PID控制基礎知識及傳感器布置位置改造經驗

供稿| 牛海軍，何宇龍，趙錦澤

PID控制基礎知識及傳感器布置位置改造經驗

供稿| 牛海軍，何宇龍，趙錦澤

內容導讀

文章介紹了有關PID控制的基礎知識，針對某鋼廠粗軋機工作輥平衡系統中傳感器元件的工作環境惡劣，極易損壞，并且原設計位置使得傳感器元件更換不方便，影響生產效率的問題，對該控制系統進行了簡單的改造，嘗試了兩種傳感器元件位置方案，指出：在現場進行系統設計時，不僅要考慮環境對元件的影響，還要考慮元件布局在控制系統穩定性中的因素。點滴改造經驗，僅供同行參考。

在現代工程應用中，PID控制以其結構簡單、穩態無靜差、魯棒性強等優點一直處于主導地位。而控制系統不同的設計包括硬件的安裝、執行元件和檢測元件的布局等，對PID系統的控制品質有很大的影響。本文針對某鋼廠粗軋機工作輥平衡系統應用過程中發現的傳感器布置位置問題，進行了改造實踐。

PID控制基礎知識

在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其他技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即，當不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。工程實際中也有簡單的PI和PD控制。PID控制器是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

比例（P）控制

比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。

積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。

微分（D）控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會 出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。

問題分析

壓力控制系統設計中，檢測元件（壓力傳感器）應盡可能靠近執行元件（液壓缸），以保證實際壓力測量的準確性。某鋼廠粗軋機原設計的工作輥平衡系統設計中，壓力傳感器安裝在軋機工作輥下方的管路上，能夠保證測量要求，但實際現場條件存在幾個方面的問題：一是環境惡劣，在工作輥冷卻水、高壓除鱗水、油液滲漏等影響下，傳感器使用壽命嚴重縮短，極易損壞；二是傳感器安裝位置在軋機下方，管路眾多，維護、更換極為不便。在一年多的使用過程中，3次發生傳感器損壞事故，每次更換備件的時間長達2.5 h。

改造過程

改造方案首先考慮將傳感器改裝到閥臺上。此方案的優點顯而易見，傳感器環境良好，易于維護和更換。在完成傳感器移位改造后進行參數調試時，實際情況并不能滿意，盡管靜態誤差可以控制在要求的范圍之內，但持續時間長，擺動次數多。原因為壓力傳感器緊鄰伺服閥出口，伺服閥調節時壓力沖擊過大，即使調節反饋值的平滑時間也不能達到良好的效果。

然后，考慮在液壓缸附近的液壓管路上增加連接頭，將壓力傳感器安裝在外延管路末端，使其脫離狹小、潮濕、高溫的環境。在隨后的調試中，取得了良好的效果。通過對傳感器的移位和參數調節，在隨后的使用中，傳感器使用壽命延長了5倍，更換元件時間僅為原先的1/4。

結束語

通過改造實踐得出：在現場進行系統設計時，不僅要考慮環境對元件的影響，還要考慮元件布局在控制系統穩定性中的因素。

[1] 胡壽松.自動控制原理.北京：科學出版社，2007

Basic Knowledge of PID Control and Reconstructing Experience on Sensor Placement

NIU Hai-jun, HE Yu-long,ZHAO Jin-ze

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