【文章內(nèi)容簡介】 如果有深度冷卻的需要可以使用液氨作為冷卻劑。如下圖 22 所示P 2P 3F V 1 1 0 3V 2F V 1 1 0 5V 3熱流入口熱流出口冷卻水上水冷卻水回水F T 1 1 0 2F I 1 1 0 5 T I 1 1 0 4換熱器E 1 1 0 1圖 23 換熱器工作原理圖調(diào)節(jié)過程:根據(jù)檢測到的冷流量的變化，先調(diào)節(jié)閥門開關(guān)，控制冷流量的大小，即為副回路，然后再根據(jù)熱流體出口溫度與設(shè)定值之間的偏差，根據(jù)合適的控制算法，進一步調(diào)節(jié)冷流體的流量，以保持出口溫度的穩(wěn)定， ，這樣組成流體出口溫度調(diào)節(jié)器和流體流量調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來的串級控制系統(tǒng)。 PID 控制 PID 基本介紹在模擬控制系統(tǒng)中，PID (Proportion Integration Differentiation，比例積分微分) 控制是控制器最常用的控制規(guī)律 [4]，PID 控制器作為最早實用化的控制器已有 70 多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。比例積分微分，PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一 [5][6]。簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。這個理論和應(yīng)用自動控制的關(guān)鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。7 / 41PID 控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（ D）組成。其輸入 e (t）與輸出 u (t）的關(guān)系為：u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TDde(t)/dt] ()式中積分的上下限分別是 0 和 t 因此它的傳遞函數(shù)為：G (s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TIs)+TDs] ()其中 kp 為比例系數(shù)； TI 為積分時間常數(shù)； TD 為微分時間常數(shù)（1）比例作用 P比例（P）控制：比例控制是一種最簡單的控制方式 [7]。所謂的 P，就是比例作用，就是把調(diào)節(jié)器的輸入偏差乘以一個系數(shù)，作為調(diào)節(jié)器的輸出。滯后性不是很大的控制對象使用比例控制方式就可以滿足控制要求，但很多被控對象中因為有滯后性。一般來說，設(shè)定值不會經(jīng)常改變，那就是說：當(dāng)設(shè)定值不變的時候，調(diào)節(jié)器的輸出只與被調(diào)量的波動有關(guān)。調(diào)節(jié)器的輸出信號 u 與輸入的偏差信號 e 成比例 u=Kce （）Kc 稱為比例增益，K c 接近于 0 時，控制器的輸出 u 不受輸入偏差 e 的影響，相當(dāng)于控制系統(tǒng)不工作，K c 很大時，只要有一個很小的輸入偏差 e 出現(xiàn)，就會使控制器輸出 u 發(fā)生很大的變化，K c 由小到大變化，系統(tǒng)將由穩(wěn)定向振蕩發(fā)展。 比例作用的特點 ，比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)，比例調(diào)節(jié)的余差隨著比例增益的增大而減?。槐壤鲆嬖酱?，意味著執(zhí)行機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、擋板等）的動作幅度較大，被調(diào)節(jié)變量的變化較為劇烈 ；比例調(diào)節(jié)可以單獨使用，也可以和其它調(diào)節(jié)動作結(jié)合成 PI、PD 或 PID 調(diào)節(jié)動作。（2）積分作用 I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(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steadystate Error） 。為了消除穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)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(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)節(jié)器的輸出信號的變化速度 du/dt 與輸入的偏差信號 e 成正比 du/dt=Kie （）Ki 稱為積分速度，積分調(diào)節(jié)將輸入偏差 e 按時間進行累積，偏差存在輸出就增大，直到消除偏差為止，K i 趨向于 0 時，積分作用消除，K i 很大時，積分作用強烈，消除余差的能力強，但容易引起振蕩。積分特點：積分調(diào)節(jié)是無差調(diào)節(jié)。只有當(dāng)偏差 e 為 0 時，積分調(diào)節(jié)器的輸出才會保持不變 ；積分速度越大，執(zhí)行機構(gòu)的動作越快，越容易引起和加劇振蕩 ；積分調(diào)節(jié)可以單獨使用，但調(diào)節(jié)的過程很慢。通常，積分調(diào)節(jié)和其它調(diào)節(jié)動作結(jié)合成 PI 或 PID 調(diào)節(jié)動作。PI 兩個結(jié)合使用的情況下，我們的調(diào)整方式如下：①先將 I 值設(shè)為 0，將 P 值放至比較大，當(dāng)出現(xiàn)穩(wěn)定振蕩時，我們再減小P 值直到 P 值不振蕩或者振蕩很小為止（術(shù)語叫臨界振蕩狀態(tài)） ，在有些情況下，我們還可以在些 P 值的基礎(chǔ)上再加大一點。②加大 I 值，直到輸出達(dá)到設(shè)定值為止。③等系統(tǒng)冷卻后，再重上電，看看系統(tǒng)的超調(diào)是否過大，加熱速度是否太慢。通過上面的這個調(diào)試過程，我們可以看到 P 值主要可以用來調(diào)整系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但太大會增大超調(diào)量和穩(wěn)定時間；而 I 值主要用來減小靜態(tài)誤差。（3）微分作用 D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(guān)系 [8]。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）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(yīng)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(yù)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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。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(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性調(diào)節(jié)器的輸出與輸入的偏差信號的變化速度 de/dt 成正比 u=Kd(de/dt) （）Kd 是微分速度微分調(diào)節(jié)的輸出與輸入偏差 e 的變化速度成正比， e 變化越大，微分調(diào)節(jié)的輸出越大，K d 為 0 時，微分作用消除 微分作用的特點 ：微分調(diào)節(jié)總是力圖抑制被調(diào)量的振蕩；微分調(diào)節(jié)只能起9 / 41到輔助的調(diào)節(jié)作用，可以與其它調(diào)節(jié)動作結(jié)合成 PD 或 PID 調(diào)節(jié)動作其完整的公式如下： u(t) = Kpe(t) + Ki∑e(t) + Kd[e(t) – e(t1)]+u0 （）在 PID 的調(diào)試過程中，應(yīng)注意以下步驟：① 關(guān)閉 I 和 D，也就是設(shè)為 P，使其產(chǎn)生振蕩；②減小 P，找到臨界振蕩點；③ 加大 I，使其達(dá)到目標(biāo)值；④重新上電看超調(diào)、振蕩和穩(wěn)定時間是否吻合要求；⑤ 針對超調(diào)和振蕩的情況適當(dāng)?shù)脑黾右恍┪⒎猪?；?注意所有調(diào)試均應(yīng)在最大爭載的情況下調(diào)試，這樣才能保證調(diào)試完的結(jié)果可以在全工作范圍內(nèi)均有效；（4）采樣周期 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量 [9]，PID 控制程序是周期性執(zhí)行的，執(zhí)行的周期稱為采樣周期。采樣周期越小，采樣值越能反映模擬量的變化情況。但是太小會增加 CPU的運算工作量，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒有什么變化，將使 PID 控制器輸出的微分部分接近為零，所以也不宜將采樣周期取得過小。應(yīng)保證在被控量迅速變化時（例如啟動過程中的上升階段），能有足夠多的采樣點數(shù)，不致因為采樣點數(shù)過少而丟失被采集的模擬量中的重要信息。PID 由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（Kp， Ti 和 Td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。 參數(shù)整定PID參數(shù)整定方法很多，工程上最常用的有臨界比例度法、衰減曲線法和經(jīng)驗湊試法。(1) 臨界比例法這是目前使用較多的一種方法。它是先通過試驗得到臨界比例度PB和臨界周期Tk ，然后根據(jù)經(jīng)驗公式求出控制器各參數(shù)值。具體做法如下：①被控系統(tǒng)穩(wěn)定后，把控制器的積分時問放到最大，微分時間放到零(相當(dāng)于切除了積分和微分作用，只使用比例作用)。②通過外界干擾或使控制器設(shè)定值作一階躍變化，觀察由此而引起的測量值震蕩③從大到小逐步把控制器的比例度減小，看測量值振蕩的變化是發(fā)散的還是衰減的，如是衰減的則應(yīng)把比例度繼續(xù)減?。蝗缡前l(fā)散的則應(yīng)把比例度放大。④連續(xù)重復(fù)②、③步驟，直至測量值按恒定幅度和周期發(fā)生振蕩，即持續(xù)4～5次等幅振蕩為止。此時的比例度示值就是臨界比例度PB。⑤從振蕩波形圖來看，來回振蕩1次的時間就是臨界周期Tk，即從振蕩波的第一個波的頂點到第二個波的頂點的時間。如果有條件用記錄儀，就比較好觀察了，即可看振蕩波幅值，還可看測量值輸出曲線的峰——峰距離，把該測量值除以記錄紙的走紙速度，就可計算出臨界周期Tk得到了臨界比例度PB和臨界周期 Tk后．就可根據(jù)表1中的經(jīng)驗公式求出控制器的P、Ti、剛參數(shù)值了。表21 臨界比例度法參數(shù)計算公式表控制作用 比例度p 積分時間 微分時間比例 2PB比例+積分 比例+微分 比例+積分+微分 臨界比例度整定法又稱為“閉環(huán)振蕩法” ，它的特點是：不需要求得控制對象的特性，而直接在閉合但對于臨界比例度很小的系統(tǒng)不適用，在某些生產(chǎn)過程中不允許振蕩的場合，此整定法也不適用。（2）衰減曲線法衰減曲線法是通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來整定控制器的參數(shù)值的，有4：1和10：1兩種衰減曲線法，具體做法如下(以4：1為例)：①在閉合的控制系統(tǒng)中，將控制器變?yōu)榧儽壤饔?，比例度放在較大的數(shù)值上。②系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，通過外界干擾或使控制器設(shè)定值作一階躍變化，觀察記錄曲線的衰減比。③從大到小改變比例度，直至出現(xiàn)4：1衰減比為止，記下此時的比例度Ps(叫4：1衰減比例度)并從曲線上得出衰減周期Ts(在4：1曲線中為峰——峰時間。對有些控制對象，控制過程進行較快，難以從記錄曲線上找出衰減比。這時，只要被控量波動2次就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可近似認(rèn)為是4：1的衰減過程，其波動1次時間為Ts。得到了衰減比例度Ps和衰減周期Ts后，就可根據(jù)表2中的經(jīng)驗公式求出控制器的P 、Ti 、Td參數(shù)值了。表22 4:1衰減曲線法控制器參數(shù)計算表控制作用 比例度P 積分時間 微分時間比例 Ps比例+積分 Ps 比例+積分+微分 11 / 41（3）經(jīng)驗湊試法經(jīng)驗湊試法是長期的生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的一種整定方法。它是根據(jù)經(jīng)驗公式先將控制器參數(shù)放在一個數(shù)值上，直接在閉合的控制系統(tǒng)中，通過改變給定值施加干擾，觀察過渡過程曲線，運用P、Ti 、Td對過渡過程的影響為指導(dǎo)，按照規(guī)定順序，對比例度P、積分時間Ti和微分時間Td逐個整定，直到獲得滿意的過渡過程為止。具體做法如下：①在閉合的控制系統(tǒng)中，根據(jù)經(jīng)驗并參考表4的數(shù)據(jù)，選出一個合適的P、n值作為起始值，將系統(tǒng)投人自動。②通過改變設(shè)定值對控制系統(tǒng)施加一個干擾，現(xiàn)場觀察判斷控制曲線形狀。若曲線不夠理想，可改變P或Ti，再觀察控制過程曲線，經(jīng)反復(fù)湊試直到控制系統(tǒng)符合動態(tài)過程品質(zhì)要求為止，這時的P和Ti就是最佳值。③如果調(diào)節(jié)器是PID三作用方式，那么要在整定好的P和丁i 的基礎(chǔ)上加進微分作用。由于微分作用有抵制偏差變化的能力，所以確定一個Td值后，可把整定好的P和n值減小一點再進行現(xiàn)場湊試，直到P 、 n和Td 取得最佳值為止。經(jīng)驗湊試法的特點是方法簡單，適用于各種控制系統(tǒng)，因此應(yīng)用非常廣泛。特別是外界干擾作用頻繁，記錄曲線不規(guī)則的控制系統(tǒng)，采用此法最為合適。但是此法主要是靠經(jīng)驗，在缺乏實際經(jīng)驗或過渡過程本身較慢時，往往費時較多。為了縮短整定時間，可以運用優(yōu)選法，使每次參數(shù)改變的大小和方向都有一定的目的性。值得注意的是，對于同一個系統(tǒng)，不同的人采用經(jīng)驗湊試法整定，可能得出不同的參數(shù)，這是由于對每一條曲線的看法，有時會因人而異，沒有一個很明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)，而且不同的參數(shù)匹配有時會使所得過渡過程衰減情況一樣。 主要功能和應(yīng)用要實現(xiàn) PID 參數(shù)的整定，首先要對被控制的對象有一個了解，然后選擇相應(yīng)的參數(shù)計算方法完成控制器參數(shù)的設(shè)計 [10]工業(yè)生產(chǎn)過程中，對于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。PID 控制器是根據(jù) PID 控制原理對整個控制系統(tǒng)進行偏差調(diào)節(jié)，從而使被控變量的實際值與工藝要求的預(yù)定值一致。不同的控制規(guī)律適用于不同的生產(chǎn)過程，必須合理選擇相應(yīng)的控制規(guī)律，否則PID 控制器將達(dá)不到預(yù)期的控制效果。最為理想的控制當(dāng)屬比例積分微分控制規(guī)律。它集三者之長: 既有比例作用的及時迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。 當(dāng)偏差階躍出現(xiàn)時，微分立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定；而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點，得到較為理想的控制效果。 控制系統(tǒng)的設(shè)計 溫度控制特點溫度控制時間常數(shù)比較大，被控對象的時間滯后較大，控制起來不靈敏，相反的，溫度控制較重要、控制精度要求較高、希望動態(tài)偏差小，所以換熱器的熱流出口溫度控制采用 PID 控制方式。比例調(diào)節(jié)溫度作用是按比例反應(yīng)系統(tǒng)溫度的偏差，一旦