串级PID控制在风柜控制中的应用

串级PID控制在风柜控制中的应用

冯禹铭

深圳市富士特节能环保有限公司

摘要：本文基于空调风柜及其控制系统的组成、工作原理和控制特点，探讨基于串级PID控制算法应用于风柜控制的优点和价值，并对其应用于风柜控制中的原理、方式和技术要点进行分析，旨在为优化空调风柜控制系统的设计，提高空调风柜控制的效能和水平提供借鉴与参考。

关键词：串级PID控制；风柜控制；原理；应用方式；调参；技术要点

伴随着生产、生活、实验研究对于室内环境多维清洁性和适应性要求的不断提升，风柜系统成为现代社会发展必不可少的通风技术与设备之一。为了达到风柜系统对于清洁环境全面精准的调节，就需要不断优化风柜系统的控制技术和控制方式，而作为智能控制调节室内环境的风柜控制系统则必要且必须采取闭环的控制方式。且鉴于当下闭环控制普遍采用PID控制算法和技术，那么通过将两个PID控制器进行串联工作，完成内外环控制量更大效能的提升，便成为当下控制技术在风柜系统中应用最可靠方式之一了。

1、风柜及其控制系统的结构、工作原理和控制特点

1.1风柜结构及其工作原理

风柜主要由混合段（有回风口、风量调节阀等设备用以调节空气流量）、过滤段（过滤器）、冷冻水冷却段、加热段（热水、蒸汽、电加热段、加湿段、除湿段、能量回收段（防止交叉污染）、灭菌消毒段（紫外线等或臭氧等）、风机段、消声段、水封和控制系统几个部分构成。

那么风柜工作的一般原理为：室外空气受到风处理机吸引进入风柜，经过过滤、降温、除湿后由风道送入室内，随着室内风机盘管处理室内空气热湿负荷的不均衡，多余出来的空气通过回风机按阀门的开启比例一部分排出室外，一部分返回到进风口处以便再次循环利用，以起到热湿调节的作用。

1.2风柜控制系统的控制原理与特点

风柜的控制系统是利用温度升高而湿度降低的一般原理，通过表冷器的表面温度降于与空气温度之下，导致水蒸气的凝结而降低室内的湿度[1]。首先其利用温湿传感器进行感知风送的温湿度，当其没有达到设定的温湿度值时，电动三通调节阀就会受到必要的开合尺度控制，实现表冷器中冷却水的流量，从而调节送风温度的高低，再利用电加热装备进行必要的加热，达到降温除湿的效果。

由此可见，风柜的控制系统是一个闭环的控制系统，需要接受不间断的温湿反馈，达到不同条件下温湿度都在设定值的范围之内进行调节。但传统的控制方式会造成设备诸如三通调节阀和电加热设施的过多参与，不仅会导致控制系统的复杂，还会造成能量的抵消和能源的浪费。而通过串级PID控制方式进行实施，不仅可以利用其简化系统结构，有效消除误差干扰、控制时效性强的优点，两个内外PID控制环的实现形式，还带来了更强控制量的精准性，从而提高了风控控制的高效性和节能性。

2、串级PID控制在风柜控制中的应用原理、方式和技术要点

2.1串级PID控制在风柜控制中的应用原理

串级PID就是采用角度P和角速度PID的双闭环PID算法，而其中角度的误差被作为期望输入到角速度控制器中。即利用两个PID控制其进行串联工作，其控制动作由外环控制器和内环控制器进行协同实施。虽然其相较于传统的控制设备只多出了一个内环的回路，但却能达到对于控制参数与干扰项内环粗化调试和外环细化调试的有机结合效能。由外环主导控制标准（保持设定值的稳定），内环操纵系统部件的控制方式，能够全面实现外环控制量稳定的同时，达到更加高效的温湿控制效率与效果。

总的来说，利用串级PID对风柜进行控制主要有以下几个方面的技术优势：

1）内环回路的控制干扰不会对外环回路构成影响，干扰项可在内环控制中予以高效消除.

2）外环控制的控制量适应性更加广泛且具有极强的稳定性，从而外环控制在设定值的范围内控制更加地精准和高效.

3）内环回路控制体系中的误差与变量可在一定范围内进行调整，从而降低了风柜控制系统的设计难度，且降低了控制阀流量等变化参数对主控制系统的影响.

2.2串级PID风柜控制系统的实施流程和方式

串级PID风柜控制系统的实施流程详见图一，由图一可以看出，串级PID风柜控制结构由两个PID控制器形成的两个控制回路构成，主回路由一个送风温度设定值予以主导，配合温室的传感器所匹配的送风温度和湿度来全面纠正内控制的设定范围，从而带来内环控制其在设定值的适应性变化下（由内部温度传感器进行感应与传输）对内部设备（电动三通调节阀、固定电加热）的随动操作，使送风温湿度和回风温度达到设定的目标。

图一：串级PID风柜控制系统的实施流程

在串级PID风柜控制系统中，由主回路中的温湿传感器感测送风温度的变化值，由副回路的温湿传感器感测回风温度的变化值，鉴于回风温度的感知到发生动作的时效要比送风温度的快一些，所以即便在副回路发生的二次扰动，副回路也会有足够的适应时间给予变量和波动上一定的调整，从而减少了队主回路设置值上面的扰动[2]。在此期间，副回路通过测量值与温度值之间的粗化调整，提高了主回路细化调整的精准性和效率性，也就带来了风控控制水平的有效提升。

2.3串级PID风柜控制系统的技术重点

PID控制器是一款非常典型的负反馈控制器，P表示的就是比例，用来实现瞬时大幅度调控，PID控制有机将控制的三种最基本的元素（p比例、I积分、D微分）统一在一起，并通过优化组合的方式达到精准控制的目标[3]。由于一个风柜控制系统的效果除了PID控制算法上的核心作用，还取决于温湿传感器、三通调节阀等执行机构、反馈回路的选择等等，那么由传感器与控制中间变量有效整合，就实现了PID的串级控制，只要中间量能测量，通过传感器往外一级级的可以加饱和，从而实现更加复杂风柜系统的层级控制。

但是串级PID控制系统有一个技术重点和难点，就是对其层级回路的整定与调节，由于在进行串级PID算法实施的过程中，会存在内外环角度与期望角度上的误差，从而带来控制精度上的缺失。那么对于串级PID的整定，就需要先整定内环的比例P，而后再整定外环的比例P[4]。P的调节即为比例调节，误差越大则输出越大，最终使设备回到正确的位置，而在PID公式中，D的作用就是改变P的曲线，D的数值越大，对P的影响也越大，参考PD之间的关系，就需要将D值设定为0，然后加大P值，使输出开始出现震荡，然后再增加D值，拉低p的调节比例，直至其达到预期的标准。而I（为了消除误差而加入的参数）的调节则是建立在PD调节的基础之上，PD任何一方的改变都会对I产生影响，所以整定的步骤就是先调节P，以确定控制的灵敏度（此时I和D的值都设为0），然后调节D来提高控制的稳定性，最后调节I来消除控制中的误差，以提高PID控制系统的实施精度。

3结语

串级PID控制应用于风柜控制系统之中，不仅有助于简化其系统内部的控制体系和设备体系，还可以大大强化了温湿控制在设定值范围内的稳定性，并提高了温湿控制的效率和实施精度，从而极大满足了生产、生活、实验研究对于清洁、舒适环境的高要求，但也需注意在PID控制中的对其的整定和调参工作，以更好地发挥串级PID控制的优势和价值。

参考文献：

[1]胡蕾，詹惠琴，刘子宽.串级PID控制在风柜控制中的应用[J].电子测试，2011（10）：83-88.

[2]魏纪君，崔哲，汤继保.温湿度控制系统的研究[J].制冷，2010，29（3）：4-8.

[3]颜宋宋，李辉，陈海生，etal.基于串行PID的两轮平衡机器人制作方案设计与实现[J].电子世界，2018.

[4]伍伊军.基于环境自适应的轿车空调控制系统研究[D].