邢建偉，孔祥波，白錦川，李麗

(酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工學(xué)院，甘肅 酒泉 735000)

0 引言

眾所周知，化工行業(yè)具有生產(chǎn)流程長，工藝過程復(fù)雜，原料、半成品、副產(chǎn)品、產(chǎn)品及廢棄物具有危險特性等特點(diǎn)，為保證生產(chǎn)過程中各個設(shè)備的持續(xù)穩(wěn)定，減少安全隱患問題，化工企業(yè)均采用分布式控制系統(tǒng)((distributed control system, DCS)，在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng))來監(jiān)測和管理生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)[1]。其特點(diǎn)包括極高的可靠性、良好的開放性、高度的靈活性、穩(wěn)定的協(xié)調(diào)性以及強(qiáng)大的功能性等。

對于一般生產(chǎn)而言，無論是連續(xù)生產(chǎn)還是間歇操作，生產(chǎn)時都要盡力減小生產(chǎn)中工藝參數(shù)的波動，即采用定值控制系統(tǒng)來管理生產(chǎn)。該系統(tǒng)是基于反饋理論中的三個必備要素：測量、比較和執(zhí)行完成，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，多數(shù)情況下會采用PID(比例(proportion)、積分 (integral)、微分 (differential))控制來保證閉環(huán)系統(tǒng)的平穩(wěn)進(jìn)行[2]。構(gòu)成PID控制的關(guān)鍵參數(shù)δ(比例度)、TI(積分時間)、TD(微分時間)又是決定控制質(zhì)量的關(guān)鍵，由此看來，選擇合適的控制規(guī)律和工程參數(shù)就顯得尤為重要。本文結(jié)合實(shí)踐教學(xué)，探討了將液位H和溫度T作為被控變量時，PID控制規(guī)律的選擇以及工程參數(shù)整定，旨在強(qiáng)化理論知識，提高學(xué)習(xí)者對PID的深刻理解和認(rèn)識。

1 PID控制規(guī)律選擇及機(jī)理

PID控制是由比例控制規(guī)律(P)、積分控制規(guī)律(I)、微分控制規(guī)律(D)三個基本控制規(guī)律組成[3]，其表達(dá)式為：

式中：KP為比例放大倍數(shù)；TI為積分時間；TD為微分時間。

1.1 比例控制P

比例控制是三種基本控制規(guī)律中最基本的，其特點(diǎn)是可以單獨(dú)使用，控制方式簡單，控制器的輸出變量p與輸入變量e(偏差信號)之間呈比例關(guān)系，一旦輸入信號e發(fā)生波動，輸出信號p會隨之發(fā)生動作，整個控制過程的反應(yīng)時間很短，響應(yīng)迅速；缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)完畢后系統(tǒng)會出現(xiàn)余差，即測量值不等于設(shè)定值(或給定值)。因此，單純的比例控制只能在控制要求不高的場合下使用，如儲罐液位控制、反應(yīng)釜(塔)液位、部分蒸汽壓力控制系統(tǒng)等，以上這些系統(tǒng)的對象容量大，負(fù)荷變化小，允許存在一定余差。在工程上，一般通過調(diào)節(jié)δ來選擇比例控制作用強(qiáng)弱，由于比例度δ與放大倍數(shù)KP之間是反比關(guān)系，所以δ的數(shù)值越小，比例控制作用越強(qiáng)。選擇合適的δ控制系統(tǒng)的振蕩曲線才會出現(xiàn)衰減振蕩，數(shù)值過小，控制作用太強(qiáng)，系統(tǒng)的波動加劇，甚至?xí)霈F(xiàn)發(fā)散振蕩和等幅振蕩；數(shù)值太大，系統(tǒng)很難在短時間內(nèi)穩(wěn)定，振蕩曲線呈現(xiàn)出非周期衰減振蕩[4]。

1.2 積分控制I和微分控制D

積分和微分控制往往不單獨(dú)使用，必須與比例控制進(jìn)行配合，從而構(gòu)成PI、PD或PID控制。從積分控制的表達(dá)式來看，將控制器輸出ΔPI求一階微分后，其輸出的變化速度與偏差信號e之間為正比關(guān)系。進(jìn)一步分析可知，只有當(dāng)偏差信號為零時，積分控制作用就不再發(fā)生動作，系統(tǒng)才會終止調(diào)節(jié)，換言之，積分控制動作結(jié)束時偏差必然為零。而微分控制主要用來抑制系統(tǒng)的波動性和遲滯。以溫度控制系統(tǒng)為例，系統(tǒng)溫度的變化由溫度傳感器經(jīng)過熱傳遞或熱傳導(dǎo)完成，此過程的反應(yīng)時間t較長，這就導(dǎo)致外部擾動或溫度控制器的輸出在作用到被控對象后存在較大的滯后性。微分控制具有“超前控制”的特點(diǎn)，可以提前判斷被控對象是否迎來較大偏差，從而提前完成操作，以減小系統(tǒng)的波動性，提高穩(wěn)定性[5]。

1.3 控制機(jī)理

結(jié)合圖1所示，系統(tǒng)在正常運(yùn)行時需要外部設(shè)定值(即給定值x)，其數(shù)值大小將與被控對象的輸出變量—被控變量y作比較(分正作用(+)和反作用(-))并得到偏差信號e，由于整個生產(chǎn)過程為動態(tài)過程，偏差信號e為時間函數(shù)，記為e(t)?？刂茊卧狿ID調(diào)節(jié)器依據(jù)偏差信號結(jié)果做出響應(yīng)，綜合作用到被控對象，以調(diào)整被控變量y的大小，其結(jié)果又由測量及變送單元繼續(xù)傳遞到比較環(huán)節(jié)，循環(huán)往復(fù)，直至輸出信號y達(dá)到設(shè)定要求[6]。

圖1 PID控制原理圖

2 參數(shù)整定

控制器參數(shù)的工程整定是指對PID控制系統(tǒng)中特定控制單元所屬參量進(jìn)行確定，對應(yīng)參量分別為δ(比例度)、TI(積分時間)、TD(微分時間)。只有選擇適宜的工程參數(shù)才可以達(dá)到較好的控制效果，否則不但不會使系統(tǒng)穩(wěn)定下來，甚至有可能出現(xiàn)更大的波動。根據(jù)相關(guān)資料報(bào)到[3,5]，PID控制參數(shù)整定方法有臨界比例度法，理論計(jì)算法，衰減曲線法以及經(jīng)驗(yàn)湊試法。前三種方法在現(xiàn)有文獻(xiàn)中已有大量報(bào)道，其方法大同小異，本項(xiàng)目采用第四種經(jīng)驗(yàn)湊法，即依據(jù)已有參考變量進(jìn)行曲線繪制，通過調(diào)整參數(shù)大小來完成，具體參考數(shù)值如表1所示。

表1 PID控制單元參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)數(shù)值表

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 設(shè)備簡介

實(shí)驗(yàn)裝置由AI智能儀表和MCGS組態(tài)軟件組成，其特點(diǎn)：功能齊全，操作簡便，既可以滿足教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)，又被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。裝置部分包含：儲水箱(800×400×600 mm)、冷水槽 (200×400 mm)、熱水槽(180×500 mm)以及電加熱鍋爐(單相2.5 kW，由不銹鋼鍋爐加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼冷卻鍋爐夾套組成)。系統(tǒng)動力支路分三路組成：第一路由循環(huán)泵Ⅰ、氣動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計(jì)、不銹鋼水管及手動切換閥組成；第二路由循環(huán)泵Ⅱ、電動調(diào)節(jié)閥、孔板流量計(jì)、不銹鋼水管及手動切換閥組成；第三路由電磁泵、電磁流量計(jì)、不銹鋼水管及手動切換閥組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該實(shí)訓(xùn)裝置的檢測信號、控制信號及被控信號均采用ICE標(biāo)準(zhǔn)，即電壓1～5 V，電流4～20 mA。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)供電要求：三相380 V交流電。

面板功能如圖3所示：①上顯示窗，顯示測量值PV、參數(shù)名稱等；②下顯示窗，顯示給定值SV、報(bào)警代號、參數(shù)值等；③設(shè)置鍵，用于進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)，確認(rèn)參數(shù)修改等；④數(shù)據(jù)移位(兼定點(diǎn)控制操作)；⑤數(shù)據(jù)減少鍵(兼運(yùn)行/暫停操作)；⑥數(shù)據(jù)增加鍵(兼停止操作)；⑦10個LED指示燈，其中MAN、PRG 燈在本實(shí)驗(yàn)中不用；MIO、OP1、OP2、AL1、AL2、AU1、AU2 等分別對應(yīng)模塊輸入輸出動作；COM 燈亮表示正與上位機(jī)通訊。

圖3 智能調(diào)節(jié)儀AI518面板

3.2 水箱液位控制

單容水箱如圖4所示。

圖4 單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 結(jié)果分析

水箱初始狀態(tài)下液位H=0，通過AI518面板設(shè)置Sc=0，偏差 dF=0.5(即e=0.5)；PID 控制參數(shù)δ、TI、TD中位數(shù)分別為40、50、10，實(shí)驗(yàn)時在此基礎(chǔ)上進(jìn)行放大和縮小，選取偏大和偏小參數(shù)；系統(tǒng)階躍干擾采用改變給定值Sv的方法完成，即按規(guī)律增大Sv；單組數(shù)值每隔25 s記錄一次，一共記錄20次。

從上表2可以看出，交叉驗(yàn)證δ、TI、TD的數(shù)值大小，液位H的最大偏差都沒有超過設(shè)定值dF(0.5 cm)，振蕩周期均小于20 s，但微分時間偏小時最大絕對誤差大于0.45 cm，表明此時系統(tǒng)的振幅較大，波動加??；TI偏小時積分作用較強(qiáng)，絕對誤差較小，控制單元對系統(tǒng)的余差起到了較好的抑制作用，比例度δ對測量結(jié)果的影響較小，沒有出現(xiàn)大的波動。

表2 單容水箱液位定值控制PID參數(shù)設(shè)置表

3.3 鍋爐溫度控制

熱水鍋爐溫度定值控制系統(tǒng)方塊圖如圖5所示。

圖5 熱水鍋爐溫度定值控制系統(tǒng)方塊圖

3.3.1 控制原理

該溫度控制系統(tǒng)原理與水箱液位定值原理一致，此處不再贅述。

3.3.2 結(jié)果分析

對熱水鍋爐溫度的定值控制結(jié)果來看(表3)，溫度控制系統(tǒng)的振蕩周期較液位H控制相比有所增加，其原因歸結(jié)于溫度控制系統(tǒng)存在較大的遲滯。電加熱管的溫度調(diào)節(jié)需要接收來自智能調(diào)節(jié)儀的信號，然后依據(jù)此輸入信號改變輸入電流(或電壓)強(qiáng)度，進(jìn)而將電能轉(zhuǎn)化為熱能，在忽略能量損失的前提下，無論是能量轉(zhuǎn)化還是熱量傳遞，都會使系統(tǒng)傳遞的溫度信號在傳遞及變送時經(jīng)歷熱交換和熱傳遞，導(dǎo)致控制器的響應(yīng)時間增加。溫度T的最大絕對誤差Δmax依舊沒有超過dF(0.5cm)，絕對誤差最高的點(diǎn)也出現(xiàn)在微分作用較強(qiáng)(TD偏小)時，可見微分控制的“超前控制作用”對溫度控制系統(tǒng)有很明顯的效果，這也印證了在一般的溫度控制系統(tǒng)中必須添加微分控制，否則系統(tǒng)的波動和振幅會加劇，同時振蕩的周期變長。與此同時，本實(shí)驗(yàn)中所采用的積分時間TI和比例度δ數(shù)值都是在參考值的基礎(chǔ)上進(jìn)行了“湊試”，從結(jié)果來看，無論偏大、偏小或保持中位數(shù)，都沒有引起較大的波動，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，其原因?yàn)樗?shù)值并未超過比例度和振蕩周期的臨界值，即在合理數(shù)值范圍之內(nèi)；另一方面，數(shù)值的變化幅度較小，均在可控范圍之內(nèi)。綜上所述，溫度控制系統(tǒng)必須加入微分控制，且微分時間TD不能太小。在此基礎(chǔ)上引入的比例控制和積分控制必須在可控范圍之內(nèi)，不得低于臨界值，否則比例控制和積分控制對系統(tǒng)的波動作用沒有明顯的效果，很難出現(xiàn)相對穩(wěn)定的震蕩形式。

表3 熱水鍋爐水溫定值控制參數(shù)設(shè)置表

4 結(jié)語

儀表自動化中關(guān)于PID控制規(guī)律的選擇和工程參數(shù)整定是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，多數(shù)情況下學(xué)生都是在被動的學(xué)習(xí)，缺少實(shí)踐性[7]。然而經(jīng)驗(yàn)湊試法又是工程參數(shù)整定時使用較為廣泛的方法，特別是在對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試時，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制效果，技術(shù)人員都會在理論指導(dǎo)下結(jié)合工人師傅的經(jīng)驗(yàn)對參數(shù)做微調(diào)。本文結(jié)合實(shí)際教學(xué)設(shè)備，對化工生產(chǎn)中比較典型的參量液位H和溫度T的控制過程進(jìn)行探討，分析了δ、TI、TD數(shù)值大小對控制質(zhì)量的影響，一方面為PID控制規(guī)律選擇及參數(shù)整定的理論教學(xué)提供了良好教學(xué)案例；另一方面將化工儀表的理論知識與實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行有機(jī)融合，學(xué)生將實(shí)操所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析的過程既是將理論知識進(jìn)行內(nèi)化的過程，不僅克服了難點(diǎn)，而且激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了實(shí)踐能力和分析能力，符合新工科背景下化工儀表自動化課程改革與實(shí)踐的要求。