰动源：

微分调节的特点：微分调节的输出是与被调量的变化率成正比，在引入微分作用后能全面提高控制质量，但是微分作用太强，会引起超调，表冷阀时而全开时而全关。因此不能把微分时间取得太大，当微分时间由小到大变化时，微分作用由弱到强，对容量滞后有明显的作用，但是对纯滞后没有效果。

微分时间TD对系统性能的影响：增大微分时间TD，也有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。

PID控制参数整定方法：

一般在工程应用中采用经验凑试法。

经验凑试法在实践中最为实用。在整定参数时，必须认真观察系统响应情况，根据系统的响应情况决定调整那些参数。

整定步骤：先比例，后积分，再微分。

整定比例参数：首先将P值放在较小的位置，然后逐渐增大，观察被控量变化曲线，使被控对象（温度）与驱动器（表冷阀）有对应的变化。

整定积分参数：在整定比例参数后，将比例值缩小（10～20％），然后将积分时间T1由大到小逐步加入，直到获得4：1衰减过程。

PID控制参数整定方法：

整定微分参数：在整定比例、积分参数后，将比例值增大（10～20％），然后将微分时间T由小到大逐步加入，观察过渡曲线，直到获得满意的过渡过程。

常见被控对象的PID参数选择范围（经验值）

整定原则：不能让系统出现发散振荡;

如出现发散振荡，应立即切为手动，等系统稳定后减小放大倍数、增大积分时间或减小微分时间等降低PID效用的手段，然后才能重新切换到自动控制。

PID控制小结：

PID控制是闭环控制，PID控制是误差控制

增大比例系数KP会加快系统的响应，但比例系数过大会使系统超调，并产生振荡，从而破坏稳定性。

增大积分时间TI有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统稳定过程加长；

增大微分时间TD，也有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，系统振荡次数增加。

P作用是最基本的控制作用，加入I作用后可做到无差控制，提高控制精度，加入D作用能全面提高控制质量。

口诀：

参数整定找最佳，从小到大顺序查

先是比例后积分，最后再把微分加

曲线振荡很频繁，放大倍数要放小

曲线漂浮绕大湾，放大倍数往大扳

曲线偏离回复慢，积分时间往下降

曲线波动周期长，积分时间再加长

曲线振荡频率快，先把微分降下来

动差大来波动慢，微分时间应加长

理想曲线两个波，前高后低4比1

一看二调多分析，调节质量不会低

本文来源于互联网，作者：盾安机电本部技术部，暖通南社整理编辑于2017年3月8日。