淺析PID控制的調(diào)試方法

馬愛國 鄒廣坤 陳玲 劉艾明

1 中材建設(shè)有限公司（100176） 2 天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司（300400）

淺析PID控制的調(diào)試方法

馬愛國1鄒廣坤1陳玲2劉艾明1

1 中材建設(shè)有限公司（100176） 2 天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司（300400）

傳統(tǒng)的PID控制算法或控制器，廣泛的應(yīng)用于民用和工業(yè)生產(chǎn)中。我司中材建設(shè)有限公司在承建的水泥項目中，也經(jīng)常應(yīng)用PID算法和控制器，對壓力和流量等工藝參數(shù)進(jìn)行控制。實際應(yīng)用中，針對不同控制和執(zhí)行對象，選用合適的PID調(diào)試方法是很重要的。

PCS系統(tǒng)；PCS7；PID調(diào)試

1 典型的PID控制回路

我司根據(jù)最終用戶的要求，為水泥項目提供的PCS（Plant Control System）解決方案多基于Siemens PCS7、ABB800xA或Schneider UnityPro。這里選用Siemens PCS7的應(yīng)用環(huán)境，淺析PID控制的調(diào)試方法。圖1是對PCS7中經(jīng)典PID控制器的圖形描述。PCS7中還有一些經(jīng)典的控制環(huán)節(jié)和一些高級控制器及高級控制理念，如線性控制環(huán)節(jié)、前后置反饋環(huán)節(jié)屬于基本的控制方式，又如模糊優(yōu)化控制器屬于高級控制器同時還涵蓋了專家診斷的控制理念。

圖1 PCS7中經(jīng)典PID控制器的圖形描述

比例常數(shù)P、積分常數(shù)I和微分常數(shù)D對控制趨勢的影響見表1。

表1 比例常數(shù)P、積分常數(shù)I和微分常數(shù)D對控制趨勢的影響

水泥生產(chǎn)線常用PID控制器的選擇見表2。

表2 水泥生產(chǎn)線常用PID控制器的選擇

2 PID調(diào)試的注意事項

根據(jù)這些年P(guān)ID調(diào)試的經(jīng)驗，我們得出了一些調(diào)試時需要注意的事項。

1）合適的時間（正常生產(chǎn)）。

2）不急于調(diào)試參數(shù)，要檢查對象存在的問題:①控制回路的四要素；②觀察干擾源；③觀察被控對象的波形；④記錄所有觀察到的和所做的修改。

3）讓操作員也參與進(jìn)來,并留神所聽到的內(nèi)容，可得到合理的設(shè)定值。

4）在調(diào)試前做好對被控對象（執(zhí)行器）的保護(hù)。

5）不要僅局限于所調(diào)試的控制回路，還要兼顧大范圍內(nèi)的工藝流程。

6）詢問工藝人員是否接受當(dāng)前控制性能。

7）一個星期后再次確認(rèn)控制回路性能。

同時，我們也總結(jié)出了一些調(diào)試時的小技巧:

1）根據(jù)工藝特性選擇合適的控制算法。

2）在大多數(shù)情況下不推薦使用Td參數(shù)。

3）要慎重對待有積分參與的控制回路。

4）死區(qū)也是關(guān)注的重點(diǎn)。

常用PID控制的數(shù)學(xué)模型：

比例P

5）按照減半或增倍的步驟修改時間值。

3 PID調(diào)試方法

如果傳統(tǒng)經(jīng)驗法無法達(dá)到要求則必須改變控制策略和控制方式，這個時候，我們推薦下面兩種方法。

3.1 臨界比例度法

實施步驟如下:①先切除PID控制器中的積分與微分作用，取比例增益P較小值，并投入閉環(huán)運(yùn)行。②將P由小到大變化，對應(yīng)于某一P值作小幅度的設(shè)定值階躍響應(yīng)，直至產(chǎn)生等幅振蕩。③記錄等幅振蕩時所對應(yīng)的振蕩周期Tcr、控制器增益Kcr，再根據(jù)控制器類型選擇PID參數(shù)。

局限性:生產(chǎn)過程有時不允許出現(xiàn)等幅振蕩，或者無法產(chǎn)生等幅振蕩。

3.2 曲線法

實施步驟如下:①在手動狀態(tài)下，改變控制器輸出（通常采用階躍或方塊脈沖變化），記錄被控變量的響應(yīng)曲線。②由開環(huán)響應(yīng)曲線獲得階躍響應(yīng)曲線，并求取“廣義對象”的近似模型與模型參數(shù)。③根據(jù)控制器類型與對象模型，選擇PID參數(shù)并投入閉環(huán)運(yùn)行。在運(yùn)行過程中,可對增益KC作恰當(dāng)調(diào)整。

圖2 響應(yīng)曲線

圖3 階段相應(yīng)曲線得到對象基本特征參數(shù)

將上述PID控制器投入“Auto”（自動）方式，并適當(dāng)改變控制回路的設(shè)定值，觀察控制系統(tǒng)跟蹤性能。若響應(yīng)過慢，而且無超調(diào)存在，則適當(dāng)加大P值，例如增大到原來的兩倍；反之，則減小P值。

4 結(jié)語

筆者認(rèn)為，水泥生產(chǎn)線上大部分的控制對象都有非自衡特征，如圖4所示。按照筆者在項目上的調(diào)試經(jīng)驗，大部分的壓力控制、液位控制回路只需設(shè)置增益系數(shù)即可。

圖4 水泥生產(chǎn)線上大部分的控制對象都有非自衡特征