XMPA7000三沖量控制(模式2)PID參數(shù)現(xiàn)場整定培訓(xùn)教材
1. PID調(diào)節(jié)器的適用范圍
PID調(diào)節(jié)控制是一個(gè)傳統(tǒng)控制方法，它適用于溫度、壓力、流量、液位等幾乎所有現(xiàn)場，不同的現(xiàn)場，僅僅是PID參數(shù)應(yīng)設(shè)置不同，只要參數(shù)設(shè)置得當(dāng)均可以達(dá)到很好的效果。均可以達(dá)到0.1%，甚至更高的控制要求。
2. PID參數(shù)的意義和作用指標(biāo)分析
P、I、D： y=yP+yi+ yd
2.1. P參數(shù)設(shè)置
名稱：比例帶參數(shù)，單位為(%)。
比例作用定義：比例作用控制輸出的大小與誤差的大小成正比，當(dāng)誤差占量程的百分比達(dá)到P值時(shí)，比例作用的輸出=99%，這P就定義為比例帶參數(shù)。即
yp= ×99% = ×99% = Kp · Err (1)
（其中：yP=KP·Δ、Δ=SP-PV，取0-99%）
KP=1/（FS·P）
也可以理解成，當(dāng)誤差達(dá)到量程乘以P(%)時(shí)，比例作用的輸出達(dá)99%。
例：對于量程為0-1300℃的溫控系統(tǒng)，當(dāng)P設(shè)置為10%時(shí)，F(xiàn)S乘以P等于130℃，說明當(dāng)誤差達(dá)到130℃時(shí)，比例作用的輸出等于99%，誤差每變化1℃，比例作用輸出變化0.79%，若需加大比例作用的調(diào)節(jié)能力，則需把P參數(shù)設(shè)置小些，或把量程設(shè)置小些。具體多少可依據(jù)上述方法進(jìn)行定量計(jì)算。
P=輸出全開值/FS·99%
P參數(shù)越小比例作用越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越快，消除誤差的能力越強(qiáng)。但實(shí)際系統(tǒng)是有慣性的，控制輸出變化后，實(shí)際PV值變化還需等待一段時(shí)間才會緩慢變化。由于實(shí)際系統(tǒng)是有慣性的，比例作用不宜太強(qiáng)，比例作用太強(qiáng)會引起系統(tǒng)振蕩不穩(wěn)定。P參數(shù)的大小應(yīng)在以上定量計(jì)算的基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)情況，現(xiàn)場調(diào)試決定，通常將P參數(shù)由大向小調(diào)，以能達(dá)到*快響應(yīng)又無超調(diào)(或無大的超調(diào))為*佳參數(shù)。
2.2. I參數(shù)設(shè)置
名稱：積分時(shí)間，單位為秒。
積分作用定義：對某一恒定的誤差進(jìn)行積分，令其積分“I"秒后，其積分輸出應(yīng)與比例作用等同，這I就定義為積分時(shí)間。即：
Ki∫I O Errdt = Ki · I · Err = Kp · Err (2 )
Ki = Kp /I (3 )
yi = Ki ∫t o Err (t)dt (4 )
為什么要引進(jìn)積分作用呢？
前面已經(jīng)分析過，比例作用的輸出與誤差的大小成正比，誤差越大，輸出越大，誤差越小，輸出越小，誤差為零，輸出為零。由于時(shí)輸出為零，因此比例調(diào)節(jié)不可能消除誤差，不可能使被控的PV值達(dá)到給定值。必須存在一個(gè)穩(wěn)定的誤差，以維持一個(gè)穩(wěn)定的輸出，才能使系統(tǒng)的PV值保持穩(wěn)定。這就是通常所說的比例作用是有差調(diào)節(jié)，是有靜差的，加強(qiáng)比例作用只能減少靜差，不能消除靜差(靜差：即靜態(tài)誤差，也稱穩(wěn)態(tài)誤差)。
為了消除靜差必須引入積分作用，積分作用可以消除靜差，以使被控的PV值*后與給定值一致。引進(jìn)積分作用的目的也就是為了消除靜差，使PV值達(dá)到給定值，并保持一致。
積分作用消除靜差的原理是，只要有誤差存在，就對誤差進(jìn)行積分，使輸出繼續(xù)增大或減小，一直到誤差為零，積分停止，輸出不再變化，系統(tǒng)的PV值保持穩(wěn)定，PV值等于SP值，達(dá)到無差調(diào)節(jié)的效果。
但由于實(shí)際系統(tǒng)是有慣性的，輸出變化后，PV值不會馬上變化，須等待一段時(shí)間才緩慢變化，因此積分的快慢必須與實(shí)際系統(tǒng)的慣性相匹配，慣性大、積分作用就應(yīng)該弱，積分時(shí)間I就應(yīng)該大些，反之而然。如果積分作用太強(qiáng)，積分輸出變化過快，就會引起積分過頭的現(xiàn)象，產(chǎn)生積分超調(diào)和振蕩。通常I參數(shù)也是由大往小調(diào)，即積分作用由小往大調(diào)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)以能達(dá)到快速消除誤差，達(dá)到給定值，又不引起振蕩為準(zhǔn)。
3. D參數(shù)設(shè)置
名稱：微分時(shí)間，單位為秒
定義：D是指微分作用的持續(xù)時(shí)間，是指從微分作用產(chǎn)生時(shí)刻起到微分作用衰減到零(接近零)所花的時(shí)間。如下圖所示。
為什么要引進(jìn)微分作用呢？
前面已經(jīng)分析過，不論比例調(diào)節(jié)作用，還是積分調(diào)節(jié)作用都是建立在產(chǎn)生誤差后才進(jìn)行調(diào)節(jié)以消除誤差，都是事后調(diào)節(jié)，因此這種調(diào)節(jié)對穩(wěn)態(tài)來說是無差的，對動(dòng)態(tài)來說肯定是有差的，因?yàn)閷τ谪?fù)載變化或給定值變化所產(chǎn)生的擾動(dòng)，必須等待產(chǎn)生誤差以后，然后再來慢慢調(diào)節(jié)予以消除。
但一般的控制系統(tǒng)，不僅對穩(wěn)定控制有要求，而且對動(dòng)態(tài)指標(biāo)也有要求，通常都要求負(fù)載變化或給定調(diào)整等引起擾動(dòng)后，恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的速度要快，因此光有比例和積分調(diào)節(jié)作用還不能滿足要求，必須引入微分作用。比例作用和積分作用是事后調(diào)節(jié)(即發(fā)生誤差后才進(jìn)行調(diào)節(jié))，而微分作用則是事前預(yù)防控制，即一發(fā)現(xiàn)PV有變大或變小的趨勢，馬上就輸出一個(gè)阻止其變化的控制信號，以防止出現(xiàn)過沖或超調(diào)等。
D越大，微分作用越強(qiáng)，D越小，微分作用越弱。系統(tǒng)調(diào)試時(shí)通常把D從小往大調(diào)，具體參數(shù)由試驗(yàn)決定。
如：由于給定值調(diào)整或負(fù)載擾動(dòng)引起PV變化，比例作用和微分作用一定等到PV值變化后才進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且誤差小時(shí)，產(chǎn)生的比例和積分調(diào)節(jié)作用也小，糾正誤差的能力也小，誤差大時(shí)，產(chǎn)生的比例和積分作用才增大。因?yàn)槭鞘潞笳{(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)指標(biāo)不會很理想。而微分作用可以在產(chǎn)生誤差之前一發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)生誤差的趨勢就開始調(diào)節(jié)，是提前控制，所以及時(shí)性更好，可以*大限度地減少動(dòng)態(tài)誤差，使整體效果更好。但微分作用只能作為比例和積分控制的一種補(bǔ)充，不能起主導(dǎo)作用，微分作用不能太強(qiáng)，太強(qiáng)也會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生振蕩，微分作用只能在P和I調(diào)好后再由小往大調(diào)，一點(diǎn)一點(diǎn)試著加上去。
4. PID綜合調(diào)試
比例作用，積分作用和微分作用的關(guān)系是：比例作用是主要調(diào)節(jié)作用，起主導(dǎo)作用。
積分作用是輔助調(diào)節(jié)作用；微分作用是補(bǔ)償作用。
在實(shí)際調(diào)試時(shí)可按以下步驟進(jìn)行。
1) 關(guān)掉積分作用和微分作用，先調(diào)P。即令I(lǐng)>3600秒，D = 0秒，將P由大往小調(diào)以達(dá)到能快速響應(yīng)，又不產(chǎn)生振蕩為好。并需結(jié)合量程進(jìn)行定量估算。
2) P調(diào)好后再調(diào)I，I由大往小調(diào)，以能快速響應(yīng)，消除靜差，又不產(chǎn)生超調(diào)為好，或有少量超調(diào)也可以。I應(yīng)考慮與系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)相匹配。一般I值和慣性時(shí)間差不多。
3) P、I調(diào)好后，再調(diào)D。一般的系統(tǒng)D =0，1或2。只有部分滯后較大的系統(tǒng)，D值才可能調(diào)大些。
4) PID參數(shù)修改后，可以少量修改給定值，觀察系統(tǒng)的跟蹤響應(yīng)，以判斷PID參數(shù)是否合適。
5) P值太小，I值太小或D值太大均會引起系統(tǒng)超調(diào)振蕩。
6) 對于個(gè)別系統(tǒng)，如加溫快降溫慢，或升壓快降壓慢，或液位升得快降得慢等不平衡系統(tǒng)是很難控制的，更難兼顧動(dòng)態(tài)指標(biāo)，只能將P調(diào)大些，I值也調(diào)大些，犧牲動(dòng)態(tài)指標(biāo)來保證穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。這是由系統(tǒng)的不可控制特性所決定的，而與PID調(diào)節(jié)器的性能無關(guān)。
5、三沖量控制使用范例：
假設(shè)： 一個(gè)75 t/h鍋爐,汽包水位采用帶前饋三沖量控制。
蒸汽流量 : 4 ~ 20mA信號對應(yīng) 0 ~ 100 t/h
給水流量 : 4 ~ 20mA信號對應(yīng) 0 ~ 100 t/h
汽包水位 : 4 ~ 20mA信號對應(yīng) -300 ~ 300 mm
5.1
5.1.1 按這種情況，選用模式2。
5.1.2 在這種模式下IN5不用，將IN5分度號設(shè)為0~10mA，接線端子可空著。
5.1.3 將汽包水位信號接到IN1，給水流量信號接到IN2，蒸汽流量信號接到IN3。
5.1.4 輸出接后備操作器。DI1接操作器手動(dòng)狀態(tài)繼電器輸出信號，IN4接操作器閥位反饋輸出信號。用于后備操作器的手/自動(dòng)無擾切換。
5.2 儀表接線：
汽包水位 : 4 ~ 20mA信號，接3,4端子。
給水流量 : 4 ~ 20mA信號，接7、8端子。
蒸汽流量 : 4 ~ 20mA信號，接10、13端子。
控制輸出 ： 4 ~ 20mA信號，接18、19端子
5.3 儀表菜單設(shè)置：
5.3.1 在模式選擇菜單中，將模式設(shè)為2(見C. 模式參數(shù)設(shè)置)。
5.3.2 在控制參數(shù)菜單中，將PID1的前饋系數(shù)及前饋偏值設(shè)為0(見B.控制參數(shù)設(shè)置框圖)。
5.3.3 在量程設(shè)置菜單中，
將 IN1 分度號設(shè)為4~20mA，量程下限設(shè)為-300，量程上限設(shè)為300。
將 IN2 分度號設(shè)為4~20mA，量程下限設(shè)為0，量程上限設(shè)為100.0。
將 IN3 分度號設(shè)為4~20mA，量程下限設(shè)為0，量程上限設(shè)為100.0。
5.4 儀表參數(shù)設(shè)置：
5.4.1 PID參數(shù)人工整定。(注意事項(xiàng)：在調(diào)試過程中，出現(xiàn)汽包水位偏離正常值過多時(shí)，應(yīng)先用手動(dòng)改變輸出使汽包水位恢復(fù)正常值，以免影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。)
a. 手動(dòng)調(diào)整后備操作器輸出使系統(tǒng)大致穩(wěn)定，觀察此時(shí)閥門開度值mv與給水流量值。
b. 按LOOP鍵，使L1燈亮，L2燈滅(切換到顯示回路1)，按A/M鍵，使MAN1燈亮，再把附屏顯示設(shè)為顯示PID1控制輸出（E. 附屏設(shè)置），按Ñ或D鍵使PID1控制輸出為mv值。
c. 按LOOP鍵，使L1燈滅，L2燈亮(切換到顯示回路2)。
d. 按A/M鍵，使MAN2燈亮，按Ñ或D鍵使PID2控制輸出為mv值，待給水流量值穩(wěn)定后。
e. 調(diào)整PID2的P、I、D三個(gè)參數(shù)(在調(diào)節(jié)流量/壓力/液位時(shí)通常D參數(shù)設(shè)為0)；當(dāng)調(diào)整了P或I的參數(shù)后需要觀察PID參數(shù)是否適當(dāng)時(shí)，按A/M鍵，MAN2燈滅，在工作態(tài)，再按下LOOP鍵使L1燈亮，L2燈滅(切換到顯示回路1)，按Ñ或D鍵改變PID1控制輸出值(給水流量給定值)，看給水流量是否能夠快速跟蹤到PID1的控制輸出值(給水流量給定值)，并且沒有超調(diào)過大及振蕩現(xiàn)象。
f. 若有上述現(xiàn)象則重復(fù)d. e.步驟重新調(diào)整PI參數(shù)，直致能夠快速穩(wěn)定地到給定值。
g. 按LOOP鍵，使L1燈滅，L2燈亮(切換到顯示回路2)。 按A/M鍵，使MAN2燈亮，按Ñ或D鍵使PID2控制輸出為mv值，待給水流量值穩(wěn)定后。
h. 調(diào)整PID1的P、I、D三個(gè)參數(shù)(在調(diào)節(jié)流量/壓力/液位時(shí)通常D參數(shù)設(shè)為0)；當(dāng)調(diào)整了P或I的參數(shù)后需要觀察PID參數(shù)是否適當(dāng)時(shí)，按A/M鍵，MAN2燈滅，在工作態(tài)，再按下LOOP鍵使L1燈亮，L2燈滅(切換到顯示回路1)，按A/M鍵，使MAN1燈滅，進(jìn)入工作態(tài)，按Ñ或D鍵改變PID1給定輸出值(汽包水位給定值)，看汽包水位否能夠快速跟蹤到PID1的給定值，并且沒有超調(diào)過大及振蕩現(xiàn)象。
i. 若有上述現(xiàn)象則重復(fù)g. h.步驟重新調(diào)整PI參數(shù)，直致能夠快速穩(wěn)定地到給定值。
j. 按下LOOP鍵使L1燈亮，L2燈滅(切換到顯示回路1)。
5.4.2 蒸汽流量前饋加法整定： 將附屏設(shè)為In3（詳見E.附屏顯示設(shè)置），系統(tǒng)投運(yùn)在正常額定負(fù)載下，系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，讀出附屏前饋輸入值(即蒸汽流量值)，假設(shè)為75.0，計(jì)算出此時(shí)前饋量百分比值FFS=75.0/(100.0-0)=75%,設(shè)計(jì)前饋輸入擾動(dòng)(根據(jù)現(xiàn)場情況判定) =15%，前饋加法作用(經(jīng)驗(yàn)值、在三沖量控制時(shí)取值較小) =10%。前饋系數(shù)FFS.K=10%/15%=0.67，前饋偏值FFS.B=-FFS.K*FFS=-0.67*75%=-50.25%。
則在控制參數(shù)菜單中，將PID1的前饋系數(shù)FFS.K設(shè)置為0.67，前饋偏值FFS.B設(shè)為-50.3。
附錄：自備電廠20T煤氣鍋爐三沖量調(diào)試有感：
觀察在手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，負(fù)荷（蒸汽流量）值，以及給水流量的值，一般情況下，常用蒸汽流量值作為一個(gè)參照數(shù)（如在本例調(diào)試中為40T）；此時(shí)將手操器打到手動(dòng)，回路2打到自動(dòng)，回路1打到手動(dòng)，并將回路1的手動(dòng)輸出調(diào)到40%（對應(yīng)0－100T的量程，即為常用流量40T）
此時(shí)調(diào)整回路2的PID參數(shù)，將手操器打到自動(dòng)，觀察調(diào)節(jié)效果，注意：為觀察調(diào)節(jié)效果而進(jìn)行的人為給定（即回路1的輸出）的擾動(dòng)*好在20%范圍內(nèi)，以免造成劇烈振蕩；同時(shí)還應(yīng)該注意兼顧此時(shí)的液位值應(yīng)該在允許范圍內(nèi)，若液位值偏高，則將給水流量的給定值（即回路1的輸出）調(diào)到小于蒸汽流量值（具體值，根據(jù)液位偏高的程度越大，給水流量的給定值就應(yīng)該越小）。
若回路2的PID參數(shù)能作到振蕩幅度較小，并在2分鐘內(nèi)趨于穩(wěn)定則認(rèn)為參數(shù)基本適合，一般P＝（50～200）；I＝（10～80），D＝0；
在調(diào)整回路2的PID參數(shù)時(shí)還要注意：若輸出值變化過快會導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻繁，發(fā)熱，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)觸發(fā)自保護(hù)，不動(dòng)作了。出現(xiàn)這種情況，可暫停調(diào)試，將手操器打到手動(dòng)。此時(shí)，給水用旁通閥，加大流量，用停給水泵下調(diào)液位，以保證生產(chǎn)正常運(yùn)行。
因此，回路2 的輸出閥位變化率應(yīng)調(diào)到3%以下。
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