【正文】 副調(diào)節(jié)器作用方式的確定： 首先確定調(diào)節(jié)閥，出于生產(chǎn)工藝安全考慮，可控硅輸出電壓應(yīng)選用氣開式，這樣保證當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障使調(diào)節(jié)閥損壞而處于 全關(guān)狀態(tài)，防止燃料進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全，調(diào)節(jié)閥的 Kv 0 。為保證主回路為負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為負(fù)，所以主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) K1 0，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式 [7]。 因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是溫度控制系統(tǒng)，溫度具有延遲特性的慣性環(huán)節(jié)，所以采樣時(shí)間不能太短，一般是 15s～ 20s，本系統(tǒng)采樣 17s 經(jīng)過(guò)上述的分析，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)基本確定了，在系 統(tǒng)投運(yùn)之前還要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。 對(duì)于工程整定法，工程人員無(wú)需知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，無(wú)需具備理論計(jì)算所學(xué)的理論知識(shí)，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡(jiǎn)單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛的應(yīng)用常用的工程整定法有經(jīng)驗(yàn)整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、自整定法等。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系 [i]。比例控制的缺點(diǎn)是不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，必須要有積分控制來(lái)輔助。因此，就算誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)慢慢變大，由它推動(dòng)控制器的輸出增大，使穩(wěn)態(tài)誤差慢慢減小至零。而自動(dòng)控制系統(tǒng)在對(duì)于誤差的控制來(lái)說(shuō)，會(huì)出現(xiàn)別的不必要的問(wèn)題，比如波動(dòng)，更嚴(yán)重的會(huì)失穩(wěn)。 PID 控制器的理想計(jì)算公式為 : dt tdeTdtteTteKtu dip )()(1)()( 0? ??? 公式中 : u(t)為控制器的輸出 。 由式可得 : )2()1()()]1()([)()()1()()(?????????????????kCekBekAekekeKkeKkeKkukukudip )()1()( kukuku ???? 其中 T TKCTTKBTTTTKA dpdpdip ?????? )。 圖 PID 參數(shù)整定表 (1) 水循環(huán)在升溫過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)性能的影響 有水循環(huán)時(shí) :將鍋爐內(nèi)膽水溫從 36℃ 加熱到 50℃ ，即在水溫穩(wěn)定在 36℃ 時(shí)，將21 PID 控制器的設(shè)定值設(shè)為 50℃ ，則電加熱管開始加熱直到 50℃ 為止。調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)量為 : 圖 有水循環(huán)時(shí)的升溫過(guò)程曲線 無(wú)水循環(huán)時(shí) :也將鍋爐內(nèi)膽水溫從 36℃ 加熱到 50℃ ，實(shí)驗(yàn)所得曲線如圖 所示。從 ℃ 降到 36℃ 總共所需時(shí)間為 :10 分 。 圖 有水循環(huán)時(shí)的降溫過(guò)程曲線 圖 無(wú)水循環(huán)時(shí)的降溫過(guò)程曲線 PID 參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。對(duì)于這一類系統(tǒng)，使用PID 控制可以得到比較滿意的效果。 使用方便 現(xiàn)在已有很多 PLC 廠家提供具有 PID 控制功能的產(chǎn)品，例如 PID 閉環(huán)控制模塊、 PID 控制指令和 PID 控制系統(tǒng)功能塊等，它們使用簡(jiǎn)單方便，只需設(shè)定一些參數(shù)即可，有的產(chǎn)品還具有參數(shù)自整定功能 [6， 9]。需要較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和較高的穩(wěn)態(tài)精度，可以選用 PI控制方式；控制對(duì)象的慣性滯后較大時(shí)，應(yīng)選擇 PID 控制方式 [10]。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)有靜差存在。 比例微分 (PD)調(diào)節(jié) 這種調(diào)節(jié)器由于有微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，減小動(dòng)態(tài)誤差，但微分抗干擾能力較差，且微分過(guò)大，易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動(dòng)作向兩端飽和。由于它具有各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)，因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。所得曲線如圖 所示。 圖 P 調(diào)節(jié) 分析 :KP=2 時(shí)，水溫上升速度慢，即控制系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢，且穩(wěn)態(tài)誤差大，最小的穩(wěn)態(tài)誤差也有 2℃ 。所以 KP 不能太小，也不能太大。穩(wěn)態(tài)時(shí) :加大 KP，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差 ess，提高控制精度。所得曲線如圖 所示。 圖 PI 調(diào)節(jié) (2) PD 調(diào)節(jié)與分析 28 圖 PD 調(diào)節(jié) 分析 :對(duì)于圖 ，此時(shí)超調(diào)量為 ，系統(tǒng)能慢慢趨于穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差 ≤℃ 。 (3) PID 調(diào)節(jié)與分析 在監(jiān)控畫面中，將控制器設(shè)為 ?自動(dòng) ?模式，且 ?比例作用開關(guān) ?設(shè)置為 ?1?、 ?積分作用開關(guān) ?設(shè)置為 ?1?、 ?微分作用開關(guān) ?設(shè)置為 ?1?，此時(shí)就成了 PID 調(diào)節(jié)器。曲線 ② 為給定值曲線 。其中曲線①即為水溫測(cè)量值曲線 。所以在上 文 中的 “ 鍋爐內(nèi)膽水溫 PID 控制和分析 ” 中所有實(shí)驗(yàn)都已加入水循環(huán)。雖然對(duì)象特性具有一定的大慣性，但經(jīng)過(guò)多次調(diào)試后，能確定合適的 PID 控制參數(shù)，且控制效果較好，系統(tǒng)的超調(diào)量能控制在 5%以內(nèi)，使鍋爐的內(nèi)膽溫度與給定值保持一致，實(shí)現(xiàn)了鍋爐內(nèi)膽水溫的常規(guī) PID 控制。雖然加了水循環(huán)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定起到了良好的作用，但當(dāng)內(nèi)膽溫度加熱到 60℃ 以上時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)或達(dá)不到穩(wěn)定，此時(shí)只能關(guān)閉水循環(huán)通路。由于常規(guī) PID 控制沒(méi)有自整定功能，故不具有自適應(yīng)性，所以各參數(shù)的整定不是唯一的，隨著周邊環(huán)境的溫度變化等干擾因素，其參數(shù)會(huì)有一定的偏移。而當(dāng)兩者溫差越大時(shí)，降溫速度越快，所以在內(nèi)膽溫度需要加熱到 60℃ 以上時(shí)，最好關(guān)閉水循環(huán)通路，否則系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)或達(dá)不到穩(wěn)定的效果。曲線③為控制器的輸出值曲線。 29 圖 PID 調(diào)節(jié) (1) 圖 PID 調(diào)節(jié) (2) 30 溫度初值為 ℃，設(shè)定值設(shè)為 60℃， KP=， TI=10000ms， TD=10000ms。所得曲線如圖 所示。對(duì)于圖 ，此時(shí)超調(diào)量為 ，比 TI=20xx0ms 時(shí)的超調(diào)大，系統(tǒng)不是很穩(wěn)定，系統(tǒng)振蕩次數(shù) 多。曲線 ② 為給定值曲線 。 (2) PI 調(diào)節(jié)與分析 在監(jiān)控畫面中，將控制器設(shè)為 ?自動(dòng) ?模式，且 ?比例作用開關(guān) ?設(shè)為 ?1?、 ?積分作用開關(guān) ?設(shè)為 ?1?、 ?微分作用開關(guān) ?設(shè)為 ?0?，此時(shí)就成了 PI 調(diào)節(jié)器。當(dāng) KP 太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。KP =200 時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，控制器輸出加大，此時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差為 =℃ ，但是系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩最大振幅為=℃ 。曲線 ② 為給定值曲線 。 )11()( )( 1 sTsTKsEV sMV Dp ???25 圖 各種控制規(guī)律對(duì)應(yīng)的響應(yīng)過(guò)程 圖 比例調(diào)節(jié)規(guī)律 圖 積分作用曲線 圖 積分作用曲線 26 P、 PI、 PID 控制方式的控制效果 (1) P 調(diào)節(jié)與分析 在監(jiān)控畫面中，將控制器設(shè)為 ?自動(dòng) ?模式，且 ?比例作用開關(guān) ?設(shè)置為 ?1?、 ?積分作用開關(guān) ?設(shè)置為 ?0?、 ?微分作用開關(guān) ?設(shè)置為 ?0?，此時(shí)就成了 P 調(diào)節(jié)器。 PD 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 GC(s)=KP(1+TDs)＝ ?1 (1+TDs) 式中 TD 為微分時(shí)間。 比例積分 (PI)調(diào)節(jié) PI 調(diào)節(jié)器就是利用 P 調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用 I 調(diào)節(jié)消除殘差，但 I 調(diào)節(jié)會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種 調(diào)節(jié)器在過(guò)程控制中是應(yīng)用最多的一種調(diào)節(jié)器。 比例 (P)調(diào)節(jié) 24 純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器，它對(duì)控制作用和擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很快。 式（ ）中等號(hào)右邊的前 3 項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差 ev(t)、誤差的積分和誤差的微分成正比。 有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性 根據(jù)被控對(duì)象的具體情況，可以采用 PID 控制器的多種變種和改進(jìn)的控制23 方式，例如 PI、 PD、帶死區(qū)的 PID、被控量微分 PID、積分分離 PID 和變速積分 PID 等，但比例控制一般是必不可少的。該模型忽略了實(shí)際系統(tǒng)中的非線性和時(shí)變性，與實(shí)際系統(tǒng)有較大的差距。從圖中可知 :從 ℃ 降到 ℃ 所需時(shí)間為 :13 分 秒，所花時(shí)間已經(jīng)大于有水循環(huán)時(shí)的總降溫時(shí)間 10 分 秒，何況此時(shí)溫度只降到 ℃ 還沒(méi)降到36℃ 。 圖 無(wú)水循環(huán)時(shí)的升溫過(guò)程曲線 (2) 水循環(huán)在降溫過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)性能的影響 有水循環(huán)時(shí) :內(nèi)膽水溫從 50℃ 降到 36℃ ，即在水溫穩(wěn)定在 50℃ 時(shí)，將控制器的設(shè)定值設(shè)為 36℃ ，則控制器輸出為 0，電加熱管停止加熱。此時(shí)系統(tǒng)基本穩(wěn)定，穩(wěn)定后的偏差在 177。1( 上 式是增量 PID算法的計(jì)算公式 , 系統(tǒng)的采樣周期 T選定后 , 一旦確定了 Kp、Ti、 Td, 只要使用前后 3 次測(cè)量的溫度偏差值即可由式求出控制量 [iv]。Kp、 Ti、 Td 分別為控制器的比例放大系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)。 [14]但是微分控制會(huì)放大高頻噪聲 , 降低系統(tǒng)的信噪比 ,導(dǎo)致系統(tǒng)抑制干擾的能力下降，也就 是說(shuō)微分控制不能消除余差。但具有滯后特點(diǎn)，不能快速對(duì)誤差進(jìn)行有效的控制。為了消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “積分項(xiàng) ”。偏差減小的速度由比例系數(shù) Kp來(lái)決定， Kp越大偏差減小的越快 [iii]。整定步驟為 “先比例，再積分，最后微分 ”。 理論計(jì)算整定法是在已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標(biāo)，經(jīng)過(guò)理論的計(jì)算（微分方程、根軌跡、頻率法等），求得最佳的整定參數(shù)。但是， Ts 太小就會(huì)增加 CPU 的運(yùn)算工作量，相鄰的兩次采樣值幾乎沒(méi)什么變化，將是 PID 控制器輸出的微分部分接近于