杜興剛 孫佳隆

摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹了工程應(yīng)用中常見的幾種參數(shù)整定方法和傳統(tǒng)PID控制所存在的問題，并設(shè)計(jì)了一種適用于多流體生產(chǎn)過程中高溫反應(yīng)釜溫度控制的PID控制方法。詳細(xì)說明改進(jìn)型PID控制和實(shí)現(xiàn)過程，為化工行業(yè)提供了一種非常規(guī)的PID控制解決方案。

關(guān)鍵詞：多流體生產(chǎn)過程；溫度控制；PID控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.032

1 概述

近幾年，在全球化競(jìng)爭(zhēng)的推動(dòng)下，工業(yè)過程控制與制造業(yè)正在發(fā)生了巨大的變革。迅速變化的經(jīng)濟(jì)環(huán)境、不斷提高的環(huán)保要求和高復(fù)雜度的集成需求，都對(duì)工業(yè)控制技術(shù)提出了更高的要求，對(duì)現(xiàn)有工業(yè)控制技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)是在當(dāng)前工業(yè)控制中增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段，工業(yè)自動(dòng)化、智能化水平已經(jīng)成為衡量各行業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。

本文結(jié)合特定的應(yīng)用領(lǐng)域和控制過程，針對(duì)傳統(tǒng)PID在控制溫度過程中比例閥動(dòng)作頻繁、溫度控制滯后、執(zhí)行機(jī)構(gòu)往復(fù)周期性運(yùn)動(dòng)和調(diào)整速度過快等問題，設(shè)計(jì)出一種適用于多流體生產(chǎn)過程中高溫反應(yīng)釜溫度的PID控制方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)PID控制存在的缺陷，從而完美解決了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程溫度控制難題。

2 PID控制過程介紹

2.1 傳統(tǒng)PID控制原理

PID 控制器（比例- 積分-微分控制器），由比例單元、積分單元和微分單元組成，其原理框圖如圖1所示。

2.2 PID控制參數(shù)整定方法

PID控制器參數(shù)整定的方法很多，當(dāng)前工程中常用整定方法概括起來有四大類：

2.2.1 自整法

主要應(yīng)用在成熟的數(shù)字調(diào)節(jié)器中，是一種基于專家知識(shí)或熟練操作者的成熟經(jīng)驗(yàn)的模糊控制，可通過學(xué)習(xí)不斷更新，因而它具有智能性和自學(xué)習(xí)性。自整定過程中模擬專家操作，自動(dòng)尋優(yōu)，整定出最佳參數(shù)，使之達(dá)到理想的控制效果。但我們?cè)谑褂脭?shù)字調(diào)節(jié)器時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，自整定結(jié)果也不一定都是最佳參數(shù)，有時(shí)還需我們進(jìn)一步尋優(yōu)，經(jīng)常需要我們借助其他整定方法進(jìn)行再次優(yōu)化。

2.2.2 逐試法

可以理解為逐步試驗(yàn)過程，將PID參數(shù)之一增加或減少30～50%，如果控制效果變好，則繼續(xù)增加或減少該參數(shù)，否則往反方向調(diào)整，直到效果滿足要求。此整定方法優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、易于掌握，缺點(diǎn)是需要測(cè)試的數(shù)據(jù)較多，測(cè)試周期長(zhǎng)短與測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)也有直接關(guān)系，無法直接衡量和把控。

2.2.3 臨界值整定法

以常用的比例+積分+微分調(diào)節(jié)器為例，整定方法如下：

（1）積分時(shí)間置于最大；

（2）微分時(shí)間置于最??；

（3）從一個(gè)比較大的比例值逐步降低，每降低一次等待一定的時(shí)間，觀察被控變量的歷史曲線狀態(tài)，直至被控變量曲線出現(xiàn)周期性振蕩，然后在這一點(diǎn)上再加大一點(diǎn)比例值，直到不出現(xiàn)振蕩；

（4）加大微分時(shí)間，使周期性振蕩停止，再減小比例值，使振蕩重新出現(xiàn)，再加大微分時(shí)間，使振蕩停止，需要重復(fù)此過程多次，直至加大微分時(shí)間后振蕩不再停止，則可試驗(yàn)出微分時(shí)間的臨界值，然后再增大比例值至周期性振蕩停止，結(jié)合上述重復(fù)試驗(yàn)過程中比例值的變化趨勢(shì)，可初步得出比例值的一個(gè)區(qū)間范圍；

（5）根據(jù)被控對(duì)象特點(diǎn)，取積分時(shí)間為微分時(shí)間的2～5倍，基本可以滿足被動(dòng)對(duì)象的PID控制初步需求。

2.2.4 經(jīng)驗(yàn)整定法

熟悉系統(tǒng)的特性是運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)整定法的關(guān)鍵，首先測(cè)試人員需要十分清楚控制系統(tǒng)的特點(diǎn)以及被控參數(shù)的特性，再結(jié)合具體的工藝流程，運(yùn)用自己的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，直接判斷和預(yù)估一個(gè)PID參數(shù)，然后再根據(jù)試驗(yàn)過程中被控對(duì)象的形變特點(diǎn)以及控制效果做進(jìn)一步的修改。

2.3 傳統(tǒng)PID的控制缺陷

PID控制的最大優(yōu)點(diǎn)就是控制機(jī)理完全獨(dú)立于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，只用控制目標(biāo)與被控對(duì)象實(shí)際行為之間誤差來產(chǎn)生消除此誤差的控制策略，而隨著科技的進(jìn)步和對(duì)控制品質(zhì)要求的提高，傳統(tǒng)PID控制技術(shù)的缺陷也越來越突顯出來。PID的缺陷主要包括處理信號(hào)過于簡(jiǎn)單，未能充分發(fā)揮其絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在以下的四個(gè)方面：

（1）產(chǎn)生誤差的方式不太合理。控制目標(biāo)v在過程中可以“跳變”，但是被控對(duì)象輸出Y的變化都有慣性，不可能跳變，要求讓緩變的變量y來跟蹤能夠跳變的變量v，初始誤差會(huì)很大，容易引起超調(diào)，很不合理。

（2）誤差微分信號(hào)的產(chǎn)生沒有太好的辦法。當(dāng)前還沒有提取微分信號(hào)的合理辦法和合適裝置，微分時(shí)間的選擇和計(jì)算絕大多數(shù)都是要依靠經(jīng)驗(yàn)值。

（3）誤差積分反饋的引入會(huì)附帶產(chǎn)生很多負(fù)作用。在PID控制過程中，誤差積分反饋的作用是消除靜差，提高系統(tǒng)響應(yīng)的準(zhǔn)確性，但同時(shí)誤差積分反饋的引入，會(huì)使閉環(huán)變得遲鈍，容易產(chǎn)生振蕩，易產(chǎn)生由積分飽和引起的控制量飽和，反而出現(xiàn)不好控制效果。

（4）線性組合不一定是最好的組合方式。PID控制器給出的控制量是誤差的現(xiàn)在、過去、將來三者的線性組合，但大量工程實(shí)踐表明，線性組合不一定能滿足所有的控制工況和對(duì)象過程，我們也需要在線性組合之外，依據(jù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)以及被控參數(shù)的特性研發(fā)和試驗(yàn)一種行業(yè)、過程有特殊針對(duì)性的非線性組合方式。

3 改進(jìn)型PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制方法

改進(jìn)型PID控制算法在多流體生產(chǎn)過程高溫反應(yīng)釜溫度控制的方法，主要有：

（1）對(duì)主控對(duì)象采用流量PID控制，以流量為主控參數(shù)，調(diào)節(jié)主控對(duì)象的實(shí)時(shí)流量，進(jìn)而影響反應(yīng)釜內(nèi)的溫度；

（2）對(duì)次控對(duì)象采用改進(jìn)型PID控制，以流量為主控參數(shù)，以溫度為輔控參數(shù)。

由于多對(duì)象控制的邏輯公式中有一個(gè)爐內(nèi)實(shí)時(shí)溫度的變量，依據(jù)此特性，我們?cè)O(shè)計(jì)將爐內(nèi)實(shí)時(shí)溫度這個(gè)參數(shù)進(jìn)行全量程分段，這樣每一個(gè)量程段就會(huì)有一個(gè)明確的主控流量變化量與爐內(nèi)溫度變化量的對(duì)應(yīng)公式，實(shí)現(xiàn)流量與溫度的控制對(duì)象概念的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。

溫度的分段控制既滿足了反應(yīng)釜工藝要求，達(dá)到升溫過程實(shí)時(shí)的精準(zhǔn)控制需求，又能保證系統(tǒng)燃燒反應(yīng)過程完全、充分進(jìn)行，節(jié)約反應(yīng)氣體，降低生產(chǎn)成本；溫度的分段控制在恒溫階段效果更加顯著，既解決了反應(yīng)釜溫度控制滯后的問題，又在保證系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，解決了調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)持續(xù)往復(fù)震蕩的問題，實(shí)現(xiàn)控制過程快速性需求和穩(wěn)定性要求的平衡。

3.2 系統(tǒng)控制優(yōu)勢(shì)

（1）被控對(duì)象的轉(zhuǎn)換。對(duì)于主控對(duì)象采用直接的溫度控制，次控對(duì)象轉(zhuǎn)換控制角度，采用以流量參數(shù)控制為主，以溫度參數(shù)控制為輔的控制方式，以保證主控對(duì)象調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，同時(shí)又兼顧了次控對(duì)象對(duì)系統(tǒng)的影響。

（2）控制方式的非線性組合。傳統(tǒng)1個(gè)PID僅針對(duì)一個(gè)對(duì)象進(jìn)行設(shè)定值與實(shí)際值的輸出控制，改進(jìn)型PID可以針對(duì)同一個(gè)被控對(duì)象結(jié)合2個(gè)不同的控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定值與實(shí)際值的輸出混合控制，兼顧了控制過程中2種不同因素的影響。

（3）控制過程的分段處理。針對(duì)控制過程邏輯運(yùn)算需要，將變量參數(shù)進(jìn)行全量程分段的PID控制，保證每一個(gè)量程段PID參數(shù)的相對(duì)匹配，保證控制的快速性需求和穩(wěn)定性要求的平衡。

4 結(jié)束語

在當(dāng)前的多流體行業(yè)生產(chǎn)過程中，由于工業(yè)設(shè)備和控制系統(tǒng)的集成化，控制過程和控制要求的差異化，傳統(tǒng)意義上的PID控制方法和控制策略可以滿足絕大部分的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制需求，但在某些溫度、壓力、流量、料速等多種因素交叉影響的領(lǐng)域里，傳統(tǒng)的PID控制由于僅能針對(duì)一個(gè)變量參數(shù)進(jìn)行控制，在實(shí)際的使用過程中還是無法滿足復(fù)雜、多變的生產(chǎn)過程的控制需求，無法達(dá)到生產(chǎn)過程安全性、穩(wěn)定性、快速性的標(biāo)準(zhǔn)和要求，還是需要我們結(jié)合控制系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，梳理出其中的控制關(guān)系和控制邏輯，分清主控參數(shù)、次控參數(shù)、輔控參數(shù)以及干擾參數(shù)等，選擇適當(dāng)?shù)目刂撇呗院涂刂扑惴?，定制開發(fā)針對(duì)性的PID控制系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。

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作者簡(jiǎn)介：杜興剛（1980-），男，山東青島人，本科，工程師，研究方向：智能系統(tǒng)領(lǐng)域。