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在自動(dòng)化過程控制中，無(wú)論是過去的直接數(shù)字控制DDC、設(shè)定值控制SPC，到微芯片可編程調(diào)節(jié)器和DDZ-S系列智能儀表，還是現(xiàn)在的PLC、DCS等控制系統(tǒng)中，我們都能很容易找到PID過程控制的影子。 一、引言 工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)過程控制提出了新的挑戰(zhàn)，過去的現(xiàn)場(chǎng)基地式儀表已不能完全滿足生產(chǎn)的需要。隨著電子、計(jì)算機(jī)、通訊、故障診斷、冗余校驗(yàn)和圖形顯示等技術(shù)的高速發(fā)展，給工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)工具的完善創(chuàng)造了條件。人們一直試圖利用改變一些對(duì)生產(chǎn)過程影響的種種擾動(dòng)，以控制目標(biāo)值的恒定，PID控制理論從此應(yīng)運(yùn)而生。在自動(dòng)化過程控制中，無(wú)論是過去的直接數(shù)字控制DDC、設(shè)定值控制SPC，到微芯片可編程調(diào)節(jié)器和DDZ-S系列智能儀表，還是現(xiàn)在的PLC、 DCS等控制系統(tǒng)中，我們都能很容易找到PID過程控制的影子。 在生產(chǎn)過程中，PID工作基理：由于來(lái)自外界的各種擾動(dòng)不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷的進(jìn)行。若擾動(dòng)出現(xiàn)使得現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值(以下簡(jiǎn)稱被控參數(shù))發(fā)生變化，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件就會(huì)將這種變化記錄并傳送給PID控制器，改變過程變量值(以下簡(jiǎn)稱PV值)，經(jīng)變送器送至PID 控制器的輸入端，并與其給定值(以下簡(jiǎn)稱SP值)進(jìn)行比較得到偏差值(以下簡(jiǎn)稱e值)，調(diào)節(jié)器按此偏差并以我們預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律(將在第三節(jié) PID算法中詳細(xì)推導(dǎo)與分析)發(fā)出控制信號(hào)，去改變調(diào)節(jié)器的開度，使調(diào)節(jié)器的開度增加或減少，從而使現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值發(fā)生改變，并趨向于給定值(SP值)，以達(dá)到控制目的。 例:窯頭重油換向室油槍供油流量PID控制系統(tǒng)示意圖。 二、PID被控參數(shù)的選定 選擇被控參數(shù)是控制方案設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，對(duì)于節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定生產(chǎn)、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品的產(chǎn)、質(zhì)量等都具有決定性的意義。若被控參數(shù)選擇不當(dāng)，則無(wú)論組成什么樣的控制系統(tǒng)，選用多么先進(jìn)的過程檢測(cè)控制設(shè)備，均不會(huì)達(dá)到預(yù)期的控制效果。因此掌握被控參數(shù)的選定方法是從事自動(dòng)化工程人員必修的一門課。 因?yàn)橛绊懣刂茖?duì)象值變化的擾動(dòng)很多，并非所有擾動(dòng)都必須加以控制，所以正確選定被控參數(shù)，顯得尤為重要。選擇被控參數(shù)要根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，深入分析生產(chǎn)工藝過程，找出對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)、質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、環(huán)境保護(hù)等具有決定性作用，能較好反映工藝生產(chǎn)狀態(tài)變化的參數(shù)，這些參數(shù)又是人工控制難以滿足要求，或操作十分緊張、勞動(dòng)強(qiáng)度很大，客觀上要求進(jìn)行自動(dòng)控制的參數(shù)，作為被控參數(shù)。 被控參數(shù)的選擇一般有兩種方法，一是選擇能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)、質(zhì)量又易于測(cè)量的參數(shù)作為被控參數(shù)的稱為直接參數(shù)法。如：在金彪主線上大窯玻璃液位控制系統(tǒng)中，直接選用玻璃液位作為直接參數(shù)，因?yàn)橐何贿^高過低均會(huì)給錫槽610t/d的拉引量帶來(lái)不穩(wěn)定的因素，直接與產(chǎn)品的質(zhì)量有關(guān)。 當(dāng)選擇直接參數(shù)有因難時(shí)，如：直接參數(shù)檢測(cè)很困難或根本無(wú)法利用現(xiàn)行的儀器進(jìn)行檢測(cè)，可以選擇那些能間接反映產(chǎn)品產(chǎn)、質(zhì)量又與直接參數(shù)有線性單值函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系、易于測(cè)量的參數(shù)作為被控參數(shù)，這樣的方法稱為間接參數(shù)法。例如：氣?？辗窒到y(tǒng)中精餾塔是利用空氣中各組份在一定的壓力、不同的溫度點(diǎn)下，其揮發(fā)度不同，將空氣分離出較純氮?dú)獾脑O(shè)備。精餾過程要求出塔氮?dú)赓|(zhì)量達(dá)到規(guī)定的小于或等于3PPm的純度，并希望在額定生產(chǎn)負(fù)荷下，盡可能地節(jié)省能源。按照直接參數(shù)法，我們應(yīng)該選擇塔頂餾出物或塔頂回流液的濃度作為被控參數(shù)，因?yàn)樗茏钪苯拥胤从钞a(chǎn)品的質(zhì)量。但是，目前對(duì)成分的測(cè)量尚有一定的技術(shù)難度，于是一般采用氧化鋯微氣量分析儀中氧化鋯濃差電池原理測(cè)量氧化鋯與被測(cè)物質(zhì)產(chǎn)生的電勢(shì)與濃度有單值函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系的特性來(lái)反映被測(cè)物質(zhì)的濃度作為被控參數(shù)。 應(yīng)當(dāng)指出，直接參數(shù)或間接參數(shù)的選擇并不是唯一的，更不是隨意的，要通過對(duì)過程特性進(jìn)行深入分析，才能做出的正確選擇。 下面是選取被控參數(shù)的一般原則，希望對(duì)讀者有所幫助： 1、選擇對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)、質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)動(dòng)作和環(huán)境保護(hù)具有決定性作用的、可直接測(cè)量的工藝參數(shù)作為被控參數(shù)。 2、當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時(shí)，應(yīng)該選擇一個(gè)與直接參數(shù)有線性單值函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接參數(shù)作為被控參數(shù)。 3、被控參數(shù)必須具有足夠高的靈敏度。 4、被控參數(shù)的選取，必須考慮工藝過程的合理性和所用儀表的性能。 三、PID算法 在過程控制中，PID控制器，一直是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器；PID控制也一直是眾多控制方法中應(yīng)用最為普遍的控制算法，PID算法的計(jì)算過程與輸出值(OUT)有著直接函數(shù)關(guān)系，因此想進(jìn)一步了解PID控制器，必須首先熟悉PID算法，這也是筆者為什么在下面的內(nèi)容里大費(fèi)周章討論這個(gè)問題的原因所在。 PID控制器調(diào)節(jié)輸出，是為了保證偏差值(e值)為零，使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)預(yù)期穩(wěn)定狀態(tài)。這里的偏差(e)是給定值(SP)和過程變量值(PV)的差。PID控制原理基于下面的算式： 輸出M(t)是比例項(xiàng)(P)、積分項(xiàng)(I)、微分項(xiàng)(D)的函數(shù)。 M(t)=KC*e+ KC* +Minitial+ KC*TD* (1-1) 為了讓計(jì)算機(jī)能處理這個(gè)PID算法，我們必須把這個(gè)連續(xù)算式離散化成為周期采樣偏差算式，才能計(jì)算調(diào)節(jié)輸出值(以下簡(jiǎn)稱OUT值)。將積分與微分項(xiàng)分別改寫成差分方程，可得： (1-2)=e(1)+e(2)+…………+e(k); (1-3)=[e(k)-e(k-1)]/T。 T是離散采樣周期 將上(1-2)和(1-3)式代入輸出項(xiàng)函數(shù)(1-1)式，可得數(shù)字偏差算式(1-4)為： Mn=KC*en+KC* +Minitial+ KC* *(en-en-1) (1-4) 輸出=比例項(xiàng) +積分項(xiàng) +微分項(xiàng) (1-1)與(1-4)式中： M(t) ：回路輸出(時(shí)間函數(shù)) Mn ：第n次采樣時(shí)刻,PID回路輸出的計(jì)算值(OUT值) T ：采樣周期(或控制周期) Minitial ：PID回路輸出初始值 Kc ：PID回路增益 TI ：積分項(xiàng)的比例常數(shù) TD ：微分項(xiàng)的比例常數(shù) en ：在第n次采樣時(shí)刻的偏差值(en=SPn-PVn) en-1：在第n-1次采樣時(shí)刻的偏差值(也稱偏差前項(xiàng)) 從這個(gè)數(shù)字偏差算式可以看出； 比例項(xiàng)是：當(dāng)前誤差采樣的函數(shù)。 積分項(xiàng)是：從第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期所有誤差項(xiàng)的函數(shù)。 微分項(xiàng)是：當(dāng)前誤差采樣和前一次誤差采樣的函數(shù)。 在這里需要說(shuō)明的是：我們?cè)诜e分項(xiàng)中可以不保存所有誤差項(xiàng)，因?yàn)楸４嫠姓`差項(xiàng)會(huì)占用較大的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單元，所以我們通常從第一次誤差采樣開始，我們利用每一次偏差采樣都會(huì)計(jì)算出的輸出值的特點(diǎn)，在以后的輸出值計(jì)算時(shí)只需保存偏差前項(xiàng)和積分項(xiàng)前值。利用計(jì)算機(jī)的處理的周期重復(fù)性，我們就可以根據(jù)我們剛才推導(dǎo)的數(shù)字偏差算式計(jì)算出下一次積分項(xiàng)值。因此我們可以簡(jiǎn)化上述的數(shù)字偏差算式(1-4)為： Mn=KC*en+KC* en +MX+ KC* *(en-en-1) (1-5) CPU(計(jì)算機(jī)中央芯片)實(shí)際計(jì)算中使用的是(1-5)簡(jiǎn)化算式的改進(jìn)比例項(xiàng)、積分項(xiàng)、微分項(xiàng)和的形式計(jì)算PID輸出的。 改進(jìn)型算式是： Mn = MPn +MIn + MDn (1-6) 輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng) (1-5)和(1-6)式中： Mn ：第n次采樣時(shí)刻,PID回路輸出的計(jì)算值(OUT值) MPn ：第n次采樣時(shí)刻的比例項(xiàng) MIn ：第n次采樣時(shí)刻的積分項(xiàng) MDn ：第n次采樣時(shí)刻的微分項(xiàng) T ：采樣周期(或控制周期) MX ：PID回路積分前項(xiàng) Kc ：PID回路增益 TI ：積分項(xiàng)的比例常數(shù) TD ：微分項(xiàng)的比例常數(shù) en ：在第n次采樣時(shí)刻的偏差值(en=SPn-PVn) en-1 ：在第n-1次采樣時(shí)刻的偏差值(en-1=SPn-1-PVn-1) (也稱偏差前項(xiàng)) 下面我們就根據(jù)(1-5)與(1-6)的對(duì)應(yīng)關(guān)系單獨(dú)分析一下各子項(xiàng)中各值的關(guān)系 3.1比例項(xiàng)(MPn)： 比例項(xiàng)MP是增益(Kc)和偏差(e)的乘積。因?yàn)槠?e)是給定值(SP)與過程變量值(PV)之差(en=SPn-PVn)。根據(jù)(1-5)與(1-6)式中對(duì)應(yīng)關(guān)系可得CPU執(zhí)行的求比例項(xiàng)算式為： MPn=Kc* (SPn-PVn) (2-1) 式中： MPn ：第n次采樣時(shí)刻比例項(xiàng)的值 Kc ：PID回路增益 SPn ：第n次采樣時(shí)刻的給定值 PVn ：第n次采樣時(shí)刻的過程變量值 從式(2-1)中，SP和PV都是已知量，因此影響輸出值OUT在比例項(xiàng)中只有回路增益Kc。不難看出比例項(xiàng)值的大小與回路增益大小成比例系數(shù)關(guān)系。根據(jù) P控制規(guī)律，在比例項(xiàng)中我們只要合理的設(shè)定Kc的大小，就能因根據(jù)采樣偏差e值的變化規(guī)律改變MPn，從而影響Mn來(lái)控制調(diào)節(jié)幅度。 3.2積分項(xiàng)(MIn)： 積分項(xiàng)值MI與偏差和成正比。因?yàn)槠?e)是給定值(SP)與過程變量值(PV)之差(en=SPn-PVn)。根據(jù)(1-5)與(1-6)式中對(duì)應(yīng)關(guān)系可得CPU執(zhí)行的求積分項(xiàng)算式為： MIn=Kc* (SPn-PVn)+MX (2-2) 式中： MIn ：第n次采樣時(shí)刻積分項(xiàng)的值 Kc ：PID回路增益 T ：采樣周期(或控制周期) TI ：積分時(shí)間常數(shù) SPn ：第n次采樣時(shí)刻的給定值 PVn ：第n次采樣時(shí)刻的過程變量值 MX ：第n-1采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)(積分前項(xiàng)) 在CPU每次計(jì)算出MIn之后，都要用MIn值去更新MX，MX的初值通常在第一次計(jì)算輸出以前被設(shè)置為為Minitial(初值)，這也就是Minitial為什么會(huì)在(1-5)式未執(zhí)行掃描到(1-6)式執(zhí)行掃描后變?yōu)镸X的原因。 從式(2-2)中我們可以看出，積分項(xiàng)包括給定值SP、過程變量值PV、增益Kc、控制周期T、積分時(shí)間常數(shù)TI、積分前項(xiàng)MX 。而SP、PV、Kc(已在比例項(xiàng)中設(shè)定)、T(根據(jù)設(shè)備性能參照確定)、MX(上一次積分已算出)都是已知量，因此影響輸出值OUT在積分項(xiàng)中只有積分時(shí)間常數(shù)TI。不難看出積分項(xiàng)值的大小與位于積分算式分母位置的積分時(shí)間常數(shù)TI大小成反比系數(shù)關(guān)系。也就是說(shuō)，在有積分項(xiàng)參與輸出調(diào)節(jié)控制的時(shí)候，積分時(shí)間常數(shù)設(shè)置越大，積分項(xiàng)作用輸出值就越小，反之增大。根據(jù)I控制規(guī)律，在積分項(xiàng)中我們只要合理的設(shè)定TI的大小，就能因根據(jù)采樣偏差e值的變化規(guī)律改變 MIn，從而影響Mn來(lái)控制調(diào)節(jié)幅度。 在這里又涉及到采樣周期選取的問題，采樣周期是計(jì)算機(jī)重新掃描各現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)值變化的時(shí)間間隔，控制周期是重新計(jì)算輸出的時(shí)間間隔，在不考慮計(jì)算機(jī)CPU運(yùn)算速度的情況下，采樣周期與控制周期通常認(rèn)為是同一描述。在實(shí)際工業(yè)過程控制中，采樣、控制周期越短，調(diào)節(jié)控制的品質(zhì)就越好。但盲目、無(wú)止境追求較短的采樣周期，不僅使計(jì)算機(jī)的硬件開支(如：A/D、D/A的轉(zhuǎn)換速度與CPU的運(yùn)算速度)增加，而且由于現(xiàn)行的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如：電動(dòng)類調(diào)節(jié)閥)的響應(yīng)速度較低，過短的采樣周期并不能有效的提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，因此我們必須從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面綜合考慮采樣頻率的選取。 選取采樣周期時(shí)，有下面幾個(gè)因素可供讀者參考： 1、采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象的擾動(dòng)周期。 2、采樣周期應(yīng)比對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小得多，否則所采樣得到的值無(wú)法反映瞬間變化的過程值。 3、考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度。如果采用的執(zhí)行器的響應(yīng)速度較慢，那么盲目的要求過短的采樣周期將失去意義。 4、對(duì)象所要求的調(diào)節(jié)品質(zhì)。在計(jì)算機(jī)速度允許的情況下，采樣周期短，調(diào)節(jié)品質(zhì)好。 5、性能價(jià)格比。從控制性能來(lái)考慮，希望采樣周期短。但計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度，以及A/D和D/A的轉(zhuǎn)換速度要相應(yīng)地提高，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的費(fèi)用增加。 6、計(jì)算機(jī)所承擔(dān)的工作量。如果控制的回路較多，計(jì)算量又特別大，則采樣要加長(zhǎng)；反之，可以將采樣周期縮短。 綜上分析可知：采樣周期受很多因素的影響，當(dāng)然也包括一些相互矛盾的，必須根據(jù)實(shí)際情況和主要的要求作出較為折衷的選擇。筆者在實(shí)際過程控制中得出以下經(jīng)驗(yàn)(僅供讀者參考)：如：流量1～2S，壓力2～3S，溫度1.5～4S，液位5～8S等。 3.2 微分項(xiàng)(MDn)： 微分項(xiàng)值MD與偏差的變化成正比。因?yàn)槠?e)是給定值(SP)與過程變量值(PV)之差(en=SPn-PVn)。根據(jù)(1-5)與(1-6)式中對(duì)應(yīng)關(guān)系可得CPU執(zhí)行的求微分項(xiàng)算式為： MDn= KC* *{( SPn-PVn)-(SPn-1-PVn-1)} (2-3) 為了避免給定值變化引起微分項(xiàng)作用的跳變，通常在定義微分項(xiàng)算式時(shí)，采用假定給定值不變，即：SPn =SPn-1。這樣可以用過程變量的變化替代偏差的變化，計(jì)算算式可改進(jìn)為： MDn= KC* * (PVn-PVn-1) (2-4) (2-3)與(2-4)式中： MDn ：第n次采樣時(shí)刻微分項(xiàng)的值 Kc ：PID回路增益 T ：采樣周期(或控制周期) TD ：積分時(shí)間常數(shù) SPn ：第n次采樣時(shí)刻的給定值 PVn ：第n次采樣時(shí)刻的過程變量值 SPn-1 ：第n-1次采樣時(shí)刻的給定值 PVn-1 ：第n-1次采樣時(shí)刻的過程變量值 式(2-4)中參與控制的變量或常量有增益Kc、微分時(shí)間常數(shù)TD、控制周期T、第n次采樣時(shí)刻的過程變量值PVn、第n-1次采樣時(shí)刻的過程變量值 PVn-1。而PVn、PVn-1、Kc(已在比例項(xiàng)中設(shè)定)、T(根據(jù)設(shè)備性能參照確定)都是已知量，因此影響輸出值OUT在微分項(xiàng)中只有微分時(shí)間常數(shù) TD。在式中不難看出，1、為了計(jì)算第n次的微分項(xiàng)值，必須保存第n-1次過程變量值參與下一次計(jì)算，而不是偏差。當(dāng)在第一次掃描周期開始的時(shí)候，PID 控制器會(huì)初始化PVn =PVn-1。2、微分項(xiàng)值的大小與位于微分算式分子位置的積分時(shí)間常數(shù)TD大小成比例系數(shù)關(guān)系。也就是說(shuō)，在有微分項(xiàng)參與輸出調(diào)節(jié)控制的時(shí)候，微分時(shí)間常數(shù)設(shè)置越大，與Kc乘積就會(huì)越大，從而微分項(xiàng)作用輸出值就越大，反之變小，因此微分的設(shè)定一定要謹(jǐn)慎，設(shè)置不當(dāng)很容易引起輸出值的跳變。根據(jù)D控制規(guī)律，在積分項(xiàng)中我們只要合理的設(shè)定TD的大小，就能因根據(jù)采樣偏差e值的變化規(guī)律改變MDn，從而影響Mn來(lái)控制調(diào)節(jié)開度。 四、控制器P、I、D項(xiàng)的選擇 在實(shí)際過程控制中，為使現(xiàn)場(chǎng)過程值在較理想的時(shí)間內(nèi)跟定SP值，如何確定選用何種控制或控制組合來(lái)滿足現(xiàn)場(chǎng)控制的需要顯得十分重要。根據(jù)前面的對(duì)PID算法的分析，下面將常用的各種控制規(guī)律的控制特點(diǎn)簡(jiǎn)單歸納一下： 1、比例控制規(guī)律P：采用P控制規(guī)律能較快地克服擾動(dòng)的影響，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動(dòng)的影響，但有余差出現(xiàn)。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場(chǎng)合。如：金彪公用工程部下設(shè)的水泵房冷、熱水池水位控制；油泵房中間油罐油位控制等。 2、比例積分控制規(guī)律(PI)：在工程中比例積分控制規(guī)律是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場(chǎng)合。如：在主線窯頭重油換向室中F1401到F1419號(hào)槍的重油流量控制系統(tǒng)；油泵房供油管流量控制系統(tǒng)；退火窯各區(qū)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。 3、比例微分控制規(guī)律(PD)：微分具有超前作用，對(duì)于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果。因此，對(duì)于控制通道的時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大的場(chǎng)合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。如：加熱型溫度控制、成分控制。需要說(shuō)明一點(diǎn)，對(duì)于那些純滯后較大的區(qū)域里，微分項(xiàng)是無(wú)能為力，而在測(cè)量信號(hào)有噪聲或周期性振動(dòng)的系統(tǒng)，則也不宜采用微分控制。如：大窯玻璃液位的控制。 4、例積分微分控制規(guī)律(PID)：PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場(chǎng)合。如溫度控制、成分控制等。 鑒于D規(guī)律的作用，我們還必須了解時(shí)間滯后的概念，時(shí)間滯后包括容量滯后與純滯后。其中容量滯后通常又包括：測(cè)量滯后和傳送滯后。測(cè)量滯后是檢測(cè)元件在檢測(cè)時(shí)需要建立一種平衡，如熱電偶、熱電阻、壓力等響應(yīng)較慢產(chǎn)生的一種滯后。而傳送滯后則是在傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備產(chǎn)生的一種控制滯后。純滯后是相對(duì)與測(cè)量滯后的，在工業(yè)上，大多的純滯后是由于物料傳輸所致，如：大窯玻璃液位，在投料機(jī)動(dòng)作到核子液位儀檢測(cè)需要很長(zhǎng)的一段時(shí)間。 總之，控制規(guī)律的選用要根據(jù)過程特性和工藝要求來(lái)選取，決不是說(shuō)PID控制規(guī)律在任何情況下都具有較好的控制性能，不分場(chǎng)合都采用是不明智的。如果這樣做，只會(huì)給其它工作增加復(fù)雜性，并給參數(shù)整定帶來(lái)困難。當(dāng)采用PID控制器還達(dá)不到工藝要求，則需要考慮其它的控制方案。如串級(jí)控制、前饋控制、大滯后控制等。 五、利用整定參數(shù)來(lái)選擇PID控制規(guī)律 在前面講到PID控制規(guī)律的選擇，如何在中整定參數(shù)中關(guān)閉或打開PID控制規(guī)律成了我們應(yīng)該了解的問題。在許多控制系統(tǒng)中，我們有時(shí)只需要一種或兩種回路控制規(guī)律就可以滿足生產(chǎn)工藝的需要，如P、PI、PD、PID等類型。根據(jù)我們推導(dǎo)的數(shù)字偏差算式(1-5)，我們可以得出以下結(jié)論： A、如果不要積分參與控制，可以把積分時(shí)間TI設(shè)為無(wú)窮大。但積分項(xiàng)還是不可能為零，這是因?yàn)檫€有初期Minitial的存在。 B、如果不要微分參與控制，可以把微分時(shí)間TD設(shè)為零。 C、如果不要比例參與控制，但需要積分或積分微分參與控制，可以把增益設(shè)為零。在增益為零的情況下，CPU在計(jì)算積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的時(shí)候，會(huì)把增益置為1.0。 六、PID手、自動(dòng)控制方式 在現(xiàn)場(chǎng)控制回路中，我們有時(shí)會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)的強(qiáng)變引起現(xiàn)場(chǎng)過程值的跳變，如果這時(shí)采用了I控制規(guī)律，要消除這個(gè)擾動(dòng)，會(huì)使得調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)、過慢，這時(shí)就需要人為的進(jìn)行干預(yù)。PID控制器在這方面設(shè)置了一個(gè)使能位0或1，0指手動(dòng)控制，1為PID參與調(diào)節(jié)，也就是"自動(dòng)"與"手動(dòng)"的說(shuō)法。當(dāng)PID運(yùn)算不被執(zhí)行的時(shí)，我們稱之為"手動(dòng)"方式，PID運(yùn)算參與控制稱為"自動(dòng)"方式。當(dāng)這個(gè)使能位發(fā)生從0到1的正跳變時(shí)，PID會(huì)按照預(yù)先設(shè)置的控制規(guī)律進(jìn)行一系列的動(dòng)作，使PID從手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)地切換到自動(dòng)方式，為了能使手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)切換到自動(dòng)方式，PID會(huì)執(zhí)行以下操作： 1、置過程變量值PV=給定值SP，在未人為改變SP值之前，SP持恒定。 2、置過程變量前值PVn-1=過程變量現(xiàn)值PVn 需要說(shuō)明的是：CPU在啟動(dòng)或從STOP方式轉(zhuǎn)化到RUN的方式時(shí)，使能位的默認(rèn)值是為1的。當(dāng)RUN狀態(tài)存在，人為使使能位變?yōu)?，PID是不會(huì)自行將使能位變?yōu)?，不會(huì)自行的切換到自動(dòng)方式。也就是說(shuō)，要想再次使PID參與控制，需人為將使能位置1。例如：在ABB Freelance 2000 digivis操作員站中PID控制面板上，手、自動(dòng)用M(man)、A(auto)標(biāo)示，當(dāng)從M轉(zhuǎn)為A時(shí)，PID工作，PID將過程變量值PV置于設(shè)定值SP值，并保持PV跟蹤SP值；當(dāng)從A轉(zhuǎn)為M時(shí)，PID停止工作，系統(tǒng)會(huì)將輸出值OUTn-1賦予OUTn，并保持OUT不變，SP值跟蹤PV值。 七、PID的最佳整定參數(shù)的選定 PID的最佳整定參數(shù)一般包括Kc、TI、TD等三個(gè)常用的控制參數(shù)，準(zhǔn)確有效的選定PID的最佳整定參數(shù)是關(guān)于PID控制器是否有效的關(guān)鍵部分，如何在實(shí)際生產(chǎn)中找到這些合適的參數(shù)呢?現(xiàn)行的方法有很多種，如：動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法、穩(wěn)定邊界法、阻尼振蕩法、現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法、極限環(huán)自整定法等。鑒于浮法玻璃 24時(shí)不間斷性生產(chǎn)特點(diǎn)，采用現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法會(huì)達(dá)到一個(gè)較好的控制效果。 現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法是人們?cè)陂L(zhǎng)期工作工程實(shí)踐中，從各種控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響的定性分析總結(jié)出來(lái)的一種行之有效、并得到廣泛應(yīng)用的工程整定方法。在現(xiàn)場(chǎng)整定過程中，我們要保持PID參數(shù)按先比例，后積分，最后微分的順序進(jìn)行，在觀察現(xiàn)場(chǎng)過程值PV的趨勢(shì)曲線的同時(shí)，慢慢的改變PID參數(shù)，進(jìn)行反復(fù)湊試，直到控制質(zhì)量符合要求為止。 在具體整定中，我們通常先關(guān)閉積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，將TI設(shè)置為無(wú)窮大、TD設(shè)置為零，使其成為純比例調(diào)節(jié)。初期比例度按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定，根據(jù)PV曲線，再慢慢的整定比例控制比例度，使系統(tǒng)達(dá)到4：1衰減振蕩的PV曲線，然后，再加積分作用。在加積分作用之前，應(yīng)將比例度加大為原來(lái)的1.2倍左右。將積分時(shí)間 TI由大到小的調(diào)整，真到系統(tǒng)再次得到4：1的衰減振蕩的PV曲線為止。若需引入微分作用，微分時(shí)間按TD=(1/3～1/4) TI計(jì)算，這時(shí)可將比例度調(diào)到原來(lái)數(shù)值或更小一些，再將微分時(shí)間由小到大調(diào)整，直到PV曲線達(dá)到滿意為止。有一點(diǎn)需要注意的是：在湊試過程中，若要改變 TI、TD時(shí)，應(yīng)保持 的比值不變。 在找到最佳整定參數(shù)之前，要對(duì)PV值曲線進(jìn)行走勢(shì)分析，判斷擾動(dòng)存在的變化大小，再慢慢的進(jìn)行湊試。如果經(jīng)過多次乃找不到最佳整定參數(shù)或參數(shù)無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)，而生產(chǎn)工藝又必須要求較為準(zhǔn)確，那就得考慮單回路PID控制的有效性，是否應(yīng)該選用更復(fù)雜的PID控制。 值得注意的是：PID最佳整定參數(shù)確定后，并不能說(shuō)明它永遠(yuǎn)都是最佳的，當(dāng)由外界擾動(dòng)的發(fā)生根本性的改變時(shí)，我們就必須重新根據(jù)需要再進(jìn)行最佳參數(shù)的整定。它也是保證PID控制有效的重要環(huán)節(jié)。 八、結(jié)束語(yǔ) 金彪玻璃高新生產(chǎn)線上采用了大量的PID參與控制，在安全、節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定生產(chǎn)、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品的產(chǎn)、質(zhì)量等方面都有著功不可沒的重要地位。筆者也在實(shí)際單回路PID參數(shù)整定過程中，采用以上的方法，收到較為理想的控制狀態(tài)。 在生產(chǎn)過程中的單回路PID過程控制理論中，上面所談到的內(nèi)容只是其中的較為重要的部分，還有應(yīng)用于高精準(zhǔn)場(chǎng)合的一些細(xì)節(jié)問題沒有涉及到。只要認(rèn)真揣摩其中的意思，再努力多觀察、多思考、多實(shí)踐、多動(dòng)手，找準(zhǔn)PID控制的有效方法不是很難。由于筆者知識(shí)水平有限，研究的深度不夠，有差錯(cuò)的地方還望讀者不吝指正 |
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