PID控制原理与参数设置.docx

PID控制当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分:测量、 比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统 的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地 纠正系统。PID (比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在 仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统 模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e (t) 与输出u (t)的关系为u(t)=kp(e(t)+1/TI J e(t)dt+TD*de(t)/dt)式中积分的上下限分别是 0 和 t因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数(Kp, Ki和Kd)即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一 到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化 可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp, Ki和Kd可以根据过程的动态 特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态 特性变化，PID参数就可以重新整定。第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模 式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、 产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个 问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器 和分散控制系统的一个标准。在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些 问题需要解决：如果自整定要以模型为基础，为了 PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模 型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰 动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性 变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不 必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法， 参数整定可靠与否存在很多问题。因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自 身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID 参数。PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是 太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控 制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。 智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统 和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入 输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统 的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统， 其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。 电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID 控制器(仪表)已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样 的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整 或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位 控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC 系统等等。可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可 编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有 可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix产品系列，它可以直接 与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。1、开环控制系统开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控 制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回 来以形成任何闭环回路。2、闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被 控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有 正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈(Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又 称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭 环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出 各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系 统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净 之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。3、阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入(step function)加到系统上时，系统的输出。 稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系 统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability)， 一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准 是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来(Steady-state error) 描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通 常用上升时间来定量描述。4、PID控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简 单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对 象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技 术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时 应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能 通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实 际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微 分计算出控制量进行控制的。比例(P)控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)o 积分(I)控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控 制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或 简称有差系统(System with Steady-state Error )。为了消除稳态误差，在控 制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加， 积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推 动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI) 控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分(D)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比 关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因 是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作 用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超 前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中 仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前 需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的 控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被 控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器 能改善系统在调节过程中的动态特性。5、PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确 定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的 方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学 模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接 用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程 经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被 广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和 衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式 对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在 实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进 行PID控制器参数的整定步骤如下：（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系 统工作；（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算 得到PID控制器的参数。在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。对于温度系统：P（%）20-60，I（分）3-10，D （分）0.5-3对于流量系统：P（%）40-100，I（分）0.1-1对于压力系统：P（%）30-70，I（分）0.4-3对于液位系统：P（%）20-80，I（分）1-5参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低4比1 一看二调多分析，调节质量不会低常规PID参数设置指南启动PID参数自整定程序，可自动计算PID参数，自整定成功率95%，少数自整 定不成功的系统可按以下方法调PID参数。P参数设置如不能肯定比例调节系数P应为多少，请把P参数先设置大些（如30%）, 以避免开机出现超调和振荡，运行后视响应情况再逐步调小，以加强比例作用的 效果，提高系统响应的快速性，以既能快速响应，又不出现超调或振荡为最佳。 I参数设置如不能肯定积分时间参数I应为多少，请先把I参数设置大些（如1800秒）， （I> 3600时，积分作用去除）系统投运后先把P参数调好，尔后再把I参数逐步 往小调，观察系统响应，以系统能快速消除静差进入稳态，而不出现超调振荡为 最佳。D参数设置如不能肯定微分时间参数D应为多少，请先把D参数设置为O,即去除微分 作用，系统投运后先调好P参数和I参数，P、I确定后，再逐步增加D参数，加 微分作用，以改善系统响应的快速性，以系统不出现振荡为最佳，（多数系统可 不加微分作用）。1. PID调节器的适用范围PID调节控制是一个传统控制方法，它适用于温度、压力、流量、液位等几乎所 有现场，不同的现场，仅仅是PID参数应设置不同，只要参数设置得当均可以达 到很好的效果。均可以达到0.1%，甚至更高的控制要求。2. PID参数的意义和作用指标分析P、I、D： y=yP+yi+yd2.1. P参数设置名称：比例带参数，单位为（%）。比例作用定义：比例作用控制输出的大小与误差的大小成正比，当误差占量程的 百分比达到P值时，比例作用的输出=100%，这P就定义为比例带参数。即 yp= x 100%= x100% = Kp• Err （1）（其中：yP=KP• A.A=SP-PV，取 0-100%）KP=1/ （FS•P）也可以理解成，当误差达到量程乘以P（%）时，比例作用的输出达100%。例：对于量程为0T300C的温控系统，当P设置为10%时，FS乘以P等于130C, 说明当误差达到130C时，比例作用的输出等于100%，误差每变化1°C,比例作 用输出变化0.79%,若需加大比例作用的调节能力，则需把P参数设置小些，或 把量程设置小些。具体多少可依据上述方法进行定量计算。P=输出全开值/FS•100%P参数越小比例作用越强，动态响应越快，消除误差的能力越强。但实际系统是 有惯性的，控制输出变化后，实际PV值变化还需等待一段时间才会缓慢变化。 由于实际系统是有惯性的，比例作用不宜太强，比例作用太强会引起系统振荡不 稳定。P参数的大小应在以上定量计算的基础上根据系统响应情况，现场调试决 定，通常将P参数由大向小调，以能达到最快响应又无超调（或无大的超调）为最 佳参数。2.2. I参数设置名称：积分时间，单位为秒。积分作用定义：对某一恒定的误差进行积分，令其积分“I”秒后，其积分输出 应与比例作用等同，这I就定义为积分时间。即：Ki J I O Errdt = Ki • I • Err = Kp • Err (2 )Ki =Kp /I (3 )yi = Ki J t o Err (t)dt (4 )为什么要引进积分作用呢？前面已经分析过，比例作用的输出与误差的大小成正比，误差越大，输出越大， 误差越小，输出越小，误差为零，输出为零。由于没有误差时输出为零，因此比 例调节不可能完全消除误差，不可能使被控的PV值达到给定值。必须存在一个 稳定的误差，以维持一个稳定的输出，才能使系统的PV值保持稳定。这就是通 常所说的比例作用是有差调节，是有静差的，加强比例作用只能减少静差，不能 消除静差(静差：即静态误差，也称稳态误差)。为了消除静差必须引入积分作用，积分作用可以消除静差，以使被控的PV值最 后与给定值一致。引进积分作用的目的也就是为了消除静差，使PV值达到给定 值，并保持一致。积分作用消除静差的原理是，只要有误差存在，就对误差进行积分，使输出继续 增大或减小，一直到误差为零，积分停止，输出不再变化，系统的PV值保持稳 定，PV值等于SP值，达到无差调节的效果。但由于实际系统是有惯性的，输出变化后，PV值不会马上变化，须等待一段时 间才缓慢变化，因此积分的快慢必须与实际系统的惯性相匹配，惯性大、积分作 用就应该弱，积分时间I就应该大些，反之而然。如果积分作用太强，积分输出 变化过快，就会引起积分过头的现象，产生积分超调和振荡。通常I参数也是由 大往小调，即积分作用由小往大调，观察系统响应以能达到快速消除误差，达到 给定值，又不引起振荡为准。3. D参数设置名称：微分时间，单位为秒定义：D是指微分作用的持续时间，是指从微分作用产生时刻起到微分作用衰减 到零(接近零)所花的时间。如下图所示。为什么要引进微分作用呢？前面已经分析过，不论比例调节作用，还是积分调节作用都是建立在产生误差后 才进行调节以消除误差，都是事后调节，因此这种调节对稳态来说是无差的，对 动态来说肯定是有差的，因为对于负载变化或给定值变化所产生的扰动，必须等 待产生误差以后，然后再来慢慢调节予以消除。但一般的控制系统，不仅对稳定控制有要求，而且对动态指标也有要求，通常都 要求负载变化或给定调整等引起扰动后，恢复到稳态的速度要快，因此光有比例 和积分调节作用还不能完全满足要求，必须引入微分作用。比例作用和积分作用 是事后调节(即发生误差后才进行调节)，而微分作用则是事前预防控制，即一发 现PV有变大或变小的趋势，马上就输出一个阻止其变化的控制信号，以防止出 现过冲或超调等。D越大，微分作用越强，D越小，微分作用越弱。系统调试时通常把D从小往大 调，具体参数由试验决定。如：由于给定值调整或负载扰动引起PV变化，比例作用和微分作用一定等到PV 值变化后才进行调节，并且误差小时，产生的比例和积分调节作用也小，纠正误 差的能力也小，误差大时，产生的比例和积分作用才增大。因为是事后调节动态 指标不会很理想。而微分作用可以在产生误差之前一发现有产生误差的趋势就开 始调节，是提前控制，所以及时性更好，可以最大限度地减少动态误差，使整体 效果更好。但微分作用只能作为比例和积分控制的一种补充，不能起主导作用， 微分作用不能太强，太强也会引起系统不稳定，产生振荡，微分作用只能在P 和I调好后再由小往大调，一点一点试着加上去。4. PID综合调试比例作用，积分作用和微分作用的关系是：比例作用是主要调节作用，起主导作 用。积分作用是辅助调节作用；微分作用是补偿作用。在实际调试时可按以下步骤进行。1）关掉积分作用和微分作用，先调P。即令I>3600秒，D = 0秒，将P由大往小 调以达到能快速响应，又不产生振荡为好。并需结合量程进行定量估算。2）P调好后再调I，I由大往小调，以能快速响应，消除静差，又不产生超调为 好，或有少量超调也可以。I应考虑与系统惯性时间常数相匹配。一般I值和惯 性时间差不多。3）P、I调好后，再调D。一般的系统D=0，1或2。只有部分滞后较大的系统， D值才可能调大些。4）PID参数修改后，可以少量修改给定值，观察系统的跟踪响应，以判断PID 参数是否合适。5）P值太小，I值太小或D值太大均会引起系统超调振荡。6）对于个别系统，如加温快降温慢，或升压快降压慢，或液位升得快降得慢等 不平衡系统是很难控制的，更难兼顾动态指标，只能将P调大些，I值也调大些， 牺牲动态指标来保证稳态指标。这是由系统的不可控制特性所决定的，而与PID 调节器的性能无关。PID菜单内各数值具体调整PID参数的选取：如果选用的PID参数不合适，PID调节的结果很可能比二位式 调节的结果还差，例如产生幅度很大的连续振荡，产生长时期不能消除的静差， 或者是在系统受扰动后不能尽快复原等等，因此，根据被控对象的工况选取合适 的PID参数，是用好PID调节仪表的关键。在大多数场合，选择P=5%、I=210秒、D=30秒，就能达到较理想的调节效果。 但对惰性特别大或加热功率特别不匹配的系统，就必须另行选取相应的参数。一、PID参数人工整定方法PID参数的设置情况直接影响系统的调节结果。人工整定PID参数，最简单实用 的方法就是使用“邻界比例法”来确定PID的参数。具体方法是：将系统接成闭环，关掉I、D （即将参数积分时间I和微分时间D 均设置为0）,多次调节比例带P值的大小，使系统刚刚产生振荡，记录此时的 比例带参数（XP1）及振荡周期时间（T）,则正确的PID参数可以从下表中计算 出来（以恒温调节系统为例说明）：最终控制方式比例带积分时间微分时间纯比例控制2 x XP1P、I 控制 2.2 x XP1 0.8 x TP、I、D 控制 1.67 x XP1 0.5 x T 0.12 x T根据比例带XP1和振荡周期T,查上表后计算出合适的比例带、积分时间、微分 时间三个参数的具体数值，再按仪表的设置步骤键入PID参数并稍作微调即可。 概括地说，比例带P设置的数值越大，系统越不会发生振荡，静差也越大；积分 时间I设置的数值越大，积分的作用越不明显，消除静差所需的时间也越长，系 统越不会发生振荡;微分时间D设置的数值越小，对比例带和积分的作用力越小， 系统越不会发生振荡，但系统的响应速度也变得迟钝。积分的作用是使系统趋向 稳定，而微分的作用是抑制超调，但会使系统趋向不稳定，微分与积分配合得当， 就可获得尽快而稳定的调节过程。一般建议：初次运行先以仪表出厂时已经设置的PID参数为基础，如发现系统一 直在设定值上下产生非衰减性的振荡，可逐次把比例带P或积分时间I的数值增 大三分之一左右，直至稳定。反之，如发现系统的静差消除过慢，可减小比例带 P的数值或积分时间I的数值，直至稳定。如发现系统抗扰动的能力不够，可适 当增强微分作用，即适当加大微分时间。在一些工况固定的场合，只选用仪表的比例P和积分I功能，而把微分D功能关 掉（设置为0）,反而能取得理想的调节效果。二、自适应调节方式该调节方式的基本原理是根据受控对象的实际升温速率、仪表的标称量程与设定 值之间的比例、包括传感器响应速度及系统滞后特性等在内的系统综合工况，由 仪表内部的计算机预算出加热功率的匹配状况，自动对加热功率的大小进行约 束，并给出一个适宜的调节参数进行自动调节，并在调节过程中不断优化。其最大特点是对使用者的素质要求不高，易学好用，适用的对象范围也较宽，通 常情况下调节品质也较好。但自适应调节方式也存在着局限性，在某些被控对象 变化特慢或扰动特大的系统中，可能得不到理想的效果。故在十分专业或调节品 质要求十分高的超高精度场合应用较少。总之，PID调节方式是多参数共同作用的高级调节方式，整定好后，仪表内部计 算机就会把参数记存，只要工况不变，以后开机就不必再次整定。而自整定仪表， 整定期间如有干扰发生，就将会给出错误的整定参数，二者各有优缺点。三、前馈加法整定步骤 、首先将P、I、D参数整定好，将前馈系数设为0.00，前馈偏值设为0.0将 附屏设为In2。 、系统投运在正常额定负载下，系统工作稳定后，读出附屏前馈输入值，计算 出此时前馈量百分比值FFS。 、假设前馈输入扰动为15% （在实际工况下，前馈输入扰动=最大负荷-最小 负荷），前馈加法作用为30% （此值越大，前馈加法作用越强）。这两参数根据现 场情况不同而不同，前馈主是起辅助作用。 、前馈系数 FFS.K=30%/15%=2.00，前馈偏值 FFS.B=-FFS.K*FFS=-2*FFS。例如：在锅炉的汽泡水位控制时，常把蒸汽流量作为前馈量引入进行超前调节。 此时便可将IN2作为前馈输入。假设输入420mA，量程下限设为0,量程上限 设为100.0。蒸汽流量前馈加法作用的参数计算举例： 、系统投运在正常额定负载下，系统工作稳定后，读出附屏前馈输入值，假设 为75.0,计算出此时前馈量百分比值FFS=75.0/（100.0-0）=75%=0.75。 、前馈输入扰动量的计算：假设此系统的最大蒸汽流量为85.0 t/h,最小蒸 汽流量为70.0 t/h,则前馈输入扰动=（最大蒸汽流量最小蒸汽流量）/（量程 满度-量程零点）=（85.0-70.0 ） /（100.0-0）=15%。 、前馈加法作用的计算：前馈加法作用的值越大，前馈蒸汽流量对给水流量的影响越大。在实际调试中，应从小到大多试几个值。假设此时的前馈加法作用为30%。则前馈系数FFS.K =前馈加法作用/前馈输入扰动=30%/15%=2.0；前馈偏值FFS.B =-（前馈系数*正常额定负载下前馈量百分比值）=- （FFS.K*FFS）=-（2.0*0.75）= -1.50。 、则在控制参数菜单中，将PID的前馈系数FFS.K设置为2.0,前馈偏值FFS.B 设为-1.50。（在实际调试中，前馈系数FFS.K的值越大，对输出的影响越大；前馈偏值FFS.B 的值，若没有经过以上公式计算，而随意输入，只会对刚加入前馈加法作用时的 系统稳定性产生影响）四、本司仪表在现场应用的PID参数简介以百特三冲量仪表锅炉20T链条炉的水位三冲量控制（XMPA7000 ）参数设定案例： 效果：正负3MM工作模式：2 *负荷波动较小时（方案1 ）PID1： P=5%, I=8S, D=2S,OUT上限=86%,下限=40%，变化率=30%;PID2： P=38%, I=36S, D=0S,OUT上限=94%,下限=30%,变化率=0.9%;FFW：K=0.1,*PID1：P=3%,OUT 上限=86%PID2：P=17%,OUT 上限=95%FFS=0.1负荷波动较大时（方案2 ） *I=28S,D=3S,下限=40%,变化率=15%；I=30S,D=0S,，下限=10%，变化率=0.2%;FFW： K=0.1, FFS=0.1注意：1、给水流量和蒸汽流量在量程设置时不能带小数点，其余按标准设计。2、大力推荐第二套设计为准（其间“变化率”不能调节为0.1%,否则数值乱跳）。1. PID的功能大概如下：PID调节控制是一个传统控制方法，它适用于温度、压 力、流量、液位等几乎所有现场，不同的现场，仅仅是PID参数应设置不同，只 要参数设置得当均可以达到很好的效果。均可以达到0.1%，甚至更高的控制要 求。比例作用定义：比例作用控制输出的大小与误差的大小成正比，当误差占量程的 百分比达到P值时，比例作用的输出=100%，这P就定义为比例带参数。积分作用定义：对某一恒定的误差进行积分，令其积分“I”秒后，其积分输出 应与比例作用等同，这I就定义为积分时间。微分作用定义：D是指微分作用的持续时间，是指从微分作用产生时刻起到微分 作用衰减到零（接近零）所花的时间。PID综合调试比例作用，积分作用和微分作用的关系是：比例作用是主要调节作用，起主导作 用。积分作用是辅助调节作用；微分作用是补偿作用。2. 内模PID应用就是内部模式的PID,如我们公司的调节仪表XMA系列，带有内 部给定PID功能。3. 典型的设计实例如我们公司的XMPA7000系列，有两个PID调节器。4. 当前比较先进的PID算法有模糊PID控制，神经网络PID控制，人工智能PID 控制算法等。模糊控制技术的应用随着模糊控制技术的不断发展完善，越来越多的模糊控制技术应用到加热炉 的燃烧控制中。常用的是二维模糊控制器，即选用误差、误差变化率为输入，一 个输出量。多维模糊控制器(三维及以上)除了误差外，还增加了误差变化率及 误差变化的变化率，从理论上讲，控制会更加精细。但是，由于模糊控制器输入 维数增多，控制规则的选取越来越困难，相应的控制算法也越来越复杂。济钢中板厂采用二输入一输出的模糊控制器求空燃比。以炉膛温度的增量 T(AT = Ti-Ti_1 )和上一周期的寻优步长ui-1为输入，输出是本次寻优步长 u代入公式：合适煤气量=当前煤气量+煤气加减方向X系数X步长采用变步长的寻优方法，可以提高搜索速度、减少搜索损失。如果步长固定 不变，步长小，则收敛速度慢，对于一些不可控扰动的响应就难以适应；步长大， 则搜索损失增大，有时还会引起振荡，无法收敛，这是应当避免的。当在离极值 点较近处，反映在温差上是变化率较小时，可采用小步长搜索。日本住友鹿岛制铁所初轧均热炉采用模糊控制器在线调整PID调节器的参 数，即随系统状态的变化，对比例、积分、微分系数fp、fi、fd进行调整。该 方法与常规模糊调节器和常规PID调节器相比，具有较强的适应性和鲁棒性。采用PID调节器的参数f、f、f在线构成模糊控制器，输出u (e)、u (e)、 p i dpiud(e),实现在线修正PID调节器的三个主要系数。f (n)=f +r u e (n)pp0 p pf (n)=f +r u e (n)ii0 i ifd (n) =fd0+rdud e (n)y (n)=f (n)e(n) + £f (j)e(j)+f (n)e(n)-e(n-1) pidf (n)、f (n)、f (n)分别为比例、积分、微分系数；f、f、f分别为比例、 pidp0 i0 d0积分、微分系数的初值；r、r、r分别是u (e)、u (e)、u (e)的权数；e(n)、j、 pidpide为不同时间的误差向量；y(n)为PID调节器的输出。加热炉控制技术发展趋势燃烧控制的另一条最为理想的途径是人工智能化直接监测火焰性能控制燃 烧的方法，类似人工烧钢通过观察火焰颜色判断燃烧情况。但由于加热炉炉膛很 大，长30、40m以上，宽5m以上，是一个时变、分布参数非线性、大惯性延迟 的控制系统，炉气、钢锭、墙壁之间的传热过程复杂且是非线性的，还有影响燃 烧控制的许多不确定因素，目前没有实用仪器来实现。近年来，随着人工智能理 论的发展和实用化，以及计算机技术的进步和检测设备、仪表性能的提高，专家 系统、模糊控制等技术正在加热炉燃烧控制上得到越来越广泛的应用。蒙特卡洛 随机思想以及量子物理浮点思想在自动控制方面也引起研究者们的高度重视，随 着现代科学技术的发展，随机系统滤波与控制理论也将被应用于加热炉计算机控 制中。西门子PCS7在焦炉温度控制中的应用1引言随着计算机技术的普及以及国内炼焦行业对生产技术要求以及焦炭质量的不断提高，应 用复杂控制系统甚至于先进控制算法对焦炉温度进行控制已经成为提高焦化企业生产技术 水平，增加经济和社会效益的有效手段之一。焦炉的加热过程是单个燃烧室间歇、全炉连续、受多种因素干扰的热工过程，是一个典 型的大惯性、非线性、时变快且受到多种扰动因素影响的复杂系统，其加热控制难度较其它 工业窑炉要大得多【3】。传统意义上PLC或DCS系统通常应用的单回路PID控制方式已不 能完全适应目前生产上对温度精确控制的需要。因此，应用较为先进的控制方式和手段对焦 炉温度进行控制已成为各个焦化厂进行技术改造的必然趋势。经过工程实践检验，本文提出 了一种基于DCS系统内的、应用西门子PCS系统自带的控制器构成的以反馈为主辅之以前 馈来对焦炉火道温度进行控制的方案。2火道温度在焦炉生产中的作用焦炉火道温度系在下降气流底部火嘴和鼻梁砖间的大砖温度，鉴于目前温度检测仪器上 的原因以及火道温度点的特殊位置，实际的焦炉火道温度一般难以准确测量。目前国内焦化 厂均采用火道直行温度来反映焦炉温度。焦炉全炉温度用机、焦侧侧温火道平均温度来代表， 全炉总供热的调节（以加减煤气和空气的方式进行调节）应当使机、焦侧测温火道平均温度 符合工艺所规定的标准温度，并保持稳定。作为衡量全炉温度的稳定性重要指标，反映焦炉 稳定稳定性的指标一般用直行温度的安定系数Kc来衡量，Kc能否接近1并保持稳定，对 焦炭质量的提高、降低耗热量以及延长焦炉炉龄至关重要。3控制原理传统PLC或DCS控制方式是当班炼焦测温工每隔四小时在交换前后从焦炉炉顶测量直 行温度并计算出平均温度后，根据计算出来的平均温度与标准温度比较产生偏差进行煤气流 量的增减以达到控制温度始终保持在标准温度允许范围内的偏差内。这种控制方式对温度和 吸力的控制存在着比较大的滞后性，而且由于是人工加减煤气流量（或者压力），加之煤气 热值随着供气设备的情况存在着不稳定性和操作人员主观上的偏差，实际操作时经常会造成 温度大幅度波动影响焦炉温度参数，从而影响焦炭质量和整个焦炉工况变化。因此，我们在 以往简单控制系统的基础上采用了复杂控制系统中的串级控制方式进行炉温的调节。串级控 制方案中分别以火道温度和煤气流量（或者煤气管道上的压力）为主、副回路的被控参数。 采用这种控制方式就可以在测温工将直行火道温度测量并计算出平均值后转换为对应的流 量值（或者压力值）输入进PID控制器上的设定值内，由控制器根据现场情况整定好的比 例、积分或微分方式进行较为准确的调节，从而避免人为加减煤气流量而导致温度大起大落 的现象。由于焦炉火道温度经常会随一系列因素（比如装煤量和装煤水分、加热煤气热值、 空气过剩系数、检修时间等等）的变化而波动，因此，在串级控制基础上，如果现场具备煤 气热值仪和煤水分在线检查仪表装置情况，还可以将煤气热值和煤水分参数引入控制系统中 作为系统的前馈参数进行控制，效果会更好。控制原理图见图2所示。图2控制原理图4控制策略SIMATIC PCS7是西门子公司在TELEPERM系列集散系统和S5、S7系列可编程控制 器的基础上，结合先进的电子制造技术、网络通讯技术、图形及图像处理技术、冗余技术、 现场总线技术、计算机技术以及先进自动化控制技术开发的面向工业工艺过程控制应用场合 的新一代过程控制系统【1】。作为一个真正意义上的DCS系统，PCS7系统在连续过程变量 的处理和实现上体现出了其强大的功能，尤其是在处理连续过程变量控制以及进行复杂控制 方面表现出了较大的优势。根据焦炉生产中直行火道温度与流量（或者压力）之间的关系，焦炉火道温度控制系 统也就完全可以用PCS7系统中集成的PID控制器来实现其控制要求。从系统原理分析中可 以知道，炉温控制原理从结构上看其实就是一个串级调节系统，而串级系统其实就是一个双 回路闭环系统，实质上是把两个PID调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被控 量准确地保持为生产工艺要求的给定值。通常情况下串级系统副环的对象惯性小，工作频率 高，而主环惯性大，工作频率也低。基于此，为了提高系统的控制性能合品质，主副环的工 作频率应错开在相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象而破坏正常工作。串级控制系 统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象，可以起到改善对象特征的作用。除 了克服落在副环内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程，避免扰动的产生。PCS7环境下的串级控制回路由两个PID（FB61）控制器构成如图4所示，其中主回 路控制器接收焦炉直行火道温度（由于在技术上火道温度难以在线检测，根据焦炉蓄热室顶 部温度与火道温度存在着一定的数学关系，所以可以用蓄热室顶部温度通过拟合后得到的模 拟火道温度进行替代，这样就使难以在线测量的火道温度模拟为连续变化的过程参数参与到 串级控制系统中），其输出值送入副回路的外部给定设置点作为副回路的给定值；副回路接 受加热煤气流量（或者压力）和主回路的外部设定值，其输出值送入串级控制器的执行机构， 通过调节煤气管道上孔板的开度来达到调节火道温度的目的。主副调节控制器连接见图4。(1)(2)串接在过主、LLMGMAHTBC120JACCTRL PJB TBC1£O1AGmLKSFEKTUJCUQP IHTLlCf KANAUT L5J主回路DI V K 的PID的! 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