PID控制在风洞风速调节中的应用
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PID控制在风洞风速调节中的应用
陈树权
(哈尔滨150001)
摘要为了完成某研究所风洞的风速控制系统，设计了一套以计算机为中心基于PLC的风速控制系统，给出了系统的硬件设计和软件设计，在提出PI控制方案的基础上，介绍了PID 控制的原理和特点，对风速控制精度及PID参数整定进行了研究。
经实际运行验证了在风洞交流电机变频调速系统中PID控制的可靠性和实用性。
关键词PID控制交流电机变频调速
引言
风洞是空气动力学试验系统的必要设备。
它依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在风洞中，通过风洞气流流过，以此模拟飞行器空中各种复杂的飞行状态，获取实验数据。
风洞是研制飞机必需的一种试验装置。
它模拟飞机飞行中各种气动力条件，以便获取飞机在空中飞行时的各种参数。
气流的改变是通过调节风洞系统中的电机转数调节风速实现的，风速采用安川G7系列变频控制器，并配以编码器反馈完成高精度控制，通过可编程逻辑控制器(PLC)实现PID 控制，使用具有触摸操作和通信功能的人机界面。
PID控制是闭环控制系统中比例一积分一微分控制算法，它可以看作是这三项之和，根据设定值与被控对象实际值的差值，按PID方式汁算出控制输出量，使反馈跟随设定值变化，因此PID控制是负反馈闭环控制其中比例项是增益(Kc)与偏差的乘积，积分项与偏差的和成正比，微分项与偏差的变化成正比，而可编程控制器(PIC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制。
1 PID控制介绍
1．1 PID控制的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称PID调节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。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时。
系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
本系统中只采用比例和积分控制。
1．1．1 比例(P)控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输人误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady—stateerror)。
1．1．2 积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进人稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(System withSteady—stateError)。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
1．1．3 微分(D)控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大
惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误
差接近零时．抑制误差的作用就应该是零.这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
2．系统的硬件设计
2．1 控制系统组成
从图l中可以看到，风速控制部分的硬件由计算机、PID调节器、变频器、交流电机、差压传感器和人机界面等几部分组成。
执行过程为输入设定风速值，计算机根据设定风速与实际测量得到的风速比较后采用PID算法，计算出相应的输出数字信号，由PLC
通过D／_A转换为模拟信号量输出给变频器，利用变频器改变电机的输入频率，以改变交流电机转速来调节风速，由差压传感器测得风洞试验段动压，将动压值传给PID调节器，将动压换算成风速，换算后的风速经过与风速给定信号进行比较其偏差值，采用优化的PID算法控制模拟输出信号，来改变变频器的频率，从而保证风速的设定值和反馈值相等或者接近，以此实现了风速的闭环控制。
2．2 硬件组成
2．2．1 计算机
计算机是控制系统的中央控制单元，它是完成吹风程序控制、数据采集、数据换算及控制指令发出等功能的设备，本系统选用研华工业控制计算机。
2．2．2 可编程逻辑控制器PLC和人机界面
可编程逻辑控制器(PLC)选用西门子公司的S7—200。
可编程逻辑控制器具有功能强大、运算速度快、程序设计简单、修改程序灵活方便、可靠性高、抗干扰能力强以及能在恶劣的工业环境下长期工作等显著特点，已广泛的应用于自动化控制的各个领域。
本系统中所采用的经典控制理论的PID算法就是通过可编程逻辑控制器来实现的。
可编程逻辑控制器因其本身不具有人机交互功能，所以配合使用具有触摸操
作和通信功能的人机界面，人机界面选用的是Eview公司的EB500。
2．2．3 变频器和交流电机的选择
变频器选用日本安川电机公司的G7系列的矢量控制变频调速器。
安川变频器的特点是对电源污染极小，加之对此采取必要的电磁屏蔽和防干扰措施，电源干扰已经成功解决。
交流电机选择大连电机厂的电机。
3 系统的软件设计
软件部分由上位机的通讯软件西门子的PLC编程软件和人机界面的编程软什组成图2所示是风速榨制系统的程序流程
试验开始，在上位机或者人机界面上进行风速设定，启动变频器开始运行电机，电机启动后运行PID调速模块，设定的风速作为PID的给定值，测得的风速作为PID调节的反馈值，PID调节的目的就是使测得风速和设定的风速保持相等。
PID调速的精度和风速稳定的时间靠调整比例系数、积分时间和微分时间，这三个参数的调整要通过现场千百次的试验得到的，而且不同的控制系统PID参数也是不同的。
这时判断风速是否稳定，风速不稳定继续执行PID调速模块，直到风速稳定且等于或者非常接近设定风速时，才进行风洞的实验项目。
图3为触摸屏的主控界面。
4 系统的特点
该调速系统采用的是交流变频调速方式。
变频调速因其体积小、外围电路简单、维护方便、功能强、节约能源、易使用，已成为前风洞动力系统的首选方式。
根据该风洞的技术要求，我们采用带反馈的矢量控制交流变频器。
矢量控制交流变频采用
先进的数学分析法建立交流电机的数学模型，并采用独特的解耦方式，分别控制励磁电流和电枢电流，精确地控制电机的转速、转矩。
带反馈矢量控制交流变频的特点为：1)
调速精度高，其调速精度可达0．1％。
2)调速范围宽，可达l：1000。
3)低速特性好，即使在极低的转速下也能稳定地运行，不存在转速的脉动。
4)动态性能好，响应快，抗负载扰动能力强。
系统采用经典控制理论的PID算法，对风速实行闭环控制。
大大提高了系统的测试精度和系统的自动化和智能化水平。
5 PID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，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，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～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。
6 结束语
本系统已投人运行，运行情况良好，性能稳定可靠。
实践表明，这种使用PID的控制系统通用性强、测试精度明显提高、操作稳定性好、扩展能力强，该系统及控制方案具有定的应用前景和推广价值。
参考文献
【l1 SIMATICs7—200可编程序控制器系统手册2000／6
121 Eveiw公司触摸屏EB一500手册2005／8
【31 宋伯生PLC编程理论、算法及技巧．机械工业出版社．2005／05。
