楊智

（沈陽(yáng)市市場(chǎng)監(jiān)管事務(wù)服務(wù)中心(沈陽(yáng)市檢驗(yàn)檢測(cè)中心)，遼寧 沈陽(yáng) 110179）

熱工計(jì)量領(lǐng)域需要對(duì)熱電偶、熱電阻傳感器在規(guī)程指定的多個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行檢定，恒溫裝置和控溫器成為熱工測(cè)試系統(tǒng)重要的組成部分，以日本島電SR93 控溫器為例，介紹如何設(shè)置控制參數(shù)使恒溫裝置最快，最穩(wěn)的到達(dá)設(shè)定溫度點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制效果。

一、PID 控制

PID 控制算法是最經(jīng)典的自動(dòng)控制算法，其控制結(jié)構(gòu)與簡(jiǎn)單的閾值控制系統(tǒng)基本相同，但PID 控制中被控對(duì)象的狀態(tài)與設(shè)定值的誤差很小，甚至可以忽略不計(jì)，如日本島電SR93 的控制精度就達(dá)到了0.3 級(jí)。PID 控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不斷的持續(xù)行工作，且工作強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)，即可以從停止工作狀態(tài)調(diào)整到滿負(fù)荷工作狀態(tài)。PID 控制包括三個(gè)控制參數(shù)[1]。

1.比例控制P：根據(jù)當(dāng)前的誤差信息來(lái)計(jì)算輸出控制信號(hào)的大小，誤差越大，輸出的控制信號(hào)越大。KP 稱為比例常數(shù)，KP 的數(shù)值越大，控制系統(tǒng)的靈敏度越高，對(duì)誤差的反應(yīng)越強(qiáng)烈，使控制對(duì)象能夠較快的達(dá)到設(shè)定值，但也容易使系統(tǒng)不穩(wěn)定，控制過(guò)度。

2.積分控制 I：根據(jù)當(dāng)前的誤差微分信息來(lái)計(jì)算輸出控制信號(hào)的大小，誤差積分越大，輸出的控制信號(hào)也越大。KI 稱為積分常數(shù)，比例控制達(dá)到設(shè)置值之后，誤差值為零，這時(shí)需要持續(xù)的誤差反饋?zhàn)鳛榭刂戚斎肓?，此時(shí)的積分誤差值仍不為零，其仍然可以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的輸出控制信號(hào)，維持誤差為零的控制效果。

3.微分控制 D：根據(jù)當(dāng)前的誤差微分信息來(lái)計(jì)算輸出控制信號(hào)的大小，微分誤差越大，輸出的控制信號(hào)也越大。KD 稱為微分常數(shù)，誤差微分值越大，預(yù)示著被控制對(duì)象將產(chǎn)生較大的變化，而微分控制則是專門(mén)對(duì)抗這種激烈的變化，產(chǎn)生超前控制的效果[2]。

上式就是PID 控制算法的總公式，只要合理的設(shè)置KP、KI 和KD 三個(gè)值，基本上就可以滿足各種自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。

二、SR93 的PID 設(shè)置

SR93 是一種高性能的單回路調(diào)節(jié)器。0.3 級(jí)精度、四種外形尺寸、四位超大LED 顯示，帶手動(dòng)和模擬變送、設(shè)定值偏移（SB）、雙輸出及兩組專家PID 參數(shù)、一組外部開(kāi)關(guān)、兩路報(bào)警和事件輸出，以及通訊功能。

（一）AT 自動(dòng)整定

調(diào)節(jié)輸出正/反作用設(shè)置，選擇調(diào)節(jié)輸出反作用(加熱)或正作用(致冷)。反作用rA是指PV測(cè)量值與SV設(shè)定值的正偏差越大，調(diào)節(jié)輸出越小(加熱系統(tǒng))。正作用dA 是指PV 測(cè)量值與SV 設(shè)定值的正偏差越大，調(diào)節(jié)輸出越大(致冷系統(tǒng))。在對(duì)熱電偶、熱電阻的計(jì)量檢定中需要多段的升溫過(guò)程以達(dá)到規(guī)程中指定的計(jì)量溫度點(diǎn)，因此，需要選擇反作用rA。

1.AT 自整定示意圖

如圖1 所示，在未知最佳PID 參數(shù)的情況下，窗口設(shè)置SV 溫度后，執(zhí)行AT 自整定，AT 自整定啟動(dòng)on 后，AT 燈亮，在測(cè)量PV 值到達(dá)SV 設(shè)定值后，講自動(dòng)造成對(duì)系統(tǒng)的二、三次擾動(dòng)。SR93 根據(jù)超調(diào)震蕩的大小和恢復(fù)周期，自動(dòng)計(jì)算出系統(tǒng)的PID參數(shù)值。當(dāng)AT整定完成，AT燈滅，系統(tǒng)恢復(fù)正常控制。

（二）多段PID 加載

常見(jiàn)溫控器的用法是針對(duì)一個(gè)控溫裝置設(shè)定一個(gè)固定的SV 溫度點(diǎn)，SR93 控溫器應(yīng)用AT 自整定得到的一組PID 參數(shù)值，一直進(jìn)行操作調(diào)節(jié)。而在熱工計(jì)量領(lǐng)域，不同分度的熱電偶、熱電阻需要多個(gè)不同的檢定溫度點(diǎn)，這樣SR93 需要針對(duì)多段的A-＞B、B-＞C、C-＞D、D-＞E 等多個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行迅速的最優(yōu)調(diào)節(jié)。這樣就需要針對(duì)性的試驗(yàn)出多組參數(shù)如PID(A-＞B)、PID(B-＞C)、PID(C-＞D)、PID(D-＞E)等。當(dāng)需要進(jìn)行某段升溫時(shí)，可以將對(duì)應(yīng)此段AT 自整定得到的PID 參數(shù)值，遠(yuǎn)程直接下載至島電SR93。

（三）手動(dòng)整定

對(duì)于一般的恒溫裝置，SR93 自整定都能達(dá)到預(yù)期控制效果的PID 參數(shù)，但是如果多次整定后的效果仍不理想，可以采用人工手動(dòng)調(diào)整PID 參數(shù)。

1）當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)前超調(diào)量過(guò)大，可以適當(dāng)增加P 值以抑制超調(diào)。2）如果要加快到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，而允許少量超調(diào)時(shí)，可適當(dāng)減小比例P 值。3）當(dāng)測(cè)量值在設(shè)定值上下緩慢波動(dòng)時(shí)，可以適當(dāng)增加I 值或P 值。4）當(dāng)測(cè)量值在設(shè)定值上下波動(dòng)頻繁時(shí)，可以適當(dāng)減小D 值[3]。

2.shimaden_com 軟件界面圖島電SR93 附帶的上位機(jī)調(diào)試軟件shimaden_com（如圖2）可以根據(jù)用戶需要便捷的設(shè)置儀表配置參數(shù)。如圖3 所示，用戶可以根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)手工下發(fā)P、I、D 配置參數(shù)及輸出上下限。

3.PID 參數(shù)設(shè)置界面圖

三、結(jié)論

在研究日本島電SR93 的PID 配置參數(shù)及PID 控制算法的基礎(chǔ)上，提出了分段AT 自整定及將分段整定得到的PID 參數(shù)值通過(guò)上位機(jī)下載至SR93 的控制方法，經(jīng)熱電偶檢定實(shí)驗(yàn)，熱電偶檢定爐在選擇最優(yōu)PID 參數(shù)的情況下，可以更快更穩(wěn)的達(dá)到預(yù)設(shè)SV 溫度檢定點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期的控制效果，大大縮減的熱工檢定的操作時(shí)間.