劉 淵 趙輝堂 廖永貞 劉中明 楊鐵成 李公社

（中核蘭州鈾濃縮有限公司，甘肅 蘭州 730065）

一種分段PID規(guī)律控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及編程應(yīng)用

劉 淵 趙輝堂 廖永貞 劉中明 楊鐵成 李公社

（中核蘭州鈾濃縮有限公司，甘肅 蘭州 730065）

物料加熱液化分階段進(jìn)行升、恒溫生產(chǎn)過(guò)程，物料溫度作為主控變量，各階段升溫過(guò)程要求按規(guī)定速率進(jìn)行升溫、恒溫過(guò)程要求按定時(shí)定值進(jìn)行恒溫；限值控制執(zhí)行對(duì)主控變量控制存在關(guān)聯(lián)性影響，從而產(chǎn)生升溫超速與二次恒溫問題。對(duì)此，采用溫度設(shè)定、參數(shù)自整定、邏輯控制方法，設(shè)計(jì)了分段PID規(guī)律控制策略，并利用ST語(yǔ)言和FBD語(yǔ)言編程，由DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的控制策略。該控制策略實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程控制要求，成功解決了該生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜控制問題，并克服了升溫超速與二次恒溫問題，應(yīng)用效果良好。

分段PID規(guī)律 溫度設(shè)定 參數(shù)整定 邏輯控制 ST語(yǔ)言 編程

0 引言

隨著我公司對(duì)有關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造升級(jí)，工藝生產(chǎn)過(guò)程發(fā)生較大變化。生產(chǎn)系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施監(jiān)控。其中，物料加熱液化過(guò)程作為關(guān)鍵生產(chǎn)過(guò)程，受控溫度參數(shù)較多，其物料溫度須連續(xù)控制，同時(shí)須對(duì)加熱器表面和物料容器后端部表面溫度進(jìn)行限值控制，故溫度控制系統(tǒng)采用開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)［1］。物料溫度通過(guò)調(diào)節(jié)加熱器加熱功率進(jìn)行控制，限值控制由切斷加熱回路、停止加熱實(shí)現(xiàn)。

物料溫度參數(shù)作為主控變量進(jìn)行連續(xù)控制，而物料加熱液化分四個(gè)階段進(jìn)行升、恒溫生產(chǎn)過(guò)程，各階段升溫過(guò)程按規(guī)定速率進(jìn)行，恒溫過(guò)程為定時(shí)定值進(jìn)行。限值控制執(zhí)行會(huì)導(dǎo)致升溫過(guò)程的超速升溫問題和恒溫過(guò)程的二次恒溫問題。對(duì)此，本文提出了分段PID規(guī)律控制策略，設(shè)計(jì)了DCS系統(tǒng)編程，實(shí)現(xiàn)了升、恒溫生產(chǎn)過(guò)程的分段PID規(guī)律控制。升溫過(guò)程按規(guī)定速率進(jìn)行，恒溫過(guò)程以定時(shí)定值進(jìn)行，升溫與恒溫控制按不同整定的PID參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算控制，消除了由限值控制作用影響所形成的超速升溫問題和二次恒溫問題。該分段PID規(guī)律的溫度控制系統(tǒng)自2011年投入運(yùn)行以來(lái)，控制過(guò)程及工藝參數(shù)控制均滿足工藝生產(chǎn)需要，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

1 工藝過(guò)程

物料加熱液化過(guò)程分四階段進(jìn)行，每個(gè)階段均包括升溫、恒溫兩個(gè)過(guò)程。第一階段，加熱器啟動(dòng)加熱，容器內(nèi)物料溫度由室溫按規(guī)定速率升溫至第一階段恒溫規(guī)定值，保持恒溫至規(guī)定時(shí)間。第二階段，容器內(nèi)物料溫度由第一階段恒溫規(guī)定值按規(guī)定速度升溫至第二階段恒溫規(guī)定值，再保持恒溫至規(guī)定時(shí)間。以相同過(guò)程至第四階段，第四階段的恒溫過(guò)程完成后，以第四階段的恒溫規(guī)定值進(jìn)行保溫過(guò)程，并執(zhí)行后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程。

2 控制策略制定及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制方式

物料容器采用壓熱罐裝置，以電加熱方式、分四階段進(jìn)行物料加熱液化，每個(gè)階段均包括升溫、恒溫兩個(gè)過(guò)程，物料溫度需連續(xù)控制，故作為被控變量；而壓熱罐加熱器的加熱功率為操縱變量，即通過(guò)調(diào)節(jié)加熱器的加熱功率進(jìn)行物料溫度控制。依據(jù)工藝過(guò)程要求，在每個(gè)階段的升溫過(guò)程，被控量按規(guī)定速率變化；而在每個(gè)階段的恒溫過(guò)程，被控變量在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持不變。因而采用程序分段PID規(guī)律控制方式，其設(shè)定值按程序自動(dòng)設(shè)定變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物料溫度的連續(xù)控制。

2.2 控制系統(tǒng)組成

物料溫度由熱電阻檢測(cè)；檢測(cè)信號(hào)輸入至DCS，與PID控制器的設(shè)定值進(jìn)行比較；偏差信號(hào)經(jīng)PID運(yùn)算輸出控制信號(hào)；控制信號(hào)輸入至晶體管調(diào)壓器，晶體管調(diào)壓器執(zhí)行加熱器的加熱功率調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the control system

2.3 功能實(shí)現(xiàn)

2.3.1 溫度設(shè)定

對(duì)各段物料溫度進(jìn)行設(shè)定，溫度設(shè)定值按時(shí)間計(jì)算出相應(yīng)值并賦予PID控制器的內(nèi)給定輸入變量。各段物料溫度計(jì)算公式為［2］：

式中：Tn、Tn－1分別為 n、（n－1）時(shí)刻溫度設(shè)定值；ΔT為本段溫度設(shè)定增量值。

對(duì)于升溫過(guò)程，設(shè)定值定時(shí)增加等增量值ΔT；而恒溫過(guò)程，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，設(shè)定值的增量值ΔT為零，即設(shè)定值是恒定的。

2.3.2 控制原理

PID控制算法采用位置型算法［2－3］，控制算法的傳遞函數(shù)為：

差分方程為：

式中：U（s）、E（s）分別為PID輸出量和偏差信號(hào)算子；KP、KD分別為比例、微分增益；TI、TD分別為積分、微分時(shí)間；T為采樣周期；U（n）為第n時(shí)刻的輸出。

控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意方框圖如圖2所示。圖2中：r為溫度設(shè)定值；e為偏差值（設(shè)定值與輸出值之差）；u為PID控制器輸出的控制量；執(zhí)行器為晶體管調(diào)壓器，執(zhí)行加熱器的加熱功率調(diào)節(jié)；對(duì)象為物料溫度；變送器為熱電阻溫度計(jì)，用于檢測(cè)物料溫度，檢測(cè)值輸入至PID控制器。

圖2 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意框圖Fig.2 Simplified schematic diagram of the control system

對(duì)于升溫過(guò)程，隨著設(shè)定值的改變，PID控制器的偏差信號(hào)en隨之改變，經(jīng)運(yùn)算輸出的控制量Un也隨之改變。由晶體管調(diào)壓器調(diào)節(jié)加熱器加熱功率，實(shí)現(xiàn)被控量按設(shè)定值的變化速率變化，從而達(dá)到升溫過(guò)程按規(guī)定速率進(jìn)行升溫。對(duì)于恒溫過(guò)程，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，設(shè)定值是恒定的，故被控量按定值控制進(jìn)行變化，實(shí)現(xiàn)物料的恒溫過(guò)程。PID參數(shù)按升溫過(guò)程控制和恒溫過(guò)程控制分別進(jìn)行整定。

2.3.3 參數(shù)整定

物料加熱液化過(guò)程是典型的一階時(shí)滯系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：

物料升、恒溫液化生產(chǎn)過(guò)程控制采用分段PID控制。對(duì)于升溫過(guò)程控制，輸入的設(shè)定值是按定時(shí)增加等增量值變化的，控制系統(tǒng)可看作隨動(dòng)控制系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)的輸出迅速跟蹤設(shè)定值的變化。對(duì)于恒溫過(guò)程控制，輸入的設(shè)定值是不變的，控制系統(tǒng)為定值控制系統(tǒng)，其控制的目的是使系統(tǒng)輸出的最大控制偏差盡可能小。

根據(jù)自適應(yīng)控制的自整定PID參數(shù)方法和偏差積分指標(biāo)最小的整定參數(shù)法［4－6］，升、恒溫控制分別采用積分鑒定的積分時(shí)間平均偏差（integral time average error，ITAE）指標(biāo)和積分方差（integral squared error，ISE）指標(biāo)作為參數(shù)整定的目標(biāo)函數(shù)。

應(yīng)用曲線擬合方法，可分別得到在上述過(guò)程模型中升溫控制和恒溫控制的PID參數(shù)最優(yōu)整定公式［7－8］。

升溫過(guò)程控制的PID參數(shù)最優(yōu)整定公式如下。

恒溫過(guò)程控制的PID參數(shù)最優(yōu)整定公式如下。

在傳遞函數(shù)及整定公式中，K、T、τ分別為對(duì)象的放大倍數(shù)、時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間。參數(shù)整定通過(guò)PID調(diào)節(jié)器在純比例作用下進(jìn)行設(shè)定值的階躍擾動(dòng)，辨識(shí)出K、T、τ參數(shù)值，從而代入整定公式，可分別得到升溫控制和恒溫控制的PID參數(shù)。各階段升、恒溫控制的PID參數(shù)分別按式（4）～（9）整定。

2.3.4 邏輯控制

執(zhí)行限值控制時(shí)，會(huì)引起物料溫度下降。在升溫過(guò)程中，設(shè)定值以定時(shí)等增量值增加而改變，而被控量物料溫度則因加熱回路斷開得不到控制響應(yīng)；且隨著加熱的停止，物料溫度隨之下降，使得PID控制器的偏差信號(hào)增大，輸出較大控制量，而一旦限值控制執(zhí)行結(jié)束，加熱回路接通，會(huì)形成超速升溫現(xiàn)象。因此，在升溫控制中設(shè)置加熱回路通斷狀態(tài)判斷。當(dāng)加熱回路處于接通狀態(tài)時(shí)，溫度設(shè)定值按定時(shí)等增量值增加變化；當(dāng)加熱回路處于斷開狀態(tài)時(shí)，溫度設(shè)定值按物料溫度測(cè)量值而變化，以消除超速升溫現(xiàn)象，確保升溫過(guò)程按規(guī)定升溫速率進(jìn)行升溫。

對(duì)于恒溫過(guò)程，隨限值控制執(zhí)行結(jié)束，加熱回路接通。當(dāng)物料溫度升至當(dāng)前恒溫目標(biāo)值時(shí)，若當(dāng)前時(shí)刻為當(dāng)前目標(biāo)值的恒溫時(shí)間，則繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前恒溫控制；若是已完成的恒溫過(guò)程，則重新執(zhí)行恒溫過(guò)程控制，從而形成二次恒溫現(xiàn)象。因此，在恒溫控制中設(shè)置恒溫過(guò)程完成狀態(tài)判斷，對(duì)已完成恒溫過(guò)程的恒溫段不再進(jìn)行二次恒溫，直接執(zhí)行下階段升溫過(guò)程，消除二次恒溫現(xiàn)象。

3 軟件編程

DCS系統(tǒng)選用ESC-100控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)為用戶提供了豐富的組態(tài)編程語(yǔ)言程序，用戶可通過(guò)組態(tài)實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制方案，也可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際的需要和過(guò)程控制原理，選擇相應(yīng)語(yǔ)言編寫程序，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制方案。

3.1 程序原理

物料溫度分段控制通過(guò)PID控制器的內(nèi)給定值進(jìn)行設(shè)定。PID參數(shù)整定通過(guò)升溫控制和恒溫控制分別進(jìn)行自整定，并采用相應(yīng)的邏輯控制，以克服限值執(zhí)行影響。設(shè)定值與測(cè)量值的偏差信號(hào)經(jīng)PID控制器運(yùn)算輸出信號(hào)控制。依據(jù)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)原理，分段控制流程框圖如圖3所示。

圖3 分段控制流程框圖Fig.3 Segmented control process

3.2 控制程序

3.2.1 分段控制程序

ESC-100系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的圖形化編程軟件SCControl。在操作站上利用該軟件中的ST語(yǔ)言編輯器建立自定義模塊Control_temp，應(yīng)用ST語(yǔ)言編寫各升、恒溫階段溫度設(shè)定，PID參數(shù)整定，加熱回路通斷狀態(tài)與恒溫過(guò)程狀態(tài)判斷程序，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。在升溫程序中，當(dāng)加熱回路處于接通狀態(tài)時(shí)，設(shè)定值按每5min增加增量值；當(dāng)加熱回路處于斷開狀態(tài)時(shí)，設(shè)定值等于測(cè)量值，各升溫階段的增量值分別相等。在恒溫程序中，首先判斷當(dāng)前恒溫過(guò)程是否已完成，已完成則執(zhí)行下階段升溫過(guò)程，未完成則執(zhí)行當(dāng)前恒溫過(guò)程。各階段升溫、恒溫程序分別相同。PID參數(shù)整定即按升溫過(guò)程與恒溫過(guò)程分別賦予對(duì)應(yīng)整定值。

3.2.2 PID控制程序

本文采用圖形化編程軟件SCControl實(shí)現(xiàn)PID控制的編程。在操作站上采用功能塊圖（function block diagram，F(xiàn)BD）語(yǔ)言編寫，調(diào)用自定義模塊Control_temp與單回路控制擴(kuò)展模塊（basic single control complex，BSCX），對(duì)兩模塊的相關(guān)輸入、輸出變量引腳進(jìn)行接線連接或賦值。其中，單回路控制擴(kuò)展模塊（BSCX）的給定引腳選擇內(nèi)給定，與溫度設(shè)定模塊的設(shè)定輸出值引腳相連接，從而實(shí)現(xiàn)PID規(guī)律控制程序。

4 應(yīng)用與效果

對(duì)DCS進(jìn)行系統(tǒng)相關(guān)組態(tài)，并對(duì)所完成的源程序進(jìn)行編譯、下載安裝，通過(guò)離線仿真調(diào)試和在線運(yùn)行調(diào)試，完善相關(guān)組態(tài)、參數(shù)設(shè)定、邏輯控制等。對(duì)于PID參數(shù)整定［9－10］，首先選擇BSCX控制模塊外給定，采用純比例作用方式，在常溫工況下，通過(guò)改變?cè)O(shè)定值，使輸出30％量程的控制量進(jìn)行階躍擾動(dòng)。同時(shí)記錄過(guò)程輸出的過(guò)渡過(guò)程響應(yīng)曲線，由階躍響應(yīng)曲線獲得對(duì)象的放大倍數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T和純滯后時(shí)間τ。然后分別代入升溫和恒溫控制的PID參數(shù)整定公式。最后分別賦予對(duì)應(yīng)PID參數(shù)輸入變量，再選擇BSCX控制模塊內(nèi)給定。

按照升溫控制使輸出迅速跟蹤設(shè)定值變化、恒溫控制使輸出的最大偏差盡可能小的目的，兼顧限值控制相關(guān)因素，采用湊試法對(duì)升溫和恒溫控制的PID參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)運(yùn)行調(diào)試修正，獲得了最佳控制過(guò)程?？刂葡到y(tǒng)投入生產(chǎn)運(yùn)行后，控制方案及控制程序均符合工藝過(guò)程控制要求。

升、恒溫過(guò)程控制效果記錄曲線如圖4所示。

圖4 物料升、恒溫過(guò)程記錄曲線Fig.4 Recording curve of the temperature rising and holding process of thematerials

5 結(jié)束語(yǔ)

控制系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，控制過(guò)程及工藝參數(shù)控制均滿足工藝生產(chǎn)需要，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

①對(duì)于物料分階段進(jìn)行的升、恒溫生產(chǎn)過(guò)程，在采用開關(guān)型選擇性控制時(shí)，對(duì)主控變量物料溫度實(shí)施分段PID規(guī)律控制，以實(shí)現(xiàn)分階段進(jìn)行的升、恒溫生產(chǎn)過(guò)程控制；

②采用溫度設(shè)定、參數(shù)自整定的方法實(shí)現(xiàn)分段PID規(guī)律控制；

③各段升溫過(guò)程按規(guī)定速率進(jìn)行升溫，定時(shí)定量增加設(shè)定值，經(jīng)PID規(guī)律運(yùn)算控制，實(shí)現(xiàn)升溫過(guò)程按規(guī)定速率進(jìn)行升溫，恒溫過(guò)程按定時(shí)定值進(jìn)行PID規(guī)律運(yùn)算控制。

應(yīng)用所設(shè)計(jì)的邏輯控制方法，消除了由限值控制作用影響所形成的超速升溫問題和二次恒溫問題。同時(shí)，利用ST語(yǔ)言和FBD語(yǔ)言編寫溫度設(shè)定與PID控制程序，由DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的控制策略。該分段PID規(guī)律控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程控制，解決了本生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜控制問題。

［1］劉淵，趙輝堂，廖永貞，等.基于多變量開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)編程及應(yīng)用［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2013，40（4）：446－450.

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Design and Programming Application of the Segmented PID Regulation Control System

The production process of material heating liquefaction is the phased heating process including temperature rising stage and temperature holding constantly stage，and the temperature ofmaterial is used as themaster control variable.Each temperature rising stage shall be controlled in accordance with specific rate，while the temperature holding stage shall be controlled in accordance with the setpoint and timing.By adopting temperature setting，parameter self-tuning and logic controlmethods，the segmented PID regulation control strategy is designed；and with ST language and FBD language programming，the control strategy is implemented by DCS.This control strategy implements the control requirements for the production process and successfully resolves the complicated control issue of such process and overcomes the temperature rising overspeed and secondary thermostatic problems.

Segmented PID regulation Temperature setting Parameter tuning Logical control ST language Programming

TP273

A

修改稿收到日期：2013－04－09。

劉淵（1967－），男，1990年畢業(yè)于東北大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化儀表專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師；主要從事儀表技術(shù)與過(guò)程控制研究。