PID技术在GIS机构箱温度控制器中的应用

PID技术在GIS机构箱温度控制器中的应用摘要随着电网发展的不断加速，GIS设备得到了越来越多的应用，在保证设备安全运行的措施中，机构箱温度的控制起到了非常重要的作用。但由于普通的温度控制系统具有很大的热惯性，使得加热器的加热过程往往不够精确，经常导致加热过度或者加热不足，而如果采用了PID控制，则可以确保控制过程的精确性和灵敏性。本文首先建立一个温度变化的数学模型并进行了参数假设，确立了被控对象的数学模型；然后讨论了PID控制技术的原理和优点，最后对PID控制技术在GIS机构箱温湿度控制中的应用进行了分析与展望。关键词：GIS设备机构箱，温度控制，PID控制,中图分类号：G267文献标识码：A文章编号：1、引言1.1背景近年来，GIS设备以其占地面积小，可靠性高，安全性强，维护工作量小等多方面的优点得到了越来越广泛的应用。为了防止湿度过大导致元件受潮，在GIS设备的机构箱内通常装有温湿度控制器，通过加热的方法驱除水汽，保证箱内干燥。但普通的定点温度控制器往往不够精确，无法满足设备的安全运行需求。1.2温度控制的特点温湿度控制器在工作时，当机构箱内温度升高至设定温度时，控制器会发出信号停止加热。但这时发热器件的温度会高于设定温度，发热器件还将会继续加热，即使控制器发出信号停止加热，机构箱的温度还往往继续上升几度。当下降到设定温度的下限时，温度控制器又开始发出加热的信号，但发热器件要把温度传递到机构箱内需要一定的时间，通常开始重新加热时，温度已经比设定温度下降了几度。所以，传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。2、机构箱温度数学模型机构箱内的热平衡方程为：（G为机构箱内的气体流量，单位kg/s；Cp为气体比热，单位J/kg.K；T为机构箱内温度，单位K；Th为加热器件温度，单位K；K为载热体与机构箱内气体总传热系数，单位W/m2.K；F为传热面积，单位m2。）比热的计算公式：（m为机构箱内气体质量，单位kg）密度公式：（为气体密度，单位kg/m3；V为机构箱容积）得出：，这个方程是该机构箱温度数学模型的时域方程。由于直接采用时域分析法比较复杂,所以采用复频域分析法,利用拉氏变换将这个温度的数学模型转化到复频域中，得：。由此可见，机构箱温度的数学模型是一个大滞后系统，热惯性很大，不能用常规的定点开关控制，必须采用能够克服这种大滞后，大惯性的控制系统，以获得良好的控制性能。3、PID控制原理和优点3.1PID控制的原理PID是Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)三者的缩写，PID控制是应用最为广泛的一种控制。PID控制中实质上包含了三种控制（调节），即比例（P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制。（1）比例控制：其输出的大小与偏差成比例。但是，在有限的比例系数下，比例控制不能完全消除偏差，且比例系数太大会影响控制系统的稳定性，因此，需增加积分控制。（2）积分控制：输出与偏差的积分成比例，只要偏差存在，积分控制就会起作用(条件是控制器没有饱和)，因此，积分控制有利于偏差的消除。但积分控制作用太强，超调量增大，使反馈信号反向增大导致相反调节甚至产生振荡，系统稳定性减弱。（3）微分控制：能够迅速地反映偏差的变化率，因而能使控制器具有“超前”控制的功能。同时，根据自动控制理论可知，适当地应用微分控制可以减少控制系统输出的超调量，并且，有利于系统稳定性的提高。通过综合地运用以上三种控制，可以使控制器具有合适的控制输出。3.2PID控制参数的整定在控制系统中，PID参数的选择直接影响控制质量的好坏。在实际应用中，常使用工程整定方法。（1）比例系数KP与系统性能之间的关系一般来说，KP太小，控制器的灵敏性很差，误差较大时控制器才会动作。如果采用单纯比例控制的话，比例系数过小意味着稳态误差过大。KP太大，系统的稳定裕度减小，可能出现振荡。在过程控制中，往往喜欢用比例带作为整定参数，与KP的关系为：=1/KP（2）积分时间常数TI与系统性能之间的关系积分环节的主要作用是消除稳态误差。TI越小，与误差积分成比例的控制作用就越强，这样就有可能尽快地消除稳态误差。同时，由于积分环节的引入，增加了系统开环传递函数的阶次，这将导致闭环系统振荡倾向的加强，并使系统的稳定裕度下降。因此，TI取值也不宜过小。（3）微分时间常数TD与系统性能之间的关系微分环节的引入有利于系统应付突发的扰动，使得系统具有某种“预见性”。同时，对于频率特性而言，微分环节提供一个超前的相角，这对于提高系统的稳定性是有益处的。但是，TD的取值也不宜过大，以免引入高频干扰。通过综合地运用以上三种控制，可以使控制器具有合适的控制输出。3.3PID控制的优点由于加热器的热惯性问题，使得我们不能用常规的定点开关控制。而必须采用PID控制。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，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控制结构简单、调试方便，用一般电子线路、电气机械装置很容易实现，在无计算机条件下，这种PID控制比其他复杂控制方法具有可实现的优先条件，即使到了计算机出现的时代，由于被控对象输出信息的获取目前主要是“位置信息”、“速度信息”和部分“加速度信息”，而更高阶的信息无法或很难测量，在此情况下，高维、复杂控制只能在计算方法上利用计算机的优势，而在实际应用中，在不能或难以获得高阶信息的条件下，PID控制或二阶形式的控制器仍是应用的主要方法。四、结论与展望目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligentregulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。应用于GIS机构箱的温湿度控制器中时，可采用可编程控制器(PLC)，利用其闭环控制模块来实现PID控制。无论是参数的设定还是调试都十分简便。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。因此，在GIS设备的温湿度控制器中引入PID控制技术，是一项十分