劉坤

（南京帝斯曼東方化工有限公司，江蘇南京 210048）

粉狀物料計量的PID控制

劉坤

（南京帝斯曼東方化工有限公司，江蘇南京 210048）

傳統(tǒng)的PID控制也存在許多不足，最突出的一點就是有關(guān)PID參數(shù)的問題。首先，傳統(tǒng)PID無自適應(yīng)能力。其次傳統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)只能整定為滿足生產(chǎn)過程控制目標某一個方面的要求。在設(shè)計控制系統(tǒng)的過程中人們主要關(guān)心的問題是“設(shè)定值跟蹤特性”和“干擾抑制特性”。而傳統(tǒng)的PID控制器，只能通過整定一組PID參數(shù)來滿足一個方面的要求。因此常常采用折中的辦法整定控制器參數(shù)，這樣得到的控制效果顯然不是最佳的。

PID調(diào)節(jié)算法 雙環(huán)調(diào)節(jié) PI調(diào)節(jié)

下面是通過PLC內(nèi)置模塊中的帶死區(qū)PID調(diào)節(jié)算法實現(xiàn)煤粉計量系統(tǒng)，提高計量設(shè)備的穩(wěn)定性。

通過的SPU對稱重傳感器提供高精度10VDC電源，經(jīng)稱重傳感器產(chǎn)生0-20mA壓差信號，毫伏變送器將稱重信號轉(zhuǎn)換為4-20mA標準電流信號送給PLC進行處理。在系統(tǒng)中皮轉(zhuǎn)子秤運轉(zhuǎn)速度由置于電機上的接近開關(guān)直接測定，作速度反饋信號送給PLC。在運行中，轉(zhuǎn)子秤一轉(zhuǎn)，其運轉(zhuǎn)繼電器吸合，PLC便將稱重信號進行A/D轉(zhuǎn)換與預(yù)置速度相乘，然后對時間積分，求出物料流量，并將求出的瞬時值與DCS給定值進行比較，再通過PLC里的帶死區(qū)的PI調(diào)節(jié)由變頻器控制的電機的速度，來達到穩(wěn)定物料的要求

工業(yè)生產(chǎn)過程中不可預(yù)測的干擾很多。若只有一組固定的參數(shù)，要滿足各種負荷或干擾時的控制性能的要求是困難的，因此必須設(shè)置多組PID參數(shù)。當(dāng)工況發(fā)生變化時，能及時改變PID參數(shù)以與其相適應(yīng)，使過程控制性能最佳。目前使用的有如下幾種形式：

（1）對某些控制回路根據(jù)負荷不同，采用幾組不同的Kp，Ti，Td參數(shù)，以提高控制質(zhì)量。

（2）時序控制：按照一定的時間順序采用不同的給定值和Kp， Ti，Td參數(shù)。

（3）人工模型：模擬現(xiàn)場操作人員的操作方法，把操作經(jīng)驗編制成程序，然后由計算機自動改變給定值或Kp，Ti，Td參數(shù)。

（4）自尋最優(yōu)：編制自動尋優(yōu)程序，一旦工況變化，控制性能變壞，計算機執(zhí)行自動尋優(yōu)程序，自動尋找合適的PID參數(shù)，保持系統(tǒng)的性能處于良好的狀態(tài)。

本系統(tǒng)是一個多變量、多回路的滯后系統(tǒng)，用常規(guī)的PID控制很難獲得良好的控制性能。在控制方式上，針對煤粉物料的特性，系統(tǒng)軟件采用了預(yù)置控制加前饋自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)的方式。首先，根據(jù)設(shè)定流量預(yù)置喂料機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)初步預(yù)給料，再通過設(shè)定荷重與檢測荷重的差值來調(diào)節(jié)喂料機，同時對喂料機的調(diào)節(jié)加約束條件，保證轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的負荷維持在設(shè)定的相應(yīng)水平，從而實現(xiàn)穩(wěn)定喂料；通過設(shè)定流量與檢測流量的差值來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子秤，從而實現(xiàn)精確計量。

圖1 控制軟件示意圖

上述雙環(huán)調(diào)節(jié)既相互配合又相互影響，為了防止兩環(huán)振蕩，軟件上采取了一些特殊的措施，如調(diào)節(jié)時間的選擇、步長的選擇、PID參數(shù)的優(yōu)化等。在調(diào)節(jié)時間上選擇外環(huán)時間T大于內(nèi)環(huán)時間T的3倍，步長上選擇分段可變步長，pid參數(shù)的整定上選擇具有控制參數(shù)收斂快，計算工作量相對較小、使用的單純型加速法自適應(yīng)控制方式，它既能反映動態(tài)性能，又能反映穩(wěn)態(tài)特性。

作為性能指標的目標函數(shù)，將之離散化可得

在采樣周期T固定時，T2為常量，上式可簡化為

對于本系統(tǒng)，J是極值函數(shù)，最優(yōu)化理論表明：在經(jīng)過有限步搜索以后能夠找到極值點。

軟件框圖如圖1：

其中流量差值、流量差值變化率及荷重差值變化率決定流量環(huán)的自適應(yīng)PID，荷重差值變化率的引入有抑制系統(tǒng)對于流量環(huán)的擾動；荷重差值、荷重差值變化率及轉(zhuǎn)子秤轉(zhuǎn)速的變化率決定荷重環(huán)的自適應(yīng)PID，荷重差值變化率及轉(zhuǎn)子秤轉(zhuǎn)速的變化率的引入相當(dāng)于對預(yù)給料機加了前饋，從而能有效抑制系統(tǒng)擾動特別是倉內(nèi)煤粉流態(tài)改變導(dǎo)致的下料擾動。

系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置：

控制系統(tǒng)中控制參數(shù)的設(shè)置是系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)，可以保證系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，在煤粉定量給料控制系統(tǒng)中，主要設(shè)置的參數(shù)以及作用如下：

流量趨勢：用來觀察流量跟蹤的品質(zhì)，調(diào)節(jié)它可使流量跟蹤更穩(wěn)定。

荷重趨勢：用來觀察轉(zhuǎn)子秤荷重跟蹤的情況，調(diào)節(jié)它可使荷重更趨穩(wěn)定。

內(nèi)核參數(shù)：跟閘門調(diào)節(jié)有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)子秤荷重偏差大于5Kg時調(diào)節(jié)。

調(diào)節(jié)參數(shù)：主要是實現(xiàn)流量跟蹤控制過程。

……

……

荷重檢測：檢測顯示秤稱量段上物料量。

掛碼重量：做滿點標定時，所掛砝碼重量。

零點參數(shù)：在靜態(tài)掛碼標定時，在秤轉(zhuǎn)空情況下，所檢測到的采樣數(shù)據(jù)，與標定滿點相對應(yīng)，一般做完零點標定，需要做滿點標定。

滿點參數(shù)：在靜態(tài)掛碼標定時，在秤轉(zhuǎn)空情況下，掛一定量砝碼后檢測到的采樣數(shù)據(jù)，與零點標定相對應(yīng)。

皮重參數(shù)：在零點與滿點標定做完后，去除所有砝碼及標定桿，確保秤內(nèi)沒料，開啟皮帶秤后檢測到的采樣數(shù)據(jù)。

實物標定修正系數(shù)：在某一時間段，當(dāng)秤上的累計量值與實際下料量有偏差，需要改此參數(shù)修正。新的系數(shù)=（實際下料量/秤上累計量）*以前的系數(shù)。

在線動態(tài)標定：在倉很準的情況下，停止向倉內(nèi)進料，在某一時間段，用倉重來標秤過程。使秤上累計與倉物料減少相符。

荷重設(shè)定：反映秤上料層厚度。

比例系數(shù)：控制過程中的比例放大系數(shù)。

積分系數(shù)：控制過程中的時間滯后系數(shù)。

微分系數(shù)：控制過程中的超前調(diào)節(jié)系數(shù)。在皮帶秤秤參數(shù)中一般為零。

荷重參數(shù)： 當(dāng)荷重偏差大于5kg時，皮帶秤在調(diào)節(jié)周期內(nèi)調(diào)節(jié)一次，調(diào)節(jié)幅度為［荷重參數(shù)2］*15轉(zhuǎn)，當(dāng)荷重偏差大于10kg時，調(diào)節(jié)幅度為［荷重參數(shù)1］*15轉(zhuǎn)。

流量偏差：表示當(dāng)|設(shè)定值-瞬時流量|＞［流量偏差］時，預(yù)置閥門開度為［預(yù)置系數(shù)］*設(shè)定產(chǎn)量。

流量參數(shù)：當(dāng)|設(shè)定值-瞬時流量|小于［流量參數(shù)］時，皮帶秤在［流量延時］時間內(nèi)不調(diào)節(jié)，專門調(diào)節(jié)皮帶秤秤的動態(tài)平衡點。同時，閥門在［荷重延時］時間內(nèi)不調(diào)節(jié)。以上兩個延時單位為100MS。

喂料機上限差：是從當(dāng)前預(yù)置到調(diào)速上限之間的差值。喂料機下限差：是從當(dāng)前預(yù)置到調(diào)速下限之間的差值。流量平衡系數(shù)：確保FR喂料機的物料RW F轉(zhuǎn)子秤能夠走掉，不堵料。

［1］白志剛.自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)解析與PID整定.化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［2］呂劍虹，徐治皋，陳來九.適用于仿真工業(yè)控制系統(tǒng)的軟件包［J］.中國電機工程學(xué)報，1994（02）.

［3］貢獻.工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向［J］.電子儀器儀表用戶，1997（04）.

［4］崔少輝，韓國棟.工業(yè)控制系統(tǒng)電源自動監(jiān)控電路的實現(xiàn)［J］.機械與電子，1998（02）.

［5］肖勇.工業(yè)控制系統(tǒng)中串行通信的應(yīng)用［J］.電力機車技術(shù)，2002（S1）.