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基于PID调节器的压力控制系统设计与应用

2025年02月11日 09:30:11 来源：云南昌晖仪表制造有限公司 >> 进入该公司展台阅读量：83

基于人工智能算法的压力控制系统，通过智能PID调节器实现对水箱主管路压力的动态控制。主控制对象为设备下水箱主管路中的瞬时压力，实验过程以水作为被控介质，压力变送器作变送单元，PID调节器作为调节单元，变频器作为执行单元。

1、压力控制系统的原理分析
压力控制系统基本原理：控制系统给定量SV由人工智能PID调节器设定，被控量为主管路瞬时压力，反馈量由扩散硅压力变送器PT检测并送入数据采集卡USB6221 进行监控然后传递给PID调节器，并与给定量进行比较，PID调节器按PID控制算法计算出实时控制量以控制变频器，实时调节水泵的出水量，从而调节管路中的瞬时压力，以达到压力控制的目的。

2、压力控制系统硬件电路的设计与连接
被控对象由扩散硅压力变送器、YR-GAD905-020-12-HLNN-P-T人工智能PID调节器、西门子变频器、NI USB6221数据采集卡、水箱、管路等有机地组成，数据通过数据采集卡与LabView软件相连，对控制过程进行实时监测。
压力控制系统结构图

2.1扩散硅压力变送器
选用YR-801AG4E1NM4测量主管路的压力。YR-801AG4E1NM4属于扩散硅压阻式压力变送器，是一种经济型压力变送器。具有经济适用、精度0.25%、反应灵敏等优点，广泛应用于石油、化工、冶金、电力等领域。
昌晖扩散硅压力变送器

2.2DAQ 模块的选型
采用NI USB-6221型数据采集卡采集主管路中的瞬时压力，反馈给智能仪表。NI USB-6221是一款USB高性能多功能DAQ模块，经优化在高采样率下也能保持高精度。DAQ模块即插即用的安装地降低了配置和设置时间，同时它能直接与螺丝端子相连，从而削减了成本并简化了信号的连接。

2.3YR-GAD人工智能PID调节器
YR-GAD905-020-12-HLNN-P-T人工智能PID调节器采用的人工智能PID控制算法，控制精度高，无超调，具有模糊自整定功能。仪表输出采用模块化硬件结构设计，可通过更换不同的功能模块实现多种控制方式。

2.4变频器介绍
变频器选用的是SINAMICS V20，其由微处理器控制，具有很高的运行可靠性和功能多样性。无需调试软件，通过简单参数设定即可实现预定功能。本设计变频器具体参数设置如表1所示。
表1 变频器参数设置

符号设定值说明

P0756[0] 0            ADC1(模拟量输入1)，单极性电压输入(0-10V)
P0700[0] 2            端子
P0701[0] 1            ON/OFF
P0702[0] 9            故障确认
P1000[0] 2            模拟量设定值

2.5硬件系统接线
PID调节器控制的压力控制系统硬件主接线图下图所示。其硬件接线原理分析：系统反馈量由压力变送器PT检测并送入数据采集卡USB6221进行监控，然后传递给PID调节器作为PV，PV与仪表给定量SV进行比较，调节器按PID控制算法计算出实时控制量out，来控制变频器，以达到控制主管路压力的目的。
PID调节器控制的压力控制系统硬件主接线图

3、控制系统软件程序设计与实现
软件程序设计是本设计一个重要环节，本设计利用LabView 软件进行整个监控程序的设计系统总体程序流程图如下图所示。

3.1主程序监测画面模块
采用图形化编程语言LabVIEW进行开发与设计。该语言具有直观、易学易用、编程系统通用、模块化等特点，本项目主程序设计如图7所示，主要包括电机控制环节、水箱上下限浮子开关模块、蜂鸣器模块、仪表报警模块等。因本设计直接采用智能PID调节器进行PID调节，所以本程序未设计PID模块。
主程序监测画面模块

3.2压力曲线监测模块
当系统运行时在监控界面中可以选择控制对象，本设计采取设定值与实时监测值在界面中同时显示，并得到控制曲线。下图为系统监控界面。

系统监控框图程序

系统监控界面前面板

4、智能PID控制模块
采用YR-GAD905-020-12-HLNN-P-T人工智能PID调节器进行PID调整。根据本项目设计思路，采用4-20mA信号反馈控制输出的模式。PID调节器相关主要参数设置如表2所示：
表2 PID调节器相关功能参数设置

YR-GAD905-020-12-HLNN-P-T人工智能PID调节器相关重要参数设置

符号设定值说明

AL1       100                 报警值
P           37.8(实验值)    比例
I            4(实验值)         积分
D          1(实验值)         微分
Pn         27                   输入信号类型4-20mA
Mode    1                    反作用
ouE       1                     电流、电压变送输出
ouL        0                    变送输出下限值
ouH      100                 变送输出上限值
PL          0                    PV测量量程下限值
PH        100                 PV测量量程上限值
ctrl         0                   单路输入PID控制

5、系统装调与数据分析
系统装调包括两个部分，分别是硬件调试和软件调试。首先要进行硬件的调试工作，检测变频器、压力变送器、电磁阀等是否工作正常等，确认传输的信号是否能够正确地输入DAQ模块的输入端口；其次进行软件调试，对Labview程序进行调试，确认其是否运行正常，水泵能够在变频器控制器下实现转速调节等功能。

整个系统通过由DAQ模块来采集主管路瞬时压力，传输到PID调节器，通过PID调节器设置PID参数，对系统进行实时调节，并将控制输出送给变频器，来控制水泵的转速进而控制水的流量来调节主管路的实时压力。系统运行效果图如下图所示。
系统运行界面与数据采集

系统运行界面与数据采集

通过反复实验验证，本设计结构简单，运行稳定，误差在可控的范围之内。本设计取设定值为30kPa，误差约为±2，符合一般工程规范要求，达到预期目的。
作者：陕西工业职业技术学院张维、王聪慧

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