PID调节在知识城线枫下站生活给水系统中的应用

PID调节在知识城线枫下站生活给水系统中的应用

李智健

广州地铁集团有限公司 广东广州 510000

摘要：本文介绍智能PID调节在知识城线枫下站生活给水系统中的应用，并介绍实现平衡阀开度的自动调节过程中，PID调节在实际使用中参数的调整与确定。

关键词：智能PID调节；环控节能系统；平衡阀；地铁车站

1 引言

随着城市的不断发展，众多大中城市建设城市轨道交通系统，尤其是地下铁道交通系统以缓解地面交通压力。地下铁道交通往往伴随新建线路建设在郊区地区，这些地区供水系统还未完善，多有水压不足情况，需要叠压供水系统实现车站的恒压供水。本文介绍基于上润精密智能PID调节器的叠压供水系统如何调整PID参数实现对供水。本文介绍基于PLC控制器的PID控制应用于平衡阀开度的自动调节及PID参数的调整。

2 控制系统组成

叠压供水系统主要分为供水管路系统与电器柜控制系统组成。供水管路系统主要由储水箱、两台供水泵、稳压罐、供水管路组成；电器柜控制系统主要由水压压力传感器、变频器、智能PID调节器、西门子plc与中间继电器、以及主回路空气断路器与供电电线电缆。其组成示意图如下：

图一 系统组成图

供水管路系统动力源为供水水泵。两台供水水泵互为备用，投入时只使用一台，令另一台备用停机，同时具有自动轮换功能，确保两台水泵的均衡运行。水源由储水箱被水泵抽出打入稳压罐以及出口供水管路，电器柜控制系统根据检测的水压确认供水泵供电频率，控制供水泵转速从而起到控制水压功能。

3 恒压控制工作原理

3.1 恒压控制过程

恒压控制在系统中主要是依靠智能PID调节器实现。稳压罐顶端有水压压力传感器，其将水压信号转换为4—20mA的模拟量信号，传输给智能PID调节器。智能PID调节器内置变送输出与PID控制输出，变送输出功能为把接收到的模拟量信号线性变换为直流电压输出。由于直接线性变换输出无法实现负反馈控制，本系统需用到PID调节实现负反馈控制，所以选用0—5V直流电压PID控制输出。0—5V直流电压模拟量传输给变频器。变频器需线性设置模拟量输入0—5V直流电压对应0—50Hz输出电压频率。其电气原理图如下：

图二 恒压控制电气原理

智能PID调节器需设定目标值，并与水压压力传感器反馈的实际值比较得出偏差值，并通过调节器内部的PID计算模块计算，得到输出。为了使该系统在运行过程中有更好的稳态和动态性能，必须合理选择调节器P 、I、D闭环控制功能参数。

3.2 PID调节基本原理

（1）PID控制介绍

PID 控制即比例积分微分控制是历史最久、生命力最强的控制方式，现被广泛应用到工业制造生产的各个控制领域。PID是比例、积分、微分的缩写（Proportional-Integral-Differential）比例作用的输出与偏差大小成正比；积分作用的输出变化速度与偏差成正比；微分作用的输出与偏差变化速度成正比。其原理如图3式。

图3 PID控制原理图

输入：控制偏差e ( t ) = r ( t )  - y ( t )

输出：偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)的线性组合   

式中KP—比例系数，TI—积分时间常数，TD—微分时间常数

本系统是确定KP，TI，TD，同水压传感器反馈的实际值y ( t )与设定值 r ( t )比较得出偏差值e ( t ) ，从而控制输出。

（2）比例调节原理

    在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例， 即u = Kp*e。式中Kp称为比例系数。比例调节的输出增量与输入增量呈一一对应的比例关系，比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。本系统中水压压力偏差值e ( t )通过比例调节放大后，可使得小水压变化放大，迅速调整输出频率，系统快速反应水压的变化。但比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，必然产生余差。只用比例调节，水压压力值与设定值一定有偏差，同时比例系数设定不当将引起系统振荡，水压上下浮动无法稳定，所以本系统不能只是用比例调节。

（3）积分调节原理

    调节器的输出信号的变化速度du/dt与偏差信号e成正比，即，

积分调节只要偏差不为零，控制输出就不为零，它就要动作到把被调量的静差完全消除为止，而一旦被调量偏差e为零，积分调节器的输出就会保持不变。本系统中需要积分调节不断对水压压力偏差值e ( t )进行积累，直到水压压力值与设定值一致。

（4）微分调节原理

    微分调节器的输出u与被调量或其偏差e对于时间的导数成正比，即，微分调节是根据偏差信号的微分,即偏差变化的速度而动作的。微分调节主要用于克服调节对象有较大的传递滞后和容量滞后。本系统可根据需要选择是否使用微分调节，如楼层使用水量较大，次数较为频繁等扰动，设定微分调节可减少扰动的影响；如一般情况扰动较小可不设定微分调节。

4 实际PID参数设定及调整

在实际调试及使用过程中，调试人员其实并不需要真正计算出系统函数，而是靠经验及对工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整P，I，D的大小。在本系统中需设定参数为P 比例系数，I积分时间常数，D微分时间常数。

首先，确保系统按照要求接好线路，检查无误，并设定目标值，需确保智能PID调节器设定为负反馈作用。第一步，设定P参数：P值越大负载变化后温度恢复越快，但易振荡，所以P值应由小调大，以避免开机出现超调和振荡。运行后视响应情况在逐步调大，以既能快速响应，又不出现超调或振荡为最佳。第二步，设I参数：I值越大克服振荡的效果好，但温度恢复得慢。I值应由小调大，以系统不出现超频振荡，并快速消除静差进入稳态为最佳。第三部，设定参数D：比例调节能迅速反应误差，从而减少静态误差，但如P、I参数设定后系统可快速反应，无超调或振荡，可不必设定D值。D值则可从0开始逐渐加大至系统不出现超调或振荡即可。

结论

在众多供水系统还未完善的地区，多有水压不足情况，这些地区的建筑需要叠压供水系统实现其生活水或消防水的供给。基于PID调节的叠压供水系统，实现了水压的恒定输出同时节约了电能与维护费用，是值得大力推广的一项技术。

参考文献：

[1] 张燕宾．SPWM变频调速应用技术［M］．北京：机械工业版社，2004

[2] 郁汉琪，陆宝春等．基于专家PID调节的变频调速恒压供水系统的研究［J］．电气传动自动化，1998（1）

[3] 胡寿松．自动控制原理5版［M］．北京：科学出版社，2007