氧化鋁廠PID控制原理與程序流程
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1.1.1過程控制的基本概念
過程控制――對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動控制。
- 模擬控制系統(tǒng)
圖1-1-1 基本模擬反饋控制回路
被控量的值由傳感器或變送器來檢測，這個值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，模擬調(diào)節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過執(zhí)行器作用于過程。
控制規(guī)律用對應(yīng)的模擬硬件來實現(xiàn)，控制規(guī)律的修改需要更換模擬硬件。
- 微機(jī)過程控制系統(tǒng)
圖1-1-2 微機(jī)過程控制系統(tǒng)基本框圖
以微型計算機(jī)作為控制器�？刂埔�(guī)律的實現(xiàn)，是通過軟件來完成的。改變控制規(guī)律，只要改變相應(yīng)的程序即可。
- 數(shù)字控制系統(tǒng)DDC
圖1-1-3 DDC系統(tǒng)構(gòu)成框圖
DDC(Direct Digital Congtrol)系統(tǒng)是計算機(jī)用于過程控制的最典型的一種系統(tǒng)。微型計算機(jī)通過過程輸入通道對一個或多個物理量進(jìn)行檢測，并根據(jù)確定的控制規(guī)律(算法)進(jìn)行計算，通過輸出通道直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使各被控量達(dá)到預(yù)定的要求。由于計算機(jī)的決策直接作用于過程，故稱為直接數(shù)字控制。
DDC系統(tǒng)也是計算機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中最普遍的一種形式。
1.1.2 模擬PID調(diào)節(jié)器
一、模擬PID控制系統(tǒng)組成
圖1－1－4 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖
二、模擬PID調(diào)節(jié)器的微分方程和傳輸函數(shù)
PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進(jìn)行控制。
1、PID調(diào)節(jié)器的微分方程
2、PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)
三、PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用
1、比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。
2、積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。
3、微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。
1.1.3 數(shù)字PID控制器
一、模擬PID控制規(guī)律的離散化
四、PID算法的兩種類型
1、位置型控制――例如圖1－1－5調(diào)節(jié)閥控制
2、增量型控制――例如圖1－1－6步進(jìn)電機(jī)控制
1.1.4 PID算法的程序流程
一、增量型PID算法的程序流程
- 增量型PID算法的算式
2、增量型PID算法的程序流程――圖1－1－7
二、位置型PID算法的程序流程
1、位置型的遞推形式
2、位置型PID算法的程序流程――圖5－1－9
只需在增量型PID算法的程序流程基礎(chǔ)上增加一次加運(yùn)算Δu(n)+u(n-1)=u(n)和
更新u(n-1)即可。
三、對控制量的限制
1、控制算法總是受到一定運(yùn)算字長的限制
2、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置不允許超過上(或下)極限
3、不完全微分型PID算法的差分方程
二、微分先行和輸入濾波
- 微分先行
微分先行是把對偏差的微分改為對被控量的微分，這樣，在給定值變化時，不會
產(chǎn)生輸出的大幅度變化。而且由于被控量一般不會突變，即使給定值已發(fā)生改變，
被控量也是緩慢變化的，從而不致引起微分項的突變。微分項的輸出增量為
- 輸入濾波
輸入濾波就是在計算微分項時，不是直接應(yīng)用當(dāng)前時刻的誤差e(n)，而是采用濾
波值e(n)，即用過去和當(dāng)前四個采樣時刻的誤差的平均值，再通過加權(quán)求和形式
近似構(gòu)成微分項
1.2.2積分項的改進(jìn)
一、抗積分飽和
積分作用雖能消除控制系統(tǒng)的靜差，但它也有一個副作用，即會引起積分飽和。在偏差始終存在的情況下，造成積分過量。當(dāng)偏差方向改變后，需經(jīng)過一段時間后，輸出u(n)才脫離飽和區(qū)。這樣就造成調(diào)節(jié)滯后，使系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的超調(diào)，惡化調(diào)節(jié)品質(zhì)。這種由積分項引起的過積分作用稱為積分飽和現(xiàn)象。
克服積分飽和的方法：
1、積分限幅法
積分限幅法的基本思想是當(dāng)積分項輸出達(dá)到輸出限幅值時，即停止積分項的計算，這時積分項的輸出取上一時刻的積分值。其算法流程如圖1-2-4所示。
2、積分分離法
積分分離法的基本思想是在偏差大時不進(jìn)行積分，僅當(dāng)偏差的絕對值小于一預(yù)定的門限值ε時才進(jìn)行積分累積。這樣既防止了偏差大時有過大的控制量，也避免了過積分現(xiàn)象。其算法流程如圖1-2-5。
式中 A為一預(yù)定的偏差限。
二、消除積分不靈敏區(qū)
1、積分不靈敏區(qū)產(chǎn)生的原因
當(dāng)計算機(jī)的運(yùn)行字長較短，采樣周期T也短，而積分時間TI又較長時，)容易出現(xiàn)小于字長的精度而丟數(shù)，此積分作用消失，這就稱為積分不靈敏區(qū)。
2、消除積分不靈敏區(qū)的措施：
1）增加A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，加長運(yùn)算字長，這樣可以提高運(yùn)算精度。
2）當(dāng)積分項小于輸出精度ε的情況時，把它們 一次次累加起來，即
其程序流程如圖1-2-6所示。
5.3 數(shù)字PID參數(shù)的選擇
1.3.1采樣周期的選擇
一、選擇采樣周期的重要性
采樣周期越小，數(shù)字模擬越精確，控制效果越接近連續(xù)控制。對大多數(shù)算法，縮短采樣周期可使控制回路性能改善，但采樣周期縮短時，頻繁的采樣必然會占用較多的計算工作時間，同時也會增加計算機(jī)的計算負(fù)擔(dān)，而對有些變化緩慢的受控對象無需很高的采樣頻率即可滿意地進(jìn)行跟蹤，過多的采樣反而沒有多少實際意義。
二、選擇采樣周期的原則――采樣定理
式中fmax為信號頻率組分中最高頻率分量。
三、選擇采樣周期應(yīng)綜合考慮的因素
1、給定值的變化頻率
加到被控對象上的給定值變化頻率越高，采樣頻率應(yīng)越高，以使給定值的改變通過采樣迅速得到反映，而不致在隨動控制中產(chǎn)生大的時延。
2、被控對象的特性
- 考慮對象變化的緩急，若對象是慢速的熱工或化工對象時，T一般取得較大。在對象變化較快的場合，T應(yīng)取得較小。
- 考慮干擾的情況，從系統(tǒng)抗干擾的性能要求來看，要求采樣周期短，使擾動能迅速得到校正。
3、使用的算式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型
- 采樣周期太小，會使積分作用、微分作用不明顯。同時，因受微機(jī)計算精度的影響，當(dāng)采樣周期小到一定程度時，前后兩次采樣的差別反映不出來，使調(diào)節(jié)作用因此而減弱。
- 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作慣性大，采樣周期的選擇要與之適應(yīng)，否則執(zhí)行機(jī)構(gòu)來不及反應(yīng)數(shù)字控制器輸出值的變化。
4、控制的回路數(shù)
要求控制的回路較多時，相應(yīng)的采樣周期越長，以使每個回路的調(diào)節(jié)算法都有足夠的時間來完成�？刂频幕芈窋�(shù)n與采樣周期T有如下關(guān)系：
式中，Tj是第j個回路控制程序的執(zhí)行時間。
表1-3-1是常用被控量的經(jīng)驗采樣周期。實踐中，可按表中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過試驗最后確定最合適的采樣周期。
1.3.2數(shù)字PID控制的參數(shù)選擇
一、數(shù)字PID參數(shù)的原則要求和整定方法
1、原則要求：
被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準(zhǔn)確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小，在不同干擾下
系統(tǒng)輸出應(yīng)能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控
制應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項要求是困難的，必須根據(jù)具體過程的要
求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。
2、PID參數(shù)整定方法：
理論計算法――依賴被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型（一般較難做到）
工程整定法――不依賴被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，直接在控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場整定（簡單易行）
二、常用的簡易工程整定法
1、擴(kuò)充臨界比例度法――適用于有自平衡特性的被控對象
整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是：
(1)選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。
(2)去掉積分作用和微分作用，逐漸增大比例度系數(shù)Kp直至系統(tǒng)對階躍輸入的響
應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)(穩(wěn)定邊緣)，記下此時的臨界比例系數(shù)KL及系統(tǒng)的臨界振蕩
周期Tk。
(3)選擇控制度。
通常，當(dāng)控制度為1.05時。就可以認(rèn)為DDC與模擬控制效果相當(dāng)。
(4)根據(jù)選定的控制度，求得T、KP、TI、TD的值。
2、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法――適用于多容量自平衡系統(tǒng)
參數(shù)整定步驟如下：
(1)讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)，將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來，然后突然改變給定值，給對象一個階躍輸入信號。
(2)用記錄儀表記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個變化過程曲線，如圖1-3-1所示。
(3)在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間τ，被控對象時間常數(shù)Tτ以及它們的比值Tτ/τ。
(4)由求得的τ、Tτ及Tτ/τ，即可求得數(shù)字調(diào)節(jié)器的有關(guān)參數(shù)KP、TI、TD及采樣周期T。
3、歸一參數(shù)整定法
1、選擇給定值SV――通過選擇軟開關(guān)CL/CR和CAS/SCC選擇：
內(nèi)給定狀態(tài)――給定值由操作員設(shè)置
外給定狀態(tài)――給定值來自外部，通過軟開關(guān)CAS/SCC選擇：
串級控制――給定值SVS來自主調(diào)節(jié)模塊
SCC控制――給定值SVS來自上位計算機(jī)
2、給定值變化率限制――變化率的選取要適中
二、被控量處理
圖1-4-3 被控量處理
1、被控量超限報警：
當(dāng)PV>PH(上限值)時，則上限報警狀態(tài)(PHA)為“1”；
當(dāng)PV<PL(下限值)時，則下限報警狀態(tài)(PLA)為“1”。
為了不使PHA/PLA的狀態(tài)頻率改變，可以設(shè)置一定的報警死區(qū)(HY)。
2、被控量變化率限制――變化率的選取要適中
1.4.2 偏差處理
圖1-4-4偏差處理
一、計算偏差――根據(jù)正/反作用方式(D/R)計算偏差DV
二、偏差報警――偏差過大時報警DLA為“1”
三、輸入補(bǔ)償――根據(jù)輸入補(bǔ)償方式ICM的四種狀態(tài)，決定偏差輸出CDV：
- 非線性特性
圖1－4－5非線性特性
1.4.3控制算法的實現(xiàn)
圖1-4-6 PID計算
當(dāng)軟開關(guān)DV/PV切向DV位置時，則選用偏差微分方式；
當(dāng)軟開關(guān)DV/PV切向PV位置時，則選用測量(即被控量)微分方式。
1.4.4控制量處理
圖1-4-7 控制量處理
一、輸出補(bǔ)償――根據(jù)輸出補(bǔ)償方式OCM的四種狀態(tài)，決定控制量輸出Uc
二、變化率限制――控制量的變化率MR的選取要適中
三、輸出保持――――通過選擇軟開關(guān)FH/NH選擇
當(dāng)軟開關(guān)FH/NH切向NH位置時，輸出控制量保持不變；
當(dāng)軟開關(guān)FH/NH切向FH位置時，又恢復(fù)正常輸出方式。
四、安全輸出
當(dāng)軟開關(guān)FS/NS切向NS位置時，現(xiàn)時刻的控制量等于預(yù)置的安全輸出量MS；
當(dāng)軟開關(guān)FS/NS切向FS位置時，又恢復(fù)正常輸出方式。
1．4．5自動/手動切換
在正常運(yùn)行時，系統(tǒng)處于自動狀態(tài)；而在調(diào)試階段或出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)處于手動狀態(tài)。
圖1-4-8為自動/手動切換處理框圖。
一、軟自動/軟手動
當(dāng)軟開關(guān)SA/SM切向SA位置時，系統(tǒng)處于正常的自動狀態(tài)，稱為軟自動(SA)；
當(dāng)軟開關(guān)SA/SM切向SM位置時，控制量來自操作鍵盤或上位計算機(jī)，稱為軟手動(SM)。一般在調(diào)試階段，采用軟手動(SM)方式。
二、控制量限幅――對控制量MV進(jìn)行上、下限限處理, 使得MH≤MV≤ML.
三、自動/手動
當(dāng)開關(guān)處于HA位置時，控制量MV通過D/A輸出，稱為自動狀態(tài)(HA)狀態(tài))； 當(dāng)開關(guān)處于HM位置時，手動操作器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作，稱為手動狀態(tài)(HM狀態(tài))。
四、無平衡無擾動切換
1、無平衡無擾切換的要求
在進(jìn)行手動到自動或自動到手動的切換之前，無須由人工進(jìn)行手動輸出控制信號與 自動輸出控制信號之間的對位平衡操作，就可以保證切換時不會對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的現(xiàn)有
位置產(chǎn)生擾動。
2、無平衡無擾切換的措施。
在手動(SM或HM)狀態(tài)下，應(yīng)使給定值(CSV)跟蹤被控量(CPV)，同時也要把歷史數(shù)據(jù)， 如e(n-1)和e(n-2)清零，還要使u(n-1)跟蹤手動控制量(MV或VM)。 從輸出保持狀態(tài)或安全輸出狀態(tài)切向正常的自動工作狀態(tài)時，可采取類似的措施。
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