PID控制在燃气加压系统中的应用

【摘 要】 本文基于pid控制原理的基础与现阶段与变频器设备的配合使用，结合其使用方式来系统阐述PID调节功能在当前燃气输配系统的得应用。

【关键词】 PID 工业控制 变频器 燃气输配 电气控制

1 引言

目前广泛应用PID的控制系统具有真正的智能化和灵活性，越来越多的恒压、恒温控制系统都基于PID算法而设计。随着控制对象变得复杂，应用传统的给定电气控制精度和鲁棒性降低。当控制对象很复杂的情况下，传统已经不再适用了，为了提高对复杂系统的控制性能，要使用PID控制器与现阶段工控产品相结合如变频器等设备，通过PID调节系统的自整定功能实现供气系统的恒压运行。在城市燃气行业，PID控制技术与变频器的结合使用为调节输配燃气加压设备的罗茨鼓风机在调速、调压等方面均已收到十分理想的效果，不仅调压范围宽，其风机在运行过程中节能效果也十分明显。

2 PID控制原理

图1-1 模拟PID 控制系统原理图

常规PID控制系统原理框图如图1-1所示，系统主要由模拟PID控制器和被控对象组成。它根据给定值rin （t）与实际输出值yout （t）构成-比例系数，-积分时间常数，-微分时间常数；

概括而言，PID控制器的比例、积分和微分三个校正环节的作用如下：（1）比例环节：能迅速反映控制系统的误差，减少稳态误差，但比例控制不能消除稳态误差，比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。（2）积分环节：主要用于消除系统稳态误差，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，但积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统产生振荡；积分作用的强弱取决于积分时间常数越大，积分作用越弱。（3）微分作用：减少超调量及克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能。但是，PID控制主要局限性在于它对被控对象的依赖性，一般需预先知道被控对象的数学模型方可进行设计。

3 PID控制器的参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算 确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通 过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：（1）首先预选 择一个足够短的采样周期让系统工作；（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

4 PID调节器在电气控制系统中的应用

由于变频器的转速控制信号一般是由可编程控制器回路调节器给出的，所以对于可编程控制器，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了天然气变频恒压供气设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为控制变频器转速的模拟信号，造成可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。所以，在天然气变频恒压供气控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低供气设备成本的一个关键环节，在该系统中采用自带PID调节功能的变频器（也可以采用独立的PID控制器），这样就很好地解决了这个问题。PID控制属于闭环控制，是指将被控量的检测信号（既由变送器侧的得实际值）反馈到变频器，同时检测信号与被控量的目标信号相比较，以判断是否已经达到预定的控制目标。如尚未达到，则根据两者的差值进行调整，直至最后达到预定的控制目标为止。

5 取得成果

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。通过PID的自调节输出功能同变频器等现代工控设备的配合使用，在我们燃气供应系统中可实现恒压并自动整定的供气压力等实用效果，同时相比原有的风机单纯以工频运行来供电通过调节风机出口阀门来调压其在电能的使用节能特点上也具有很大的经济效益。

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