PAGE55PAGEIV摘要近年來，伴隨著微電子技術(shù)，通訊技術(shù)，控制技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動化設(shè)備的發(fā)展突飛猛進(jìn)。可編程控制器是一種應(yīng)用非常廣泛的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點，非常適合液位控制的要求。PID閉環(huán)控制是控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛的一種控制算法，對大部分控制對象都有良好的控制效果。目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。PID控制及其控制器已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了PID控制技術(shù)的基礎(chǔ)知識和工作原理，并以由富士變頻器、富士PID調(diào)節(jié)器、臺灣亞銳公司可編程控制器（PLC）、壓力變送器組成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)為例，詳盡介紹了PID調(diào)節(jié)器在工程實踐中的具體應(yīng)用。關(guān)鍵詞：PID；閉環(huán)控制系統(tǒng)；變頻器；PLC；壓力變送器AbstractIndustrialautomationfacilitieshaveexperiencedarapidgrowthinrecentyearsalongwiththedevelopmentofmicroelectronicstechnology,communicationtechnology,controltechnology,computertechnology,andsoftwaretechnology.PLCisaself-controlfacilitywithwideapplicationprospect,whichintegratestraditionalrelaycontroltechnology,computertechnologyandcommunicationtechnology,havingthefeaturesofhighcontrollability,easyoperation,stability,fitforlongtermcontinuousworkingandsoon.Itmeetsthedemandsofliquidlevelcontrol.PIDclosedcontrolisawidelyusedcontrollingalgorithmincontrolsystem,andhasexcellentcontrollingeffectsonmostofcontrolledobjects.Atpresentthelevelofindustrialautomationhasbecomeanimportantsignofthemodernizationofeveryindustries.PIDcontrolandcontrollersnowhavebeenworkedinawiderangeofengineeringapplications.ThispaperintroducesthebasicknowledgeofPIDcontroltechnologyandtheworkprinciple,andbyFujiinverter,Fuji,PIDregulator,Taiwansharpcompanyprogrammablecontroller(PLC)andsingleclosed-loopcontrolsystemconsistingofpressuretransmitterasanexample,detailedintroducesthePIDregulatorinthespecificapplicationintheengineeringpractice.Keywords:PID；closed-loopcontrolsystem；transducer；PLC；pressuretransmitter目錄TOC\o"1-3"\h\u199011引言 13601.1課題研究背景 124491.2PID控制器的發(fā)展歷史 2141581.3數(shù)字PID技術(shù) 331682控制系統(tǒng)及PID控制 480602.1控制系統(tǒng)的構(gòu)成及分類 4265262.1.1開環(huán)控制系統(tǒng) 485842.1.2閉環(huán)控制系統(tǒng) 4145432.2PID控制 5286972.2.1比例（P）控制 5118492.2.2積分（I）控制 7300102.2.3微分（D）控制 8212053PID控制器基本原理 11158533.1PID控制系統(tǒng)原理圖 11244093.2基本原理和特點 12183413.2.1PID調(diào)節(jié)器的微分方程 1228193.2.2PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) 12261993.3對控制性能的影響 12218903.4控制規(guī)律的選取 13287313.5PID參數(shù)整定方法 14256833.5.1經(jīng)驗法 1411443.5.2臨界比例度法 1549083.5.3衰減曲線法（阻尼振蕩法） 15113473.5.4動態(tài)特性參數(shù)法 1664113.6PID參數(shù)的預(yù)置與調(diào)整 17211333.7PID算法的離散化 17282784可編程控制器(FAB) 19110404.1FAB簡介 19181484.2FAB功能特點及應(yīng)用范圍 19136924.2.1FAB功能特點 19159934.2.2FAB應(yīng)用范圍 2156044.3功能模塊概述 2198364.4系統(tǒng)選用型號 2299004.5FAB的編程軟件QUICK 22281134.6FAB技術(shù)參數(shù) 23267214.7FAB性能參數(shù) 24209055變頻器原理及分類 25286985.1變頻器的分類 2657225.2變頻器的控制方式 26116645.3變頻與變壓(VVVF)原理 27240636控制系統(tǒng)主要電氣元件選型 29283306.1變頻器 2926156.2斷路器 30298466.3接觸器 31197957PID在系統(tǒng)中的應(yīng)用 32201557.1實物接線圖 32281857.2實驗接線電路原理圖 3345967.3FAB程序圖 3467697.4PID參數(shù)設(shè)置 35304617.5變頻器參數(shù)設(shè)置 3618621結(jié)論 37254致謝 3825771參考文獻(xiàn) 395511附錄A英文原文 4011191附錄B漢語翻譯 491引言1.1課題研究背景在工業(yè)生產(chǎn)中，常需要用閉環(huán)控制方式來實現(xiàn)溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量控制。無論使用模擬控制器的模擬控制系統(tǒng)，還是使用計算機(jī)(包括PLC)的數(shù)字控制系統(tǒng)，PID控制都得到了廣泛的應(yīng)用。PID控制器是比例－積分－微分控制的簡稱，具有不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性;結(jié)構(gòu)典型、程序設(shè)計簡單，工程上易于實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便等優(yōu)點。積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制可以改善系統(tǒng)的動態(tài)相應(yīng)速度，比例、積分、微分三者有效地結(jié)合可以滿足不同的控制要求。PID控制器本身是一種基于對“過去”、“現(xiàn)在”和“未來”信息估計的簡單但卻有效的控制算法。由于其算法簡單、可靠性高等優(yōu)點，PID控制策略被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中，控制系統(tǒng)運行。在計算機(jī)技術(shù)沒有發(fā)展的條件下，大量需求的控制對象是一些較為簡單的單輸入單輸出線性系統(tǒng)，而且對這些對象的自動控制要求是保證輸出變量為要求的恒值，消除或減少輸出變量與給定值之誤差、誤差速度等[1]。而PID控制的結(jié)構(gòu)正是適合于這種對象的控制要求。另一方面，PID控制結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便，用一般電子線路、電氣機(jī)械裝置很容易實現(xiàn)，在無計算機(jī)條件下，這種PID控制比其他復(fù)雜控制方法具有可實現(xiàn)的優(yōu)先條件。即使到了計算機(jī)出現(xiàn)的時代，由于被控對象輸出信息的獲取目前主要是“位置信息”、“速度信息”和部分“加速度信息”，而更高階的信息無法或很難測量，在此情況下，高維、復(fù)雜控制只能在計算方法上利用計算機(jī)的優(yōu)勢，而在實際應(yīng)用中，在不能或難以獲得高階信息的條件下，PID控制器仍是應(yīng)用的主要方法，任何閉環(huán)的控制系統(tǒng)都有它固有的特性，可以有很多種數(shù)學(xué)形式來描述它，如微分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間方程等。但這樣的系統(tǒng)如果不做任何的系統(tǒng)改造很難達(dá)到最佳的控制效果，比如快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等。為了達(dá)到最佳的控制效果，我們在閉環(huán)系統(tǒng)的中間加入PID控制器并通過調(diào)整PID參數(shù)來改造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，使其達(dá)到理想的控制效果[2]。總而言之，PID控制器歷史悠久，生命力旺盛，并以其獨特的優(yōu)點在工業(yè)控制中發(fā)揮巨大作用。1.2PID控制器的發(fā)展歷史在單回路控制系統(tǒng)中，由于擾動作用使被控參數(shù)偏離給定值，從而產(chǎn)生偏差。自動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)單元將來自變送器的測量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進(jìn)行比例(P)、積分(I)、微分(D)運算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，以實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位及其他工藝參數(shù)的自動控制。目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機(jī)等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器，電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligentregulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破?PLC)是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實現(xiàn)PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能[15]。PID控制規(guī)律做為經(jīng)典控制理論的最大成果之一，由于其原理簡單且易于實現(xiàn)，具有一定的自適應(yīng)性和魯棒性，對于無時間延時的單回路控制系統(tǒng)很有效，在工業(yè)過程控制中仍被廣泛采用[3]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們面臨的被控對象越來越復(fù)雜，對于控制系統(tǒng)的精度性能和可靠性的要求越來越高，這對PID控制技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，但是PID控制技術(shù)并不會過時，它必將和先進(jìn)控制策略相結(jié)合向高精度、高性能、智能化的方向發(fā)展[16]。1.3數(shù)字PID技術(shù)隨著微型計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和可靠性的不斷提高，計算機(jī)參與工業(yè)控制不僅成為現(xiàn)實，而且日益廣泛地深入到控制技術(shù)的各個領(lǐng)域。PID控制技術(shù)和微機(jī)技術(shù)的結(jié)合，便形成了數(shù)字PID控制技術(shù)。PID控制器是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制器，在工業(yè)過程控制史得到了普遍的應(yīng)用。過去PID控制器通過硬件模擬實現(xiàn)，但隨著微型計算機(jī)的出現(xiàn)，特別是現(xiàn)代嵌入式微處理器的大量應(yīng)用，原先PID控制器中由硬件實現(xiàn)的功能都可以用軟件來代替實現(xiàn)，從而形成了數(shù)字PID算法，實現(xiàn)了由模擬PID控制器到數(shù)字PID控制器的轉(zhuǎn)變。與模擬PID控制器相比數(shù)字PD控制器有以下優(yōu)點：(l)對于具有純滯后環(huán)節(jié)的控制對象。采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)規(guī)律對純滯后環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其效果很不理想。因此，盡管幾十年前人們就對純滯后補(bǔ)償控制進(jìn)行了研究并找出了控制規(guī)律，但用模擬調(diào)節(jié)器很難實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律。用數(shù)字PID控制器進(jìn)行純滯后補(bǔ)償控制，則很容易實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，從而可保證高精度及其他高性能指標(biāo)。(2)采用常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器與數(shù)字調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，但為了得到滿意的控制效果，有時需要在控制過程中的一段時間內(nèi)進(jìn)行PI控制，在一段時間內(nèi)進(jìn)行PD控制，或需要在線改變PID參數(shù)。在此情況下也只有采用數(shù)字PID控制器在線修改控制方案才能輕而易舉的達(dá)到控制要求。數(shù)字PID控制技術(shù)有待進(jìn)一步研究，將自適應(yīng)、自整定和增益計劃設(shè)定有機(jī)結(jié)合，使其具有自動診斷功能；結(jié)合專家經(jīng)驗知識、直覺推理邏輯等專家系統(tǒng)思想和方法對原有PID控制器設(shè)計思想及整定方法進(jìn)行改進(jìn)；將預(yù)測控制、模糊控制和PID控制相結(jié)合，進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)性能，都是數(shù)字PID控制發(fā)展的極有前途的方向[17]。其中數(shù)字PID有增量式PID控制算法、位置式PID控制算法等幾種算法。通過對PID的參數(shù)的仿真研究，有助于進(jìn)一步理會所學(xué)知識，加深對課本的掌控能力。2控制系統(tǒng)及PID控制2.1控制系統(tǒng)的構(gòu)成及分類對控制對象的工作狀態(tài)能進(jìn)行自動控制的系統(tǒng)稱為自動控制系統(tǒng)，一般由控制器與控制對象組成，控制方式可分為連續(xù)控制與反饋控制，即一般所稱，開環(huán)控制與閉環(huán)控制。連續(xù)控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有任何影響，也就是說，控制端與控制對象為單向作用，這樣的系統(tǒng)亦稱開環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是指將所要求的設(shè)定值與系統(tǒng)的輸出值做比較，求其偏差量，利用這偏差量將系統(tǒng)輸出值使其與設(shè)定值調(diào)為一致。2.1.1開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loopcontrolsystem)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸入沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路[4]。圖2.1開環(huán)控制系統(tǒng)框圖2.1.2閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loopcontrolsystem)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負(fù)反饋(NegativeFeedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當(dāng)一臺真正的全自動洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動切斷電源，它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖2.2PID控制在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的[18]。2.2.1比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。比例電路如圖2.3所示：圖2.3比例電路圖（2.1） （2.2）比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。Epte(t)LKcE0t0t圖2.4比例控制器控制特性比例控制器的輸出與輸入是一一對應(yīng)的,即不等于零的控制信號，就要求有不等于零的偏差信號。若偏差信號等于零，則控制信號不為零。這樣在比例控制系統(tǒng)中，為克服擾動所需要的控制作用，只有當(dāng)比例控制器的輸入信號不為零時才能得到。應(yīng)用比例控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)，被控變量總有余差，即當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差[5]。2.2.2積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。積分電路如圖2.5所示：圖2.5積分電路圖（2.3）（2.4）（2.5）在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。e(t)2Kc1Kc0t0t圖2.6積分輸出特性對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。2.2.3微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。微分電路如圖2.7所示：圖2.7微分電路圖（2.6）（2.7） （2.8）PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例積分微分計算出控制量，控制器輸出和控制器輸入（誤差）之間的關(guān)系在時域中如公式（2.9）和（2.10）:（2.9）（2.10）公式中U(s)和E(s)分別為u(t)和e(t)的拉氏變換，，，其中、、分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。P(t)c(t)ptA(t)00tt圖2.8微分輸出自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零,即要引入微分作用。以上為三種電路的簡單介紹，對于比例、積分、微分三者對于控制系統(tǒng)的具體影響，將在后續(xù)章節(jié)中提到。3PID控制器基本原理3.1PID控制系統(tǒng)原理圖PID控制是比例、積分、微分控制的總體，而各部分的參數(shù)、、大小不同則比例、微分、積分所起作用強(qiáng)弱不同。其結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。KKP/(Tis)被控對象KPKP/(Tds)圖3.1典型PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3.1所示常規(guī)PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r(t)與際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進(jìn)行控制，三種參數(shù)如果選取合適，可以充分利用三種控制器的優(yōu)點，同時也可以達(dá)到很好的控制效果。穩(wěn)定性是任何控制系統(tǒng)的基本要求，在時域分析中，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是：系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的所有極點的均具有負(fù)實部，或者微分方程式的所有特征根為正。在控制器中僅引入“比例積分”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，積分可以消除余差，但較慢，增加“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)[6]。當(dāng)有階躍偏差產(chǎn)生時，微分作用超前動作抑制偏差，同時比例動作作用減小偏差，積分作用最后慢慢地消除偏差。通過三者之間的協(xié)調(diào)配合，以滿足系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的要求，以滿足控制系統(tǒng)的要求。3.2基本原理和特點3.2.1PID調(diào)節(jié)器的微分方程（3.1）式中3.2.2PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)（3.2）式中為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)，這三個參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響到PID控制系統(tǒng)的控制效果好壞，下面簡要介紹下這三個參數(shù)對控制性能的影響。3.3對控制性能的影響(l)比例作用對控制性能的影響比例作用的引入是為了及時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，系統(tǒng)偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生與其成比例的控制作用，以減小偏差。比例控制反映快，但對某些系統(tǒng)，可能存在穩(wěn)態(tài)誤差，加大比例系數(shù)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小，但穩(wěn)定性可能變差。.(2)積分作用對控制性能的影響積分作用的引入是為了使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實現(xiàn)對設(shè)定值的無靜差跟蹤。假設(shè)系統(tǒng)己經(jīng)處于閉環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，此時的系統(tǒng)輸出和誤差量保持為常值U。和E0，只有當(dāng)且僅當(dāng)動態(tài)誤差e(t)=0時，控制器的輸出才為常數(shù)。因此，從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在動態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)就產(chǎn)生作用，直至無差，積分作用就停止，此時積分調(diào)節(jié)輸出為一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)的大小，積分時間常數(shù)越小，積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。積分作用的引入會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。實際中，積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI控制器或者PID控制器。(3)微分作用對控制性能的影響微分作用的引入，主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化律，預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就己經(jīng)消除偏差。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時間的大小，越大，微分作用越強(qiáng)，反之則越弱。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間可以被有效的減小。從濾波器的角度看，微分作用相當(dāng)于一個高通濾波器，因此它對噪聲干擾有放大作用，而這是我們在設(shè)計控制系統(tǒng)時不希望看到的。所以我們不能一味地增加微分調(diào)節(jié)，否則會對控制系統(tǒng)抗干擾產(chǎn)生不利的影響。此外，微分作用反映的是變化率，當(dāng)偏差沒有變化時，微分作用的輸出為零。微分作用不能單獨使用,需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合,組成PD或PID控制器。PID控制器由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（Kp，Ki和Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。3.4控制規(guī)律的選取PID控制器參數(shù)整定的目的就是按照己定的控制系統(tǒng)，求得控制系統(tǒng)質(zhì)量最佳的調(diào)節(jié)性能。PID參數(shù)的整定直接影響到控制效果，合適的PID參數(shù)整定可以提高自控投用率，增加裝置操作的平穩(wěn)性。對于不同的對象，閉環(huán)系統(tǒng)控制性能的不同要求，通常需要選擇不同的控制方法，控制器結(jié)構(gòu)等;大致上，系統(tǒng)控制規(guī)律的選擇主要有下面幾種情況：(1)廣義控制通道時間常數(shù)較大或容積遲延較大時，應(yīng)引以微分作用；若工藝允許有余差，可選用比例微分控制規(guī)律；若工藝要求無余差時，則選用比例積分微分控制規(guī)律。(2)當(dāng)對象被控通道時間常數(shù)較小時，負(fù)荷變化也不大，而工藝要求無余差時，可選用比例積分控制規(guī)律，如流量控制。(3)當(dāng)廣義對象控制通道時間常數(shù)較小，負(fù)荷變化較小時，而工藝要求不高時，可選用比例控制規(guī)律，如液位控制。(4)對于一階慣性加純滯后對象，如果負(fù)荷變化不大，控制要求精度較高，可采用比例積分控制；(5)對于純滯后時間較大，負(fù)荷變化也較大，控制性能要求較高的場合，可采用比例積分微分控制。3.5PID參數(shù)整定方法調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定一般有兩種方法：一種是理論計算法，即根據(jù)廣義對象的數(shù)學(xué)模型和性能要求，用根軌跡法或頻率特性法來確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)；另一種方法是工程實驗法，通過對典型輸入響應(yīng)曲線所得到的特征量，然后查照經(jīng)驗表，求得調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。工程實驗整定法有四種，下面詳細(xì)介紹一下。3.5.1經(jīng)驗法若將控制系統(tǒng)按照液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對象往往比較接近，所以無論是控制器的形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表3.1為經(jīng)驗法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進(jìn)一步修正。若需加微分作用，微分時間常數(shù)按TD=(～)TI計算。表3.1經(jīng)驗法整定參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)δ(%)TI(min)TD(min)溫度20～603～100.5～3流量40～1000.1～1壓力30～700.4～3液位20～803.5.2臨界比例度法這種整定方法是在閉環(huán)情況下進(jìn)行的。設(shè)TI=∞，TD=0，使調(diào)節(jié)器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)呈現(xiàn)等幅振蕩，如圖3.2所示。根據(jù)臨界比例度和振蕩周期，按表3.2所列的經(jīng)驗算式，求取調(diào)節(jié)器的參考參數(shù)值，這種整定方法是以被控量的動態(tài)曲線按4：1衰減為目標(biāo)[7]。圖3.2具有周期TS的等幅振蕩表3.2臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱δTI(S)TD(S)P2δPI2.2δTS/1.2PID1.6δk0.5TS0.125TS臨界比例度法的優(yōu)點是應(yīng)用簡單方便，但此法有一定限制。首先要生產(chǎn)過程能承受受控變量等幅振蕩的波動，其次是受控對象應(yīng)是二階以上或具有純滯后的一階以上的環(huán)節(jié)，否則在比例控制下，系統(tǒng)是不會出現(xiàn)等幅振蕩的。在求取等幅振蕩曲線時，應(yīng)特別注意控制閥出現(xiàn)開、關(guān)的極端狀態(tài)。3.5.3衰減曲線法（阻尼振蕩法）圖3.3衰減曲線法圖形在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動觀察輸出響應(yīng)的衰減過程，直至出現(xiàn)圖3.3所示的4：1衰減過程為止。這時的比例度稱為4：1衰減比例度，用表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為4：1衰減周期。根據(jù)和，運用表3.3所示的經(jīng)驗公式，就可計算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。表3.3衰減曲線法計算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱δ（%）TI(min)TD(min)PδSPI1.2δS0.5TSPID0.8δS0.3TS0.1TS3.5.4動態(tài)特性參數(shù)法所謂動態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計算的方法，即根據(jù)對象特性的階躍響應(yīng)曲線測試法測得系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)（K、T、τ等），利用表3.4所示的經(jīng)驗公式，就可計算出對應(yīng)于衰減率為4：1時調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。如果被控對象是一階慣性環(huán)節(jié)，或具有很小滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，若用臨界比例度法或阻尼振蕩法（4：1衰減）就有難度，此時應(yīng)采用動態(tài)特性參數(shù)法進(jìn)行整定。表3.4經(jīng)驗計算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱δ（%）TITDP×100%PI1.1×100%3.3τPID0.85×100%2τ0.5τ調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定可采用上述任意一種整定方法。3.6PID參數(shù)的預(yù)置與調(diào)整(1)比例增益P比例增益P就是用來設(shè)置差值信號的放大系數(shù)的。任何一種變頻器的參數(shù)P都給出一個可設(shè)置的數(shù)值范圍，一般在初次調(diào)試時，P可按中間偏大值預(yù)置?；蛘邥簳r默認(rèn)出廠值，待設(shè)備運轉(zhuǎn)時再按實際情況細(xì)調(diào)。(2)積分時間如上所述．比例增益P越大，調(diào)節(jié)靈敏度越高，但由于傳動系統(tǒng)和控制電路都有慣性，調(diào)節(jié)結(jié)果達(dá)到最佳值時不能立即停止，導(dǎo)致“超調(diào)”，然后反過來調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩。為此引入積分環(huán)節(jié)I,其效果是，使經(jīng)過比例增益P放大后的差值信號在積分時間內(nèi)逐漸增大(或減?。瑥亩鴾p緩其變化速度，防止振蕩。但積分時間I太長，又會當(dāng)反饋信號急劇變化時，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此，I的取值與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，積分時間應(yīng)短些；拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時，積分時間應(yīng)長些。(3)微分時間D微分時間D是根據(jù)差值信號變化的速率，提前給出一個相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作，從而縮短了調(diào)節(jié)時間，克服因積分時間過長而使恢復(fù)滯后的缺陷。D的取值也與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，微分時間應(yīng)短些；反之，拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時，微分時間應(yīng)長些。(4)PID參數(shù)的調(diào)整原則P、I、D參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運行現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行如下細(xì)調(diào)：被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，首先加大積分時間I，如仍有振蕩，可適當(dāng)減小比例增益P。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù)，首先加大比例增益P，如果恢復(fù)仍較緩慢，可適當(dāng)減小積分時間I，還可加大微分時間D。3.7PID算法的離散化連續(xù)控制系統(tǒng)中的模擬PID控制規(guī)律為（3.3）式中，u(t)是控制器的輸出，e(t)是系統(tǒng)給定量與輸出量的偏差，Kp是比例系數(shù)，是積分時間常數(shù)，是微分時間常數(shù)。計算機(jī)控制系統(tǒng)中，利用外接矩形法進(jìn)行數(shù)值積分，一階后向差分進(jìn)行數(shù)值微分，當(dāng)選定采樣周期為T時，有（3.4）為全量輸出，它對應(yīng)于被控對象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)第i次采樣時刻應(yīng)達(dá)到的位置，因此，該式稱為PID位置型控制算式，其輸出值與過去所有狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對數(shù)值，而是其增量時，由上式可導(dǎo)出增量型PID控制算式（3.5）還可寫成遞推型PID控制算式（3.6）增量型控制算式具有以下優(yōu)點：1）計算機(jī)只輸出控制增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化部分，因而誤動作影響小。2）在i時刻的輸出，只需用到此時刻的偏差，以及前一時刻，前兩時刻的偏差，和前一次的輸出值，這大大節(jié)約了內(nèi)存和計算時間。3）在進(jìn)行手動－自動切換時，控制量沖擊小，能夠較平滑地過渡。4可編程控制器(FAB)4.1FAB簡介FAB小巨人智能控制器（系列）是亞銳電子（南京）有限公司推出的一種采用模塊編程的新的可編程控制器。FAB系列智能控制器是一種采用功能塊編程，并且附有LCD液晶顯示面板的智能控制器。它將以往PLC中需要用一大段指令程序才能完成的控制功能換成用一個功能塊來實現(xiàn)，若干個功能塊按照特定的方式連接在一起即可完成較為復(fù)雜的控制功能，從而將編程工作大大滴簡化。FAB系列智能控制器的應(yīng)用極為廣泛，可用于機(jī)械設(shè)備自動化配套、流程控制、樓宇自動控制等各個領(lǐng)域，它真正使得自動控制走進(jìn)生活的每個空間。FAB智能控制器是一種新型的可編程控制器，它采用功能塊FBD的方式編寫程序，比起傳統(tǒng)PLC編程（梯形圖和指令）方式[8],更為簡單,易學(xué)。在系列產(chǎn)品的設(shè)計思想中，將傳統(tǒng)分離式PLC中的控制器主機(jī)與寫入器合而為一，在LCD面板上，可以直接編程，從而大大降低使用者的成本投入，并且為操作者帶來極大的方便。系列產(chǎn)品體積小，重量輕，特別適合內(nèi)藏安裝使用。另外，F(xiàn)AB系列智能控制器可實現(xiàn)近程和遠(yuǎn)程的通訊聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控，使得小小機(jī)身更具強(qiáng)大功能。并且FAB還可與語音模塊聯(lián)合使用，可實現(xiàn)電話遙控、語音提示以及自動撥打電話號碼之功能。目前，F(xiàn)AB的使用己經(jīng)遍布工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭自動化控制等各個方面，真正的無所不在。4.2FAB功能特點及應(yīng)用范圍4.2.1FAB功能特點（1）可拆卸式代液晶顯示屏編程面板FAB正面是一塊帶液晶顯示屏的操作面板，可直接通過該面板上的操作鍵來為FAB編輯控制程序；而且該液晶顯示面板是可拆卸式的，可根據(jù)需要靈活設(shè)置，當(dāng)需要時，可將其插上，不需要時，可將其拔出以一塊普通面板替代之，這樣將大幅度降低使用成本。（2）精致小巧的造形（3）采用邏輯塊編程，程序存儲容量大FAB用一個功能模塊來實現(xiàn)以往PLC需要一大段程序才能實現(xiàn)的控制功能，將若干個功能模塊按照一定的方式連接起來，就能夠完成較為復(fù)雜的控制功能。最多可容納127個功能模塊組成的程序的存儲，有足夠您實現(xiàn)繁雜控制要求的使用資源，并且程序一經(jīng)寫入，將永遠(yuǎn)不會丟失。（4）免費的編程軟件QUICKII除了可以直接在液晶顯示面板上為FAB編程外，還可利用編程軟件即QUICKII在電腦上編程，然后將程序燒錄入FAB的存儲器，QUICKII是一種極為友好的人機(jī)編程界面，它不但可以進(jìn)行功能圖的編輯，而且可在電腦上模擬運行所編寫的程序，提供給使用者一個離線測試的功能，避免在線測試的眾多不便。QUICKII除了可引導(dǎo)您輕松完成控制程序的編輯外，還可對現(xiàn)場環(huán)境和的運行情況進(jìn)行實時監(jiān)測。（5）實時鐘功能FAB系列智能控制器具有實時鐘記錄功能，可以按照任何需要的時間表計時運行，實時時鐘的計時精度為秒，使時間控制更準(zhǔn)確無誤。而且可以設(shè)定多達(dá)127個不同的時間段，特別適合于需要時間控制的系統(tǒng)。（6）模擬量輸入、傳輸FAB除了可接收開關(guān)量的輸入外，還可接收模擬量輸入，完成對溫度、濕度、壓力、流量、液位等的控制，并且可遠(yuǎn)程傳輸?shù)絇C機(jī)，進(jìn)行監(jiān)視。（7）可通過MODEM進(jìn)行遠(yuǎn)程編程與數(shù)據(jù)采集監(jiān)控當(dāng)需要為相距甚遠(yuǎn)的FAB控制器編寫和修改程序時，只需要將連接上MODEM通過電話線即可完成，并且也可通過MODEM進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控。（8）安全密碼鎖功能FAB本身對所編寫的程序具有絕對的保密性，在燒錄程序前可設(shè)定自己的密碼，只有在輸入了正確的密碼后方可對程序進(jìn)行修改。（9）電話遙控及自動撥號功能FAB配有電話、語音功能模塊，可通過電話線直接撥號（預(yù)先設(shè)定電話號碼，當(dāng)條件滿足時，F(xiàn)AB可自動撥號）,從而實現(xiàn)通知或者報警的功能；而且FAB也可接收通過電話線傳來的遠(yuǎn)程信號，以控制終端設(shè)備。（10）語音功能FAB首次將語音的錄制和播放功能應(yīng)用于自動控制器行業(yè)，創(chuàng)造出會說話的智能控制器，完成語音提示的功能。（11）聯(lián)網(wǎng)功能FAB具有聯(lián)網(wǎng)功能，能夠使多達(dá)255臺的FAB通過485總線組成一個網(wǎng)絡(luò)，在同一個PC上進(jìn)行實時監(jiān)控。如果進(jìn)行串口擴(kuò)展，則網(wǎng)絡(luò)將是無限的。（12）FAB—SCADA監(jiān)控功能。（13）增添了中間繼電器，使得能簡單處理更加復(fù)雜的控制要求。4.2.2FAB應(yīng)用范圍1.自動門控制2.自動照明3.智能小區(qū)樓宇監(jiān)控4.噴泉系統(tǒng)5.防盜保全系統(tǒng)6.工業(yè)自動化7.機(jī)床自動化8.水處理自動化9.鍋爐自動控制10.路燈自動控制11.工廠學(xué)校廣播鈴聲控制12街頭霓紅燈控制13.跨城市的遠(yuǎn)程監(jiān)控14農(nóng)業(yè)灌溉激光照控制15.隧道自動調(diào)光控制4.3功能模塊概述FAB采用功能模塊編程方式，共設(shè)置二十種功能模塊，每種模塊都能夠獨立完成特定的控制功能，如延時接通，延時斷開，開館時間設(shè)定，計數(shù)器功能等。若干個模塊按照一定的方式連接起來，即可完成較為復(fù)雜的控制功能，比通常的PLC指令編程簡單直觀。FAB功能模塊的編輯操作數(shù)有如下類型可供選擇：（1）輸入端選擇：I1~IC(輸入端口)，Q1~Q8(輸出端口)、M00~M126（中間繼電器）、HI（高電位狀態(tài)）、LO（低電位狀態(tài)）、X（無輸入連接）、P0~P9(電話的雙音頻脈沖)；（2）輸出端的選擇：Q1~Q8（輸出端口）、M00~M126(中間繼電器)。4.4系統(tǒng)選用型號系統(tǒng)選取型號為：AF—20MR—A.此型號為交流供電，數(shù)字量輸入，12點AC輸入，8點繼電器輸出，外型美觀、小巧，功能全面、操作簡單、方便、易學(xué)。圖4.1FAB可編程控制器4.5FAB的編程軟件QUICKQUICK是配合FAB主機(jī)，在PC上執(zhí)行的編程和模擬軟件。它除了能夠完成FAB控制程序（功能塊圖）的編寫外，還可以在PC上模擬運行所編寫的程序D的運行情況，并且將運行的結(jié)果清楚地顯現(xiàn)出來，以測試所編寫程序的正確性。另外，QUICK可以實現(xiàn)FAB的近程和遠(yuǎn)程的通訊，可以將編好的程序燒錄到FAB主機(jī)的EEPROM之中，永遠(yuǎn)不會丟失。4.6FAB技術(shù)參數(shù)FAB技術(shù)參數(shù)如表4.1所示：表4.1FAB技術(shù)參數(shù)項目技術(shù)指標(biāo)輸出接點容量10A編程模塊數(shù)量127模塊種類127程序存儲容量64Kbit中間繼電器數(shù)量127計時器個數(shù)127計數(shù)器個數(shù)127實時鐘功能時間段127輸入方式交直流輸入均可輸出方式晶體管、繼電器輸入定義號I9-I1,IA,IB,IC,ID輸出定義號Q1-Q8輸入電壓AC85V-AC240V/DC24V輸入端高電位電壓范圍A≥80V輸入端低電壓范圍A≤40V4.7FAB性能參數(shù)FAB性能參數(shù)如表4.2所示：表4.2FAB性能參數(shù)性能特征性能參數(shù)工作溫度0℃-55℃儲存/運輸-40℃-70℃防護(hù)等級IP20干擾抑制符合EN55011（B級）絕緣強(qiáng)度符合IEC1131尺寸90*126*58（單位：毫米）實時時鐘精度誤差最大±5S/day認(rèn)證CE認(rèn)證安裝35mm標(biāo)準(zhǔn)的DIN導(dǎo)軌或螺釘固定安裝電源額定電壓AC100-240VAC220V功耗5W波動電壓允許范圍AC85-265V允許主頻率47-63Hz數(shù)字量輸入信號0：AC0-40V，輸入電流：〈0.1mA，信號1：AC80-240V，輸入電流：〈0.２mA數(shù)字量輸出類型繼電器輸出電器隔離有每組點數(shù)1連續(xù)電流最大值10A機(jī)械開關(guān)頻率10Hz感性/阻性負(fù)載開關(guān)頻率0.5Hz/2Hz5變頻器原理及分類變頻器的功能是將頻率固定的(通常為50Hz)的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電，輸出端輸出的是頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相交流電[9]。變頻器主要分為間接變頻和直接變頻兩大類，而間接變頻又根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)的主要儲能元件的不同可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器主回路由相控整流器，中間直流環(huán)節(jié)和逆變器三個部分組成。相控整流器將交流電壓整流為可控的直流電壓，經(jīng)濾波由電容Cd輸出直流電壓Ud，逆變器將直流Ud變換成頻率可調(diào)的交流電源供給電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。由于中間直流環(huán)節(jié)是Cd低阻抗輸出相當(dāng)于是恒壓源，故稱電壓型。電流型交-直-交變頻器與電壓型變頻器的差別僅在于中間直流環(huán)節(jié)中的儲能元件是電感而不是電容。由于中間直流環(huán)節(jié)是高阻抗輸出相當(dāng)于電流源，故稱電流型。迄今為止，在中小容量變頻器中應(yīng)用得最為廣泛的是交-直-交電壓型變頻器，它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在整流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。其工作可分為兩個基本過程：先將電源的三相交流電經(jīng)整流橋整流成直流電。(2)再把直流電逆變成頻率任意可調(diào)的三相交流電，所謂“逆變”過程，就是若干個開關(guān)器件長時間不停息地交替導(dǎo)通和關(guān)斷的過程，使兩相間的電壓為交變電壓。在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出?？刂齐娐肥墙o異步電動機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機(jī)的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進(jìn)行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機(jī)的“保護(hù)電路”組成。運算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進(jìn)行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。速度檢測電路：以裝在異步電動機(jī)軸機(jī)上的速度檢測器（tg、plg等）的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機(jī)按指令速度運轉(zhuǎn)。保護(hù)電路：檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。5.1變頻器的分類變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等[10]。5.2變頻器的控制方式在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。(1)V/f控制V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時，又要保證電動機(jī)的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。(2)轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在V/f控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動機(jī)具有對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進(jìn)行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負(fù)載變動有良好的響應(yīng)特性。(3)矢量控制矢量控制是通過矢量坐標(biāo)電路控制電動機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對電動機(jī)在d、q、0坐標(biāo)軸系中的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種PWM波，達(dá)到各種不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的PWM波以減少開關(guān)損耗。目前在變頻器中實際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種[11]。(4)直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達(dá)到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對于多拖動具有負(fù)荷平衡功能。(5)最優(yōu)控制最優(yōu)控制在實際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進(jìn)行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。5.3變頻與變壓(VVVF)原理當(dāng)在實際利用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的過程中，當(dāng)頻率f下降時，定子繞組的反電動勢E有所下降，定子電流增大，但是轉(zhuǎn)子側(cè)的負(fù)載并未增加，故轉(zhuǎn)子段電流不變，根據(jù)電流平衡方程可知，勵磁電流比增大，因而磁通φm增大。φm增加將導(dǎo)致鐵芯的飽和，進(jìn)而引起勵磁電流波形的畸變，這是不希望的結(jié)果，因此希望φm可以保持基本不變。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，只要在變頻過程中使變頻器輸出電壓Ul/f=const，則磁通φm可保持基本不變。因此變頻的同時也要變壓，常用VVVF表示[12]。VVVF實施的基本方法包括：脈幅調(diào)制(PAM)和脈寬調(diào)制(PWM)和正弦脈寬調(diào)制(SPWM)[13]。（1）脈幅調(diào)制(PAM)實現(xiàn)方法就是調(diào)節(jié)頻率的同時，也改變直流電壓的振幅值。PAM需要同時調(diào)節(jié)兩個部分：整流部分和逆變部分，兩者之間還必須滿足一定的關(guān)系，故控制電路比較復(fù)雜，因此比較少用。（2）脈寬調(diào)制(PWM)它是通過輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓。實現(xiàn)方法就是在每半個周期內(nèi)，把輸出電壓的波形分割成若干個脈沖波，每個脈沖的寬度為t1，每個脈沖間的間隔寬度為t2，則脈沖的占空比Υ=tl/(t2+tl)。這時電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，同樣可以實現(xiàn)變頻也變壓的效果。（3）正弦脈寬調(diào)制(SPWM)在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，如果脈沖寬度和占空比的大小按正弦規(guī)律分布，便是正弦脈寬調(diào)制(SWPM)。當(dāng)正弦值較大時，脈沖寬度和占空比都大；而當(dāng)正弦值較小時，脈沖寬度和占空比都小。SPWM的顯著優(yōu)點是：由于電動機(jī)的繞組具有電感性，因此，盡管電壓是由一系列的矩形脈沖構(gòu)成的，但通入電動機(jī)的電流卻和正弦波十分接近[14]。6控制系統(tǒng)主要電氣元件選型6.1變頻器圖6.1富士FRN2.2G1S-4C型變頻器富士變頻器是世界知名的變頻器之一，由富士電機(jī)株式會社生產(chǎn)，在世界各地占有率比較高。FRN2.2G1S-4C使用pg反饋卡（選件）構(gòu)成帶pg反饋的矢量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)更高性能、更高精度的運行。-速度控制范圍：1：1200-速度控制精度：±0.02%-速度響應(yīng)：40hz電動機(jī)低轉(zhuǎn)速時脈動大大減小動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制。采用動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制，結(jié)合富士專有的數(shù)字avr，實現(xiàn)電動機(jī)低轉(zhuǎn)速（1hz）運行時的轉(zhuǎn)速脈動比以前機(jī)種減小1/2以上。（2）新方式在線自整定系統(tǒng)，在電動機(jī)運行過程中常時進(jìn)行自整定，常時核對電動機(jī)特性變化，實現(xiàn)高精度速度控制。（3）第2電動機(jī)亦有自整定功能，1臺變頻器切換運行2臺電動機(jī)時，保證2臺電動機(jī)都能高精度運行。優(yōu)良的環(huán)境兼容性。（4）采用低噪聲控制電源系統(tǒng)，大大減小對周圍傳感器等設(shè)備的噪聲干擾影響。（5）標(biāo)準(zhǔn)裝有連接抑制高次諧波電流的dc電抗器端子。（6）連接選件emc濾波器后，能符合歐洲emc指令。節(jié)能功能的提高。（7）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有風(fēng)機(jī)、泵等最佳自動節(jié)能運行模式。采用使電動機(jī)損耗降至最小的新控制方式，取得更好的節(jié)能效果。6.2斷路器當(dāng)變頻器需要檢修時，或者因某種原因而長時間不用時，將QF切斷，使變頻器與電源隔離。當(dāng)變頻器輸入側(cè)發(fā)生短路等故障時，進(jìn)行保護(hù)。圖6.2德力西DZ47斷路器選擇原則(1)變頻器在剛接電源的瞬間，對電容器的充電電流可達(dá)額定電流的（2-3）倍。(2)變頻器的進(jìn)線電流是脈沖電流，其峰值?？赡艹^額定電流。(3)變頻器允許的過載能力為150%，1min。為了避免誤動作，斷路器的額定電流應(yīng)選：(6.1)其中為變頻器的額定電流。

DZ47系列小型斷路器（以下簡稱斷路器）是一種具有過載與短路雙重保護(hù)的限流型高分?jǐn)嘈⌒蛿嗦菲?，適用于交流50Hz/60Hz，額定工作電壓230V/400V，額定電流至63A及以下的電路中，作為線路過載和短路保護(hù)之用。

產(chǎn)品符合GB10963和IEC60898-1標(biāo)準(zhǔn)。6.3接觸器圖6.3德力西接觸器德力西CDC1系列交流接觸器主要用于交流50Hz(或60Hz)、額定工作電壓至660V,額定工作電流至370A的電力系統(tǒng)中接通和分?jǐn)嚯娐?并可與適當(dāng)?shù)臒徇^載繼電器或電子式保護(hù)裝置組合成電磁起動器,以保護(hù)可能發(fā)生過載的電路。(1)主要作用：可通過按鈕開關(guān)方便地控制變頻器的通電與斷電；變頻器發(fā)生故障時，可自動切斷電源。(2)選擇原則：由于接觸器自身并無保護(hù)功能，不存在誤動作的問題，故選擇原則是主觸點的額定電流。7PID在系統(tǒng)中的應(yīng)用7.1實物接線圖控制系統(tǒng)實物連線圖如圖7.1所示；顯示及操作面板如圖7.2所示。圖7.1實物連線圖圖7.2顯示及操作面板7.2實驗接線電路原理圖主電路接線原理圖如圖7.3所示；PLC及控制回路接線原理圖如圖7.4所示。圖7.3主電路接線原理圖圖7.4控制回路接線圖7.3FAB程序圖FAB程序圖如圖7.5所示。圖7.5FAB程序圖7.4PID參數(shù)設(shè)置PID參數(shù)設(shè)置如表7.1所示：表7.1PID參數(shù)設(shè)置參數(shù)顯示符號設(shè)定值內(nèi)容說明STBYOFF待機(jī)設(shè)定LACH0解除報警鎖定AT0自動整定停止TM-10定時器1顯示AL-110設(shè)定報警1的動作值LOC0指定可變更參數(shù)P45比例帶I15積分時間D0微分時間HYS1雙位動作時旳滯后范圍CTrLPID控制方式P-n216輸入種類的設(shè)定P-SL0量程下限設(shè)定P-SU100量程上限設(shè)定P-dP0小數(shù)點位置設(shè)定PVOF0PV偏置P-dF5輸入濾波器常數(shù)ALM15報警種類1P-n115控制動作指定SV-L0SV下限限制器設(shè)定SV-H100SV上限限制器設(shè)定dLy10報警1延時ON設(shè)定A1hY1報警1滯后設(shè)定A1oP000報警1選項設(shè)定AdJO-4PID較零7.5變頻器參數(shù)設(shè)置變頻器參數(shù)設(shè)定如表7.2所示：表7.2變頻器參數(shù)設(shè)定功能代碼設(shè)定值內(nèi)容說明F012頻率設(shè)定1F021運行操作D0350.0最高輸出頻率1F0450.0基本頻率1F05380額定電壓1F0710.0加速時間1F0810.0減速時間1結(jié)論P(yáng)ID閉環(huán)控制是控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛的一種控制算法，對大部分控制對象都有良好的控制效果。由富士變頻器FRN2.2G1S-4C、水泵電機(jī)、富士PI調(diào)節(jié)器PXR5/9、臺灣亞銳公司可編程控制器FAB系列AF-20MR-A、壓力變送器組成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較高的自動化程度。通過對其主電路﹑控制電路的設(shè)計，變頻器參數(shù)的選定，PID參數(shù)的整定以及對可編程控制器控制程序的編寫，經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，具有良好的穩(wěn)定性、安全性和節(jié)能性。致謝首先衷心的感謝我的論文指導(dǎo)老師石征錦老師。在我做畢業(yè)設(shè)計的過程中得到了石老師的悉心指導(dǎo)。從設(shè)計的開始到論文的定稿，整個過程處處凝結(jié)著老師的心血。并在整個論文實驗和論文寫作過程中，對我進(jìn)行了耐心的指導(dǎo)和幫助，提出嚴(yán)格要求，引導(dǎo)我不斷開闊思路，為我答疑解惑，鼓勵我大膽創(chuàng)新，使我在這一段寶貴的時光中，既增長了知識、開闊了視野、鍛煉了心態(tài)，又培養(yǎng)了良好的實驗習(xí)慣和科研精神。在此，我向我的指導(dǎo)老師表示最誠摯的謝意！在這半年的畢業(yè)設(shè)計的過程中，我還得到了本組同學(xué)、本班同學(xué)的大力幫助，我們一起學(xué)習(xí)，一起探討問題、解決問題，特別感謝合作組員的熱心協(xié)助。當(dāng)我遇到困難時，他們給了我許多好的建議和無私的幫助。在此，對所有給予我?guī)椭耐瑢W(xué)表示衷心的感謝。最后，衷心地感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位老師!參考文獻(xiàn)[1]李元春.計算機(jī)控制系統(tǒng)[M].第2版.北京:高等教育出版社,2009:109-110[2]楊英云.PID過程控制簡析[J].河北化工,29(8),2004:46-48[3]陶永華.新型PID控制及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006[4]王萬良.自動控制原理[M].北京:高等教育出版社,2008:5-6[5]金以慧.過程控制[M].第1版.北京:清華大學(xué)出版社，1993：55-57[6]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992:10-19[7]邵裕森,戴先中.過程控制工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:166-169[8]吳中俊，黃永紅.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004[9]陳伯時，陳敏遜.交流變頻調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998[10]姚錫祿.變頻器控制技術(shù)入門與應(yīng)用實例[M].北京:中國電力出版社,2009:14-40[11]魏連榮.變頻器應(yīng)用技術(shù)及實例解析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008:73-133[12]李良仁,王兆晶.變頻調(diào)速技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004:87-94[13]張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M].第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:244[14]張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M].第3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:153[15]Eker，lyas．Operat]onandcontrolofawatersupplysystem．ISATransactions．2003，2(3)：461-473[16]JZouA．P．Energy—savingDesJgnforFrequencyControlandConstantPressureWaterSupplySysteminResiden￡ialArea．chinawaterandwastewater,2003．9(8)：7B-7B．[17]KJASTROM,THAGGLUND.PIDContorller,2Edition[M].ResearchTrianglePark,NotthCarolina:InstrumentSocietyofAmerica.1995.[18]S.Z.HE,H.S.TAN,L.F.XU.FuzzySelf-tuningofPIDControllers[J].FuzzySetandSystem.1993,56(2).附錄A英文原文PIDControl1IntroductionThePIDcontrolleristhemostcommonformoffeedback.Itwasanessentialelementofearlygovernorsanditbecamethestandardtoolwhenprocesscontrolemergedinthe1940s.Inprocesscontroltoday,morethan95%ofthecontrolloopsareofPIDtype,mostloopsareactuallyPIcontrol.PIDcontrollersaretodayfoundinallareaswherecontrolisused.Thecontrollerscomeinmanydifferentforms.Therearestandalonesystemsinboxesforoneorafewloops,whicharemanufacturedbythehundredthousandsyearly.PIDcontrolisanimportantingredientofadistributedcontrolsystem.Thecontrollersarealsoembeddedinmanyspecialpurposecontrolsystems.PIDcontrolisoftencombinedwithlogic,sequentialfunctions,selectors,andsimplefunctionblockstobuildthecomplicatedautomationsystemsusedforenergyproduction,transportation,andmanufacturing.Manysophisticatedcontrolstrategies,suchasmodelpredictivecontrol,arealsoorganizedhierarchically.PIDcontrolisusedatthelowestlevel;themultivariablecontrollergivesthesetpointstothecontrollersatthelowerlevel.ThePIDcontrollercanthusbesaidtobethe“breadandbutterofcontrolengineering.Itisanimportantcomponentineverycontrolengineer’stoolbox.PIDcontrollershavesurvivedmanychangesintechnology,frommechanicsandpneumaticstomicroprocessorsviaelectronictubes,transistors,integratedcircuits.Themicroprocessorhashadadramatici