孫小鷗

(成都建工工業(yè)化建筑有限公司, 四川成都 610000)

蒸壓加氣混凝土隔墻板具有質(zhì)量輕、保溫好、易加工和不燃燒等優(yōu)點。近年來在民用建筑的圍護填充墻中得到較多使用，已成為大力推廣和發(fā)展的一種新型建筑材料。成都建工工業(yè)化建筑有限公司擬投入一條年產(chǎn)20×104m3蒸壓加氣混凝土板材生產(chǎn)線，將填補西南地區(qū)蒸壓加氣混凝土隔墻板生產(chǎn)的不足。其采用的核心控制設(shè)備是西門子PLC。為了在生產(chǎn)中精準(zhǔn)地控制好溫度、壓力、流量這一類連續(xù)變化的關(guān)鍵工藝參數(shù)，筆者根據(jù)多年使用自控設(shè)備的經(jīng)驗，對整定這一類參數(shù)的方法作出探討。

1 PLC及PID的基本概念及課題研究方向

PLC簡稱可編程邏輯控制器，在大多數(shù)設(shè)備中擔(dān)任智能控制的大腦。PID是比例﹑積分﹑微分的縮寫。在工業(yè)生產(chǎn)中，一般用PLC運行閉環(huán)PID控制程序來控制溫度、壓力、流量等這一類連續(xù)變化的模擬量。具體控制過程大致為：傳感器檢測到的測量值輸入到PLC的AI(模擬量輸入)模塊，經(jīng)過AD(模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量)轉(zhuǎn)換，進入PLC進行PID運算，運算結(jié)果通過DA(數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的值通過PLC的AO(模擬量輸出)模塊輸出來控制執(zhí)行機構(gòu)動作，比如閥門開關(guān)程度等，來達到控制這些模擬量的目的。

生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的蒸壓加氣混凝土，控制好關(guān)鍵的工藝參數(shù)起了至關(guān)重要的作用。在產(chǎn)品制作過程中的配料工序、靜停養(yǎng)護工序、蒸壓養(yǎng)護工序涉及到一系列的溫度、壓力、流量的控制。在生產(chǎn)中，如何精準(zhǔn)地控制這一系列連續(xù)變化的模擬量成了電氣工程師的一大難題。本文簡要地介紹了筆者在PID參數(shù)整定中的一些個人經(jīng)驗，結(jié)合實驗截圖，給出了比較精準(zhǔn)控制這一類連續(xù)變化量的方法以供參考。

2 PID參數(shù)的物理意義

2.1 閉環(huán)控制的主要性能指標(biāo)

模擬量PID控制器的輸出表達式為:

式中等號右邊前三項分別是比例、積分、微分部分，其中控制器的輸入量(誤差信號ev(t))為：

ev(t)=sp(t)-pv(t)

sp(t)為設(shè)定值，pv(t)為過程變量(反饋值)；mv(t)是控制器的輸出信號，KP為比例系數(shù)，TI和TD分別是積分時間和微分時間，M是積分部分的初始值。不管是何種的PLC，在編程PID控制功能時，編程軟件要么就提供了已有的內(nèi)部固化好的PID控制模塊或指令，要么就提供了配置PID功能的使用向?qū)В凑障驅(qū)б徊讲阶鱿氯ゾ涂梢允褂肞ID功能了。所以說PID控制的難點不是編寫或閱讀控制程序，而是整定控制器的參數(shù)。實際應(yīng)用中使用到的參數(shù)有：

(1) 給定值：即想要達到的設(shè)定值。

(2) 反饋值：即傳感器通過AI模塊輸入進來的實際測量值。實際運用中這里應(yīng)填寫此AI通道的地址(如PIW288)。

(3) 采樣時間TS：PID控制程序是周期性執(zhí)行的，執(zhí)行的周期稱為采樣時間TS。

(4) 輸出值：即PID運算好的結(jié)果值，經(jīng)AO模塊輸送給執(zhí)行機構(gòu)。實際應(yīng)用中這里應(yīng)填寫此AO通道的地址(如PQW304)。

(5) 比例增益KP：即PID運算的比例增益。

(6) 積分時間TI：即PID運算的積分部分的積分時間。

(7) 微分時間TD：即PID運算的微分部分的微分時間。

2.2 對PID控制作用的理解

為了形象的說明PID的作用，我們以手動控制爐溫為例。

(1)比例P(增益KP)的作用就是調(diào)節(jié)電位器的大小，增益越大，代表人工大角度的轉(zhuǎn)動電位器，爐溫就迅速得以升高。但升高后溫度有可能繼續(xù)提升以至于超過設(shè)定值，也就是說的調(diào)節(jié)過頭，可能使溫度忽高忽低，來回振蕩。增益小，代表人工小角度的調(diào)整電位器，爐溫提升的就很慢。溫度到達設(shè)定值就需要較長時間。

(2)積分I(積分部分的積分時間TI)，相當(dāng)于根據(jù)當(dāng)時的誤差值，周期性的微調(diào)電位器角度。溫度低于預(yù)設(shè)值時誤差為正，積分項增大一點點，使加熱電流增加；反之積分項減小一點點。只要誤差不為零，積分項就會向減小誤差方向變化，最終使誤差趨近于零。如果積分時間設(shè)置的不好，其負(fù)面作用很難通過積分作用本身迅速地修正。如果積分作用太強，相當(dāng)于每次微調(diào)電位器的角度值過大，其累積的作用與增益過大相同，會使系統(tǒng)的動態(tài)性能變差，超調(diào)量(被控對象的最大值與預(yù)設(shè)值的差除以預(yù)設(shè)值)增大，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分作用太弱，則消除誤差的速度太慢。

(3)微分D(微分部分的微分時間TD)，有經(jīng)驗的操作人員在溫度上升過快，但尚未達到設(shè)定值時，根據(jù)溫度變化的趨勢，預(yù)感溫度將會超過設(shè)定值，出現(xiàn)超調(diào)。于是調(diào)節(jié)電位器的轉(zhuǎn)角，提前減小加熱的電流。微分作用也是這樣，具有超前和預(yù)測的特性，在溫度尚未超過穩(wěn)態(tài)值之前，根據(jù)被控量變化的趨勢，微分作用就能提前采取措施，以減小超調(diào)量。適當(dāng)?shù)奈⒎挚刂谱饔每梢允钩{(diào)量減小，調(diào)節(jié)時間縮短，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分時間TD與微分作用的強弱成正比。如果微分作用太強(TD太大)，對誤差的變化壓抑過度，將會使響應(yīng)曲線變化遲緩，超調(diào)量反而可能增大。微分作用太弱則作用不大。

3 具體的PID參數(shù)整定步驟

3.1 采樣周期TS

采樣周期越小，采樣值越能反映模擬量的變化情況。但是TS太小會增加CPU的運算量，被控量變化緩慢時，也沒必要將TS取的過小。確定采樣周期時，應(yīng)保證在被控量迅速變化的區(qū)段能有足夠多的采樣點，以保證不會因為采樣點過少而丟失被采集的模擬量中的重要信息。將各采樣點的測量值PVn連接起來，應(yīng)能基本上復(fù)現(xiàn)模擬量測量值pv(t)曲線。

表1中給出了過程控制中采樣周期的經(jīng)驗數(shù)據(jù)以供參考。實際的采樣周期需要經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試后確定。

表1 過程控制采樣周期

3.2 比例環(huán)節(jié)

為了減少需要整定的參數(shù)，首先采用比例(P)控制，即暫時取消積分和微分環(huán)節(jié)。觀察過程變量pv(t)的波形，由此獲得系統(tǒng)性能的信息，如超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間等。本人做了一個模擬實驗，取比例增益KP=5.0，積分時間TI=0.0S，微分時間TD=0.0S，得到的控制階躍響應(yīng)曲線見圖1(不停波動的是實際溫度線，方波是設(shè)定值)。

圖1 KP=5.0、TI=0.0S、TD=0.0S的控制響應(yīng)曲線

可以看到，實際溫度線在設(shè)定值方波上來回振蕩，穩(wěn)定性不好。接下來把KP降到3.0，積分和微分時間依然為0.0S，得到的控制階躍響應(yīng)曲線見圖2。

圖2 KP=3.0、TI=0.0S、TD=0.0S的控制響應(yīng)曲線

這一次振蕩次數(shù)少了很多，但實際值花了很長時間都沒達到設(shè)定值，控制效果也不好。接下來引入積分環(huán)節(jié)來消除誤差。

3.3 積分環(huán)節(jié)

在純比例環(huán)節(jié)中不停調(diào)節(jié)KP到一定效果后，引入積分環(huán)節(jié)。先可以把TI值設(shè)置大點，即使積分作用比較弱，然后慢慢減小TI值(增大積分作用)，觀察觀察過程變量pv(t)的波形。實驗中，先設(shè)定的參數(shù)為：KP=2.0，積分時間TI=20.0S，微分時間TD=0.0S，得到的控制階躍響應(yīng)曲線如圖3。

圖3 KP=2.0、TI=20.0S、TD=0.0S的控制響應(yīng)曲線

可以看到，這次響應(yīng)曲線比上一次又好了很多，但到達穩(wěn)態(tài)的時間還是長了一些，仍需進一步改進。接下來增大積分作用，設(shè)定參數(shù)為：KP=2.0，積分時間TI=6.0S，微分時間TD=0.0S，得到的控制階躍響應(yīng)曲線見圖4。

圖4 KP=2.0、TI=6.0S、TD=0.0S的控制響應(yīng)曲線

這次只經(jīng)過3次振蕩就到達穩(wěn)態(tài)，但超調(diào)量(峰值)有點過高。接下來引入微分環(huán)節(jié)來提前抑制過高的超調(diào)量。

3.4 微分環(huán)節(jié)

在比例和積分參數(shù)確定后，如果控制階躍響應(yīng)曲線還不夠理想，就要引入微分環(huán)節(jié)，特別是針對控制對象的慣性滯后較大的情況。先可以把TD值設(shè)置的小一些，即使微分作用比較弱，然后慢慢增大TD值(增大微分作用)，觀察觀察過程變量pv(t)的波形。實驗中，先設(shè)定的參數(shù)為：KP=2.0，積分時間TI=6.0S，微分時間TD=0.2S，得到的控制階躍響應(yīng)曲線見圖5。

圖5 KP=2.0、TI=6.0S、TD=0.2S的控制響應(yīng)曲線

引入微分環(huán)節(jié)后，可以看到曲線在設(shè)定值上后期的振蕩次數(shù)少了一些，但是超調(diào)量未有明顯好轉(zhuǎn)。接下來增大微分作用，這次的參數(shù)為KP=2.0，積分時間TI=6.0S，微分時間TD=1.0S，得到的控制階躍響應(yīng)曲線見圖6。

圖6 KP=2.0、TI=6.0S、TD=1.0S的控制響應(yīng)曲線

這次可以看到，實際值曲線只經(jīng)過一次振蕩就進入穩(wěn)態(tài)，而且超調(diào)量也很好，得到的PID控制階躍響應(yīng)曲線很完美。

4 結(jié)束語

PID參數(shù)的整定是一個綜合的﹑各參數(shù)相互影響的過程，實際調(diào)試過程中的多次嘗試是非常重要的，也是必需的。

(1)如果階躍響應(yīng)的超調(diào)量太大，經(jīng)過多次振蕩才能進入穩(wěn)態(tài)或者根本不穩(wěn)定，應(yīng)減小控制器的比例增益KP或增大積分時間TI。

(2)如果階躍響應(yīng)沒有超調(diào)量，但是被控量上升過于緩慢，過渡時間太長，應(yīng)按相反的方向調(diào)整上述參數(shù)。

(3)如果消除誤差的速度較慢，應(yīng)適當(dāng)減小積分時間，增強積分作用。

(4)反復(fù)調(diào)節(jié)比例增益和積分時間，如果超調(diào)量仍然較大，可以加入微分作用。微分時間從0逐漸增大，反復(fù)調(diào)節(jié)KP﹑TI﹑TD，直到滿足要求。需要注意的是在調(diào)節(jié)比例增益KP時，同時會影響到積分分量和微分分量的值，而不是僅僅影響到比例分量。

精準(zhǔn)的控制溫度、壓力、流量等這一系列變化的參數(shù)，使得蒸壓加氣混凝土在生產(chǎn)的開始到結(jié)尾一直處于良好的可控條件下。