哈尔滨理工大学学士学位论文
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由公式(2-4)知，流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。由此可见，当降低转速时，功率的减少量远比流量的减少量大得多。因此，控制水泵的转速可以有效地控制水泵的消耗功率，这就是中央空调系统高效节能的基础。
通过频率变化来改变电机转速与传统变速方法相比有以下优点：
1.启动为软启动，减小了启动电流对电网的冲击；2.调速范围广可实现；3.无级平滑调速；4.能做到与直流调速不相上下的程度。
2、变频技术的应用
交流变频调速技术是将电力电子、自动控制、微电子、电机学等技术集成的一项高新科技。它以其优异的调速性能、显著的节能效果以及在国民经济各领域广泛的适用性，被国内外公认为是世界上应用最广、效率最高、最理想的电气传动方案，是电气传动的发展方向。它为提高产品质量和产量、节约能源、降低消耗，提高企业经济效益提供了重要的新手段。
2.2.3 中央空调系统变流量系统的特点
变流量节能控制系统是目前最先进的节能控制技术，它与普遍使用的定流量中央空调控制模式相比，具有以下技术特点：
(1)实现中央空调综合性能最优，必须针对空调系统的各个环节(包括主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机等)统一考虑，全面控制，使全系统协调运行，才能实现最佳综合节能。变流量控制系统对中央空调的运行进行优化控制，实现最佳节能效果。
(2)实现空调系统负荷的跟随性变流量控制系统突破了传统中央空调冷媒系统的运行方式，通过对中央空调运行系统的动态监测和闭环控制，将空调主机的定流量运行改为变流量运行，实现空调主机冷媒流量跟随末端负荷需求而同步变化，在空调系统的任何负荷条件下，既能确保中央空调系统的舒适性，又实现最大的节能。
(3)空调主机始终保持高的热转换效率众所周知，随着中央空调系统负荷的变化，必将导致整个空调系统运行参数偏离空调主机的最佳设计参数，导致主机热转换效率降低，这一直是传统中央空调运行方式无法解决的一大难题。变流量控制系统的一个基本思想就是按照中央空调主机所要求的最佳运行参数去控制中央空调系统的运行，根据系统的运行工况及制冷剂工质参数的变化，通过PID控制调节，确保空调主机始终处于优化的最佳工作点上，使主机始终保持较高的热
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转换效率，有效地解决了传统中央空调系统在低负荷状态下热转换效率下降的难题，提高了系统的能源利用率[10]。
随着变频器技术的成熟及其价格的大幅下降，越来越多的设计师开始认识到在空调水系统中应用变频器改变水泵转速所带来的巨大效益。
这里说到了软启动方式，下面来介绍下。
2.3 电机的软启动原理及应用
2.3.1 软启动设备介绍
电压由零慢慢提升到额定电压，使电机启动的全过程都不存在冲击转矩，而是平滑的启动运行。这就是软启动。电机的软启动可以通过软启动器或者变频器来实现。
软起动器是一种集软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。
运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。
变频器(Variable-frequency Drive，VFD)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
2.3.2 软启动器的应用场合
原则上，笼型异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可适用。目前的应用范围是交流380V(也可660V)，电机功率从几千瓦到800kW。软起动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载，需要软起动与软停车的场合。
同样对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于重载场合，应用软起动器(不带旁路接触器)则具有轻载节能的效果。
2.3.3 软启动器与变频器之间的区别对比
软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。软启动器是通过星三角转换来降低启动电流；而变频器是通过改变频率来调节电机的转速的，能降低能耗。变频器也有软启动功能，是通过改变电源频率实现。软启动器只能通过晶闸管调压实现电机软启动、软停车，但不具备调速功能。
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变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电机控制调速装置。通过变频控制电机运行，是真正的高效调速方式，效率很高。变频器能够实现真正的软启动、软停止和高效调速。两者可以配合使用，大中型供水设备中，常由变频器带动一台泵变速运行，由一台软启动器完成其余各泵开、停操作，变频泵可定时轮换使各泵运行时间均衡，运行中变频与工频可实现平稳切换。
2.4 PID控制的设计
在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在本世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。PID控制具有很多优点[11]。1.适应性强，可以广泛的应用于各种行业；2.算法简单，使用方便，容易通过简单的硬件和软件方式实现。由于其有这些优点，PID控制直到现在仍然是应用最广泛的基本控制方式之一。
温度是一个普通而又重要的物理量，在许多领域里，人们需对温度进行测量和控制，长期以来，国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如：性能成熟、应用广泛的PID调节器、智能控制PID调节器、自适应控制等。
2.4.1 PID控制原理
PID在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有结构简单，易于理解和实现，且一些高级控制都是以PID为基础改进的。在工业过程控制中，40%以上的控制系统回路具有PID结构。在目前的温度控制领域，应用十分广泛。
PID调节器又称为比例积分微分调节器，它具有比例、积分、微分三种调节， 可见，温度PID调节器有三个可设定参数，即比例放大系数、积分时间常数、微分时间常数。对一个控制系统而言，合理地设置这三个参数，可取得较好的控制效果。
e(t)r(t)-比例积分微分U(t)过程对象c(t)
图2-5 PID控制系统原理图
PID控制器各个部分的作用及其在控制中的调节规律如下： 1、比例增益P
比例增益 P就是用来设置差值信号的放大系数的。任何一种变频器的参数P 都给出一个可设置的数值范围，一般在初次调试时，P可按中间偏大值预置．或者暂时默认出厂值，待设备运转时再按实际情况细调。比例增益部分用于保证控制量的输出含有与系统偏差成线性关系的分量，能够快速反应系统输出偏差的变化情况。由经典控制理论可知，比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比
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例系数的增大而减少，但比例系数过大将导致系统不稳定。 2、积分时间I
如上所述．比例增益P越大，调节灵敏度越高，但由于传动系统和控制电路都有惯性，调节结果达到最佳值时不能立即停止，导致超调，然后反过来调整，再次超调，形成振荡。为此引入积分环节I，其效果是，使经过比例增益P放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大 (或减小) ，从而减缓其变化速度，防止振荡。但积分时间I太长，又会当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。因此，I的取值与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，积分时间应短些；拖动系统的时间常数较大时，积分时间应长些。
3、微分时间D
微分时间D是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。D的取值也与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，微分时间应短些；反之，拖动系统的时间常数较大时，微分时间应长些。由于微分环节在系统传递函数中引入了一个零点，如果使用不当会使系统不稳定。
2.4.2 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。两种方法各有其特点，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。
2.4.3 PID的反馈逻辑
所谓反馈逻辑，是指被控物理量经传感器检测到的反馈信号对变频器输出频率的控制极性。例如中央空调系统中，用回水温度控制调节变频器的输出频率和水泵电机的转速。冬天制热时，如果回水温度偏低，反馈信号减小，说明房间温度低，要求提高变频器输出频率和电机转速，加大热水的流量；而夏天制冷时，如果回水温度偏低，反馈信号减小，说明房间温度过低，可以降低变频器的输出
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频率和电机转速，减少冷水的流量。由上可见，同样是温度偏低，反馈信号减小，但要求变频器的频率变化方向却是相反的。这就是引入反馈逻辑的原由。
2.4.4 P、I、D参数调整原则
各参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间I，如仍有振荡，可适当减小比例增益P。被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益P，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间I，还可加大微分时间D。
2.4.5 对空调系统的PID变频控制
在近几年对中央空调系统的变频控制中多采用PI或PID来实现出回水定温差或定压差的水泵频率控制。对冷冻水控制通过检测制冷主机蒸发器的进水口处的回水温度和出水口处的出水温度，将其温差与设定值比对，通过PLC的PID控制功能或PID控制器，调节冷冻泵变频器的频率值，最终使温差值保持在设定值[14]。
对冷冻水控制通过检测制冷主机冷凝器的进水口处的回水温度和出水口处的出水温度，通过PLC的PID控制功能，调节冷却泵变频器的频率值，最终使温度值保持在设定值附近。其比例积分系数凭经验设定。
2.4.6实现设定值的自动调节
由前面的分析可知，系统的冷负荷随着昼夜和季节的不同、大气环境的变化 有很大的差异，室温等因素也会产生较大的影响。即使空调系统的水泵、风机等以同样转速等情况运行，其实际出回水温差也变化很大。因此随环境因素实时的修改设置参数，可更加节能，通过建立温度查询表并通过人机界面输入到PLC存储器中可实现自动控制。温度设置如下表：
表2-1 温度值查询表
室温 设定值 19℃以下 8 19℃~23℃ 7 23℃~26℃ 6 26℃以上 5 2.4.7 PID控制器设计及实现
西门子公司从S7-200系列PLC中的CPU215，CPU216开始增加了用于闭环控制的PID指令。西门予公司的S7-200系列的PLC都有配套的STEP7-Micro/WIN32编程软件，该软件可以在PC机上运行，为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。
STEP7-Micro/WIN32提供了PID指令向导，指导使用者定义一个闭环控制过程的PID算法，该算法程序由编程软件自动插入到主程序中。PID的组态设计包括以下内容：
(1)确定所要控制的PID指令编号(回路编号)：(2)选择参数控制表存放的位置以及闭环控制的参数；(3)确定PID回路的输入和输出控制参数；(4)确定PID回
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