浅谈如何从空调温度控制看PID的实现(一)

详细内容

摘要:以空调温度控制中的PID调节为例，讲述PID参数的计算和处理方法，尤其是具体应用中数值量化处理的基本方法，并提出PID参数的整定策略。
关键词:温度；PID参数；整定

引言
从事自动控制专业的技术人员，都学习了PID的原理，如何将其应用到具体的控制项目中去，就要靠实际操作的经验了。关键是计算结果需要进行处理和换算，实际操作时需要进行反复调试。本文以宜昌金三峡印务空调自控项目中温度控制部分为例，讲述PID的具体实现。

1PID的相关知识

1.1基本术语
（1）直接算法和增量算法：直接算法是运用标准的直接计算法公式算出结果，得到的是当前需要的控制量。增量算法是标准算法的相邻两次运算之差，得到的结果是增量，即在上一次控制量的基础上需要增加（负值意味着减少）的控制量，对于空调温度的控制就是需要增加(或减少)的加热比例。两种算法的基本控制方法、原理是完全一样的。
（2）基本偏差e(t)：表示当前测量值与设定目标之差，设定目标是被减数，结果可以是正或负，正数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值。这是面对比例项P用的变动数据。
（3）累计偏差∑e(t)：∑e(t)=e(t)+e(t-1)+e(t-2)+…+e(1)，为每次测量值偏差总和，这是代数和，运算时应考虑它的正负符号，这是面对积分项I用的变动数据。
（4）基本偏差的相对偏差e(t)-e(t-1)：用于考察当前控制对象的变化趋势，作为快速反应的重要依据，这是面对微分项D用的变动数据。
（5）三个基本参数P、I、D：这是做好一个控制器的关键常数，分别称为比例常数、积分常数和微分常数，不同的控制对象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。
（6）PID算法：PID控制器调节输出，保证偏差e为零，使系统达到稳定状态，偏差e是给定值SP和过程变量PV的差。PID控制的原理基于下面的算式，输出是比例项、积分项和微分项的函数〔1〕。
（1）
其中，M(t)：PID回路的输出，是时间的函数；Kc：PID回路的增益；e：PID回路的偏差；Minital：PID回路的输出的初始值。
（7）标准的直接计算法公式：

上一次的计算值：

两式相减得到增量法计算公式：
[公式2]
其中∑项的表示应该是对e(t)从1到t全部总和。

1.2三个基本参数P、I、D在实际控制中的作用：
（1）比例调节作用：系统一旦出现了偏差，比例调节立即按比例产生作用减少偏差。增大比例系数一般将加快系统的响应，有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调量，并产生振荡，使稳定性下降。
（2）积分调节作用：能使系统消除稳态误差，提高无差度。系统有误差，积分调节就工作，直至无差，积分调节停止，输出为常数。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强，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。积分作用常与另两种调节规律结合，组成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差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择恰当的情况下，可以减少超调，缩短调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，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，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID调节器〔2〕。