產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
自動(dòng)控制系統(tǒng)的PID調(diào)試
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概述
在現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)中,大型的自動(dòng)控制領(lǐng)域正逐步推廣,通過與變頻器、PID調(diào)節(jié)器、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集等的有機(jī)結(jié)合,自動(dòng)控制系統(tǒng)正向更大、更廣的領(lǐng)域擴(kuò)展,不但在較常見的風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)上應(yīng)用較多,而且在制冷系統(tǒng)、油田油罐恒液位、輸油恒流量等各個(gè)領(lǐng)域都在拓展。但由于各種原因,自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié),尤其是參數(shù)的調(diào)整,并不十分令人滿意,存在著穩(wěn)定性差、波動(dòng)大,調(diào)整不及時(shí)等諸多問題。因此,進(jìn)行有關(guān)這方面的研究,探討一下究竟在什么情況下,如何正確快速的調(diào)整參數(shù),使系統(tǒng)盡可能快的進(jìn)入自動(dòng)控制的穩(wěn)定過程,是眾多參與自動(dòng)控制過程控制的同行們急于解決的問題,這關(guān)鍵在于大家集思廣議,多總結(jié)經(jīng)驗(yàn),多思考,掌握調(diào)試方法,針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)、不同的負(fù)載,進(jìn)行完善的調(diào)試,達(dá)到理想的控制過程。
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自動(dòng)控制的概念
所謂的自動(dòng)控制,簡(jiǎn)單的說就是將被控對(duì)象的全部或部分的物理量通過不同的采集方法,反饋到控制單元,由控制單元對(duì)反饋量進(jìn)行處理,以達(dá)到控制對(duì)象按人們期望的要求穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。
這個(gè)過程需要以下基本的組成部分:
其中控制單元是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,不論系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,是否對(duì)被控對(duì)象采集信號(hào),是否反饋到控制部分,都是十分重要的。若控制單元工作不正常,不但自動(dòng)控制難以實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)根本就無法運(yùn)行。在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中,較常見的控制單元就是變頻器,雖然以前的控制系統(tǒng)即工頻控制系統(tǒng)還可能部分的存在,但由于能耗浪費(fèi)嚴(yán)重等諸多問題,絕大多數(shù)的領(lǐng)域都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了變頻控制。而要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,較簡(jiǎn)捷的方式也是選擇變頻器,因?yàn)槔缭谒玫目刂浦?,被控物理量管道壓力或流量,采集后要傳到控制單元,由控制單元根?jù)流量或壓力調(diào)整變頻器的頻率,以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,達(dá)到流量或壓力滿足要求的目的。若采用工頻控制,控制單元的頻率無法調(diào)整,也就談不上調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,流量或壓力也就無法調(diào)節(jié)。雖然按工頻控制可調(diào)節(jié)閥門達(dá)到調(diào)節(jié)流量或壓力的目的,但這都是手動(dòng)調(diào)節(jié),無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。所以現(xiàn)在的控制單元首選是變頻器。
被控對(duì)象也就是通常所說的負(fù)載,如風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)、壓縮機(jī)等等,這是工業(yè)領(lǐng)域不可缺少的部分,以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量、水量及壓力、溫度的控制。
數(shù)據(jù)采集包括對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的物理量的采集,如風(fēng)量、風(fēng)壓、水量、水壓、溫度,有的稱管道壓力,有的稱管線流量,有的采集的是液位,有的采集的是負(fù)壓,如風(fēng)機(jī),有的采集的是進(jìn)口,有的采集的是出口,但不論怎樣采集,都不外乎這幾種。這個(gè)信號(hào)采集也非常重要,即使不用自動(dòng)控制,這些物理量也是必須采集的。作為一個(gè)控制系統(tǒng),若流量或壓力超出了要求,就可能出現(xiàn)危險(xiǎn),如水泵的壓力,對(duì)一個(gè)水泵控制系統(tǒng)而言,其設(shè)計(jì)的管線壓力都是有限的,即有一定的指標(biāo)控制。若管線壓力超出了指標(biāo)要求,就有可能使管線爆裂,造成難以估計(jì)的損失,所以在控制系統(tǒng)中,要隨時(shí)觀察管線壓力的變化,超出指標(biāo)后要及時(shí)停機(jī),或降低電機(jī)轉(zhuǎn)速,以保護(hù)管線不受損害?,F(xiàn)在的控制系統(tǒng)中大部分都設(shè)定了超限保護(hù),就是這個(gè)原因。
數(shù)據(jù)的采集方法有很多種,如采用壓力表,壓力傳感器,流量計(jì),壓力計(jì)、溫度變速器等,多數(shù)是0~5V電壓或4~20mA電流信號(hào),可以傳送到變頻器,為變頻器所能接受。壓力表要采用遠(yuǎn)傳式壓力表,即滑線變阻式,以可變電阻通過變頻器上的電源而變成電壓信號(hào)來便于控制。
數(shù)據(jù)處理就是對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)算、處理等,以通過與目標(biāo)值即我們的期望值相比較,如一個(gè)恒壓控制系統(tǒng),要求壓力穩(wěn)定在3MPa,這個(gè)值就是期望值即目標(biāo)值,實(shí)際值與目標(biāo)值相比較,通過比例、積分、微分的運(yùn)算,然后送到變頻器,調(diào)節(jié)變頻器的頻率,達(dá)到自動(dòng)控制的目的。這個(gè)比例、積分、微分的運(yùn)算,就是我們通常講的PID控制。若沒有PID控制,就是常規(guī)的手動(dòng)控制,即手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的頻率,達(dá)到實(shí)際值與目標(biāo)值一致。這在工程上通常稱為開環(huán)控制,而PID控制即自動(dòng)控制通常稱為閉環(huán)控制。開環(huán)與閉環(huán)的區(qū)別就在于有無PID的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
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PID調(diào)節(jié)器的分類
在自動(dòng)控制的調(diào)節(jié)中,作為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的PID調(diào)節(jié)器,主要可分為兩種:
一是變頻器本身帶有PID調(diào)節(jié)器,通過參數(shù)設(shè)置,從變頻器的控制端子上連接反饋信號(hào),從面板或控制端子上設(shè)定目標(biāo)值,通過內(nèi)部的PID參數(shù)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。這種方式采用內(nèi)部控制,優(yōu)點(diǎn)是不用增加別的器件,直接進(jìn)行控制,投資少,缺點(diǎn)是PID的調(diào)節(jié)精度不高,對(duì)于一般的控制精度不高的場(chǎng)合可達(dá)到要求,對(duì)于要求精密度較高的則難以滿足工況需求。另外,若采用手、自動(dòng)切換的場(chǎng)合,則不好實(shí)現(xiàn)。必須再重新設(shè)置參數(shù),改成開環(huán)控制才能實(shí)現(xiàn),比較繁瑣。如有的系統(tǒng)要求開始運(yùn)行時(shí)采用手動(dòng)調(diào)節(jié),待系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與目標(biāo)值接近一致時(shí),再用閉環(huán)運(yùn)行,由被控物理量自動(dòng)調(diào)節(jié);還有的是在運(yùn)行中反饋環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題,如壓力傳感器或流量計(jì)出現(xiàn)問題,不能正常工作,或儀表線出現(xiàn)斷線,無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,在不能查出原因的情況下,只能用手動(dòng)先暫時(shí)運(yùn)行,這種情況該方案就比較麻煩,要重新設(shè)置參數(shù),才能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。而有的用戶對(duì)參數(shù)設(shè)置不太熟悉,就會(huì)造成比較困難的局面。
二是采用單獨(dú)的PID儀表,將傳感器傳過來的壓力或流量信號(hào)先送到PID的信號(hào)輸入端,經(jīng)PID儀表處理后,經(jīng)過比例、積分、微分的運(yùn)算,其信號(hào)輸出端再連接到變頻器的信號(hào)輸入端,這樣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言是閉環(huán)控制,而對(duì)于變頻器而言,是開環(huán)運(yùn)行。這種方式避免了第一種方式的缺點(diǎn)。變頻器可接成開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式,通過一轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn),用PID的輸出信號(hào)是閉環(huán),不用PID的信號(hào),而采用變頻器本身的控制信號(hào)則是開環(huán),這樣就用一個(gè)開關(guān)方便的實(shí)現(xiàn)了兩種控制方式,在轉(zhuǎn)換時(shí)十分方便。再一個(gè)PID調(diào)節(jié)儀是專用的自動(dòng)控制調(diào)節(jié)器件,對(duì)于簡(jiǎn)單或復(fù)雜的控制系統(tǒng),都可以比較精密的進(jìn)行控制,在風(fēng)機(jī)、水泵或空壓機(jī)的運(yùn)行中都可以得到較好的控制效果,因此,這種方式還是比較好的。
現(xiàn)在通用變頻器大部分都內(nèi)置了簡(jiǎn)易PID功能,有的只有PI功能,只能進(jìn)行簡(jiǎn)易的閉環(huán)控制,因此我們建議在做自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí),最好還是采用第二種方式,即外加PID的方式,既可以方便的實(shí)現(xiàn)手、自動(dòng)轉(zhuǎn)換,又可以進(jìn)行精密的控制,比較方便,雖然投資有所增加,但控制功能增強(qiáng),尤其對(duì)于變頻器而言,這種方式工作于開環(huán)控制,通過配合調(diào)整升頻、降頻時(shí)間,也可達(dá)到較好的控制效果,對(duì)變頻器也有利。
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PID調(diào)節(jié)器的工作原理
對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)而言,要想實(shí)現(xiàn)理想的控制效果,就要采用一定的控制手段,使我們預(yù)期的目標(biāo)值,與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的工作值相一致,這就是控制系統(tǒng)最基本的要求。
但是目標(biāo)值與實(shí)際值總是存在差異的。由于實(shí)際負(fù)載的增減,用量的多少,不可避免的造成實(shí)際值將偏離目標(biāo)值,有時(shí)大于目標(biāo)值,有時(shí)小于目標(biāo)值,二者的差值正是自動(dòng)控制所要控制的對(duì)象。
如圖2所示是一個(gè)最基本的自動(dòng)控制系統(tǒng)圖,在這里我們假設(shè)目標(biāo)值為Xm,反饋值為Xf,其差值為ΔX,則有:
ΔX=Xm-Xf
由于傳感器本身傳遞的信號(hào)一般是比較小的,一般是0~5V或4~20mA的信號(hào),上式的差值也是很小的,要用這一差值去調(diào)節(jié)變頻器的頻率,顯然是不可能的。必須進(jìn)行放大,而這就是PID調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié),即將該差值信號(hào)成比例的進(jìn)行放大。假設(shè)這一比例值為Kp,一般稱為比例增益。設(shè)PID的輸出信號(hào)(即變頻器的輸入信號(hào))為Xa,則
Xa=KpΔX=Kp(Xm-Xf)
也就是
ΔX=(Xm-Xf)=Xa/Kp
上述關(guān)系如圖3所示
在上式中,Xa即目標(biāo)值一般是不變的,顯然,Kp越大,Xm-Xf就越小,Xf就越接近于Xm,如圖5的(a)所示。
這里,Xf只能無限接近于Xm,而不能等于Xm,若Xf等于Xm,則由上式,
Xa/Kp=0,
Kp就將等于無窮大,這是永遠(yuǎn)也做不到的。
就是說,二者之間總有一個(gè)差值,通常稱為靜差,用ε表示。顯然靜差值越小越好。
在專用PID調(diào)節(jié)器中,比例增益的大小常常是通過“比例帶”來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。所謂比例帶,就是按比例放大的區(qū)域,用P表示,P為比例增益的倒數(shù),即
P=1/
Kp
如圖4所示。
由圖4知,比例帶P越小,相當(dāng)于比例增益Kp越大,在專用PID調(diào)節(jié)儀表中,大部分都是調(diào)節(jié)比例帶P的,所以一般是P值越小越穩(wěn)定,但也有直接調(diào)節(jié)Kp的,比較少,一般是變頻器內(nèi)置的PI功能才具有。
比例增益環(huán)節(jié)的引入,又出現(xiàn)了新的矛盾,一方面,要減小靜差,就要盡量增大比例增益,但由于系統(tǒng)有慣性,比例增益增大后,又會(huì)引起超調(diào),使系統(tǒng)的被控量忽大忽小,引起系統(tǒng)振蕩,如圖5(b)所示。這就要用到積分環(huán)節(jié)I。
引入積分環(huán)節(jié)I的目的是:
使給定信號(hào)Xa的變化與乘積Kp(Xm-Xf)的積分成正比。
就是說,盡管Kp(Xm-Xf)一下子增大(或減?。┖芏?,但Xa只能在“積分時(shí)間”內(nèi)逐漸的增大或減小,從而減緩了Xa的變化速度,防止了振蕩。積分時(shí)間越長(zhǎng),Xa的變化越緩慢。只要偏差不消除,Xm-Xf≠0,積分就不停止,從而有效的消除靜差。如圖5(c)所示。
但積分時(shí)間太長(zhǎng),又會(huì)發(fā)生在被控量急劇變化時(shí),被控量難以迅速恢復(fù)的情況。這就要用到微分環(huán)節(jié)D,微分環(huán)節(jié)的作用是:可根據(jù)偏差的變化趨勢(shì),提前給出較大的調(diào)節(jié)動(dòng)作,從而縮短調(diào)節(jié)時(shí)間,克服了因積分時(shí)間太長(zhǎng)而使恢復(fù)滯后的缺點(diǎn)。如圖5的(d)所示。
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PID的調(diào)試方法
根據(jù)以上對(duì)控制原理的分析,我們就可以對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,通過參數(shù)的調(diào)節(jié),達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的目的。
對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)而言,有的是要求在Xm-Xf>0,即Xm>Xf時(shí),變頻器運(yùn)行頻率提高,即電機(jī)運(yùn)行速度加大,而Xm0,即Xm>Xf時(shí),要求變頻器的運(yùn)行頻率降低,即電機(jī)運(yùn)行速度減慢,這種作用就稱為反作用(有的書上也稱為正作用),如恒溫控制,當(dāng)房間溫度低時(shí),要求壓縮機(jī)降低速度,使致冷作用減弱,房間溫度就會(huì)上升,當(dāng)溫度過高時(shí),增加電機(jī)的速度,制冷作用增強(qiáng),使房間溫度降低,達(dá)到房間內(nèi)溫度穩(wěn)定的目的。所以首先要明確被控對(duì)象的特點(diǎn),是要求正作用控制,還是反作用控制。按照說明書進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置。液位的控制與溫度控制類似,也是反作用控制。
其次,要按照PID的說明書,對(duì)被控物理量的量程進(jìn)行調(diào)節(jié),以使被控物理量的傳感器的顯示值(有的傳感器不能顯示,要從附近的機(jī)械表上進(jìn)行讀數(shù)),與PID儀表上的顯示值相對(duì)應(yīng),即調(diào)整變送輸出量程和測(cè)量量程,與被控物理量一致,才能保證傳感器與儀表一致。
第三,在選擇儀表時(shí)也要注意,PID儀表的輸入、輸出要與變送器的輸出、變頻器的輸入相對(duì)應(yīng),不然就會(huì)造成不匹配的情況。是電流信號(hào)(一般是4~20mA)就要對(duì)應(yīng)電流信號(hào),是電壓信號(hào)(一般是0~5V)就要對(duì)應(yīng)電壓信號(hào),否則將不能形成正常的控制,當(dāng)然電流信號(hào)通過并接電阻可以轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),但電壓信號(hào)要轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)就比較困難。
第四,從變送器到PID的信號(hào)線要用屏蔽線,屏蔽層要接PID的外殼,以可靠的傳入PID儀表,并盡量遠(yuǎn)離高電壓、大電流的主電纜線,防止干擾。若送電后顯示波動(dòng)仍較大,可調(diào)整參數(shù)的濾波系數(shù),濾除干擾,使顯示穩(wěn)定。
第五,PID參數(shù)的調(diào)整,根據(jù)我們對(duì)控制原理的分析,可對(duì)P、I、D及控制周期t進(jìn)行調(diào)節(jié),以達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。P為比例帶,減小時(shí),相當(dāng)于比例增益加大,則靜差系數(shù)就會(huì)減小,也就是實(shí)際值越接近目標(biāo)值,系統(tǒng)越穩(wěn)定,反之,系統(tǒng)調(diào)節(jié)就會(huì)減慢,形成在設(shè)定值附近振蕩,運(yùn)行不穩(wěn)定。I為積分時(shí)間,時(shí)間越長(zhǎng),積分作用就越強(qiáng),系統(tǒng)就越穩(wěn)定,但時(shí)間太長(zhǎng),對(duì)動(dòng)態(tài)的響應(yīng)將減弱,也就是在系統(tǒng)物理量急劇變化時(shí),反應(yīng)慢,不能跟上系統(tǒng)的變化,也會(huì)造成調(diào)節(jié)失敗。一般而言,對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載,由于系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定,只要PI調(diào)節(jié)一般就可以滿足要求,D積分參數(shù)一般是對(duì)應(yīng)快速變化的場(chǎng)合使用,如空壓機(jī),溫控儀等,一般在其他場(chǎng)合關(guān)閉即可。
第六,我們比較常用的幾種PID調(diào)節(jié)器,如XM808-6和香港上潤(rùn)的WP-90系列,通過大多數(shù)場(chǎng)合的使用,基本上總結(jié)出一定的規(guī)律。初次使用時(shí)要打開自整定功能,但自整定一般很難實(shí)現(xiàn)較好的控制,一般都需要再調(diào)整。通過大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn),對(duì)于水泵系列,香港上潤(rùn)的P一般可設(shè)為5以下,3左右,而I一般可調(diào)為50-60左右。而XM808-6的一般P設(shè)為10左右(在OPAD=3的情況下),I為60左右。D關(guān)閉。如山東沾化水庫(kù)、青海油田躍進(jìn)2號(hào)注水站、油泉子注水站、山東新泰自來水公司等,基本上就是這樣調(diào)節(jié)的。但對(duì)于風(fēng)機(jī)而言,由于風(fēng)機(jī)的慣性較大,其積分時(shí)間就要設(shè)定的比較長(zhǎng)。如山西鋁廠的引風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制,其積分時(shí)間就大約調(diào)至300左右。對(duì)于空壓機(jī)、溫控場(chǎng)合,則需要打開D功能,一般在上述參數(shù)的基礎(chǔ)上,適當(dāng)調(diào)節(jié)一下,基本就可以達(dá)到穩(wěn)定的控制功能。
第七,當(dāng)然還可以根據(jù)系統(tǒng)或PID具有的參數(shù)功能,設(shè)定適當(dāng)?shù)膱?bào)警或停機(jī)功能,即在被控物理量超出規(guī)定要求時(shí),提供報(bào)警信號(hào),提醒操作人員注意,若再繼續(xù)超出,則自動(dòng)停機(jī),以保護(hù)管線或系統(tǒng),防止損壞。如可設(shè)置入口低壓報(bào)警,超低壓停機(jī),出口高壓報(bào)警,超高壓停機(jī)等功能,這都是一些保護(hù)功能,可通過外加繼電器或接觸器,實(shí)現(xiàn)控制功能。
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總結(jié)
當(dāng)然,任何系統(tǒng)的調(diào)試都要經(jīng)過比較復(fù)雜的過程,雖然我們了解了自動(dòng)控制的原理,也介紹了相關(guān)參數(shù)的調(diào)試經(jīng)驗(yàn),但對(duì)于一個(gè)較復(fù)雜系統(tǒng)的調(diào)試而言,還必須從頭做起,針對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行耐心細(xì)致的調(diào)試,直到整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定的投入運(yùn)行為目的,最容易出現(xiàn)的問題就是不穩(wěn)定,變頻器的頻率忽高忽低,壓力或溫度變化大,要根據(jù)PID的說明書,詳細(xì)的、認(rèn)真的進(jìn)行閱讀,并借鑒相關(guān)的調(diào)試經(jīng)驗(yàn),反復(fù)的、細(xì)心的進(jìn)行各個(gè)參數(shù)的調(diào)整,才能達(dá)到要求,避免出現(xiàn)不必要的問題,造成整個(gè)控制系統(tǒng)的失敗。我們以前也有過很多這方面的教訓(xùn),有的也是比較深刻的。希望我們同行的朋友們能及時(shí)的總結(jié)經(jīng)驗(yàn),互相探討,取長(zhǎng)補(bǔ)短,在該領(lǐng)域能深鉆細(xì)研,真正把這一系統(tǒng)做好,為國(guó)家的節(jié)能減排,自動(dòng)控制系統(tǒng)的完善和提高盡自己的一份努力。