基于繼電反饋自整定PID控制器的應用探究

劉學

摘 要 PID控制器是隨著工業(yè)生產的發(fā)展而產生和發(fā)展起來的，相比于直接作用式調節(jié)器具有更好的控制效果，在工業(yè)自動化領域得到了非常廣泛的應用。但是，常規(guī)的PID參數(shù)的整定都是由人工完成的，存在著許多的缺點和不足，單純依靠人工整定是無法克服的。對此，相關技術人員在不斷的研究中，提出了基于繼電反饋的PID控制器參數(shù)自整定技術，有效克服了人工整定的缺陷，在實際應用中取得了顯著的成效。

關鍵詞 繼電反饋；自整定；PID控制器；應用

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）23-0017-02

在全球經濟一體化的背景下，制造行業(yè)和過程工業(yè)正面臨著重大的調整，快速變化的經濟環(huán)境、更加嚴格的環(huán)保要求、高度集成的過程以及更加靈活的產品，對工業(yè)控制技術提出了更高的要求。因此，在激烈的市場競爭中，對現(xiàn)有工業(yè)控制技術的改進和革新，可以說是提升工業(yè)過程經濟競爭力的有效手段。隨著科學技術的發(fā)展，各種新的控制理論、控制器、執(zhí)行器等得到了發(fā)展和普及。相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在現(xiàn)今使用的控制技術中，PID控制技術占據(jù)了90%以上的比例，憑借自身算法簡單、可靠性高、魯棒性好等優(yōu)勢，在社會經濟的發(fā)展中發(fā)揮著至關重要的作用。但是從實際應用角度看，在使用PID控制器進行調節(jié)和控制的過程中，很容易受到各種因素的影響，從而使得控制效果難以達到最佳化。對此，相關學者加強了分析和研究，提出了基于相角裕度和幅值裕度、基于魯棒性能的自整定PID方法，但是這些方法同樣存在相應的缺陷。本文結合相關理論和思想，提出了一種基于自整定PID的改進后的繼電反饋方法，并對其實際應用情況進行了分析和探討，實踐證明，該方法具有良好的可行性，取得了顯著的成效。

1 PID控制器概述

PID控制器，即Proportion Integration Differentiation，比例-積分-微分控制器，主要由比例單元P、積分單元I以及微分單元D組成，是一種在工業(yè)控制領域中應用非常廣泛的反饋回路部件。在工業(yè)生產過程中，為了滿足生產工業(yè)的要求，確保產品的生產質量和生產效率，往往要求將生產裝置的溫度、壓力、流量和液位等工藝變量控制在一定的數(shù)值范圍內，或者按照一定的規(guī)律變化。PID控制器主要是依據(jù)PID控制原理，對整個控制系統(tǒng)進行相應的偏差調節(jié)，使得被控變量的實際值與工藝要求的預定值保持一致。需要注意的是，對于不同的生產過程，適用的控制規(guī)律也存在很大的區(qū)別，需要進行合理選擇，以確保PID控制器功能的有效發(fā)揮。

PID控制器在工業(yè)自動化領域發(fā)揮著極其重要的作用，在當前許多企業(yè)中，PID控制器以及相應的智能PID控制儀表已經在工程實際中得到了非常廣泛的應用，在市場中，也出現(xiàn)了多樣化的PID控制產品，可以有效滿足不同用戶的實際需求。不僅如此，許多企業(yè)也都認識到了PID控制的優(yōu)勢，自主研發(fā)了具備PID參數(shù)自整定功能的智能調節(jié)器，以實現(xiàn)對于PID控制器參數(shù)的自動調節(jié)。在實際應用中，PID控制器得到了非常廣泛的應用，雖然其主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，而許多工業(yè)過程都是非線性或者時變的，但是通過相應的簡化，同樣可以實現(xiàn)PID控制。同時，PID控制器的參數(shù)整定相對簡單，可以根據(jù)實際需求，對控制器的相關參數(shù)進行重新整定。

2 基于繼電反饋自整定PID控制器的應用

自整定PID控制器與傳統(tǒng)PID控制器相比，主要是應用自動化智能化技術，實現(xiàn)了控制器參數(shù)的自動化整定，不需要人為干預，在接收到用戶命令后，就可以啟動自整定過程。由自整定PID控制器的控制理論和控制方法，大體上可以將其分為基于模型的方法和基于規(guī)則的方法兩種不同的類型，以當前市場中的相關產品為例，基于模型的PID控制器的典型代表是Alfa Laval Automation ECA400，在調整中也涉及到了繼電反饋的相關理論；基于規(guī)則的PID控制器的典型代表是Foxboro EXACT（760/761），其在調整中同樣涉及到了模式識別技術等。本文提出的是一種基于繼電反饋的自整定PID控制器，是對傳統(tǒng)繼電反饋方法的改進和創(chuàng)新，能夠有效彌補傳統(tǒng)方法的不足和缺陷，其主要優(yōu)點在于：

1）由于在繼電環(huán)節(jié)中加入了比例積分控制器，與傳統(tǒng)的繼電自整定方法相比，可以更加準確的對臨界值和臨界頻率進行估計；

2）當存在穩(wěn)態(tài)負載擾動時，可以給出一個對稱平滑的極限環(huán)輸出；

3）參數(shù)調整更加簡單便捷。

傳統(tǒng)的繼電反饋控制系統(tǒng)結構如下。

在控制系統(tǒng)中，設置有測試模態(tài)和調節(jié)模態(tài)，測試模態(tài)下，由一個繼電環(huán)節(jié)測試系統(tǒng)的幅值和震蕩頻率，獲得系統(tǒng)的頻域信息或者近似的模型結構；在調節(jié)模態(tài)下，根據(jù)獲得的系統(tǒng)信息，結合選定的控制策略，可以得到控制器的參數(shù)，而如果系統(tǒng)的測試條件出現(xiàn)變化，則需要返回到測試模態(tài)進行測試，然后在回到調節(jié)模態(tài)。

但是在實際應用中，傳統(tǒng)的繼電反饋控制雖然有著比較明顯的優(yōu)勢，但是對于繼電環(huán)節(jié)延遲時間的確定卻比較麻煩，需要通過多次繼電測試才能實現(xiàn)。因此，本文在其基礎上，結合相關理論和技術，對傳統(tǒng)的繼電反饋自整定方法進行了相應的改進，改進后的繼電反饋自整定方法如下。

本文以某造紙廠熱泵供汽控制為例，對基于繼電反饋自整定PID控制器的應用進行分析和討論。

對于造紙廠的生產過程而言，生產處的紙張往往都會含有一定的水分，需要利用烘缸設備，將水分蒸干，以保證紙張的質量。在整個生產過程中，要想保證生產的質量和效率，就必須保證對紙張中水分的有效控制。而從系統(tǒng)控制的核心來看，主要是對烘缸溫度曲線的有效調節(jié)和控制，確保烘缸溫度的合理性。從該工廠中世紀使用的熱泵供汽熱力系統(tǒng)分析，包括有烘缸組補汽壓力控制和吹貫蒸汽差壓控制兩個閉環(huán)回路。在這兩個閉環(huán)控制回路中，采用常規(guī)的PID控制，而在對熱泵的開度進行控制時，采用的是低選控制，也就是選擇PID理論輸出最小值，并將這個最小值擴大二倍，用作熱泵閥門的開度數(shù)值，輸入到熱泵控制回路中。對于PID控制器參數(shù)的整定和調節(jié)，一般會采用經驗參數(shù)法，可以在保證參數(shù)調節(jié)精度和準度的同時，適當提升調節(jié)的效率。在實際生產中，如果紙種變化頻繁，對于PID控制器的參數(shù)會提出不同的要求，為了保證生產的質量和效率，往往需要安排經驗豐富的工程人員，對PID控制器的參數(shù)進行不間斷調整，而在調整的過程中，會對熱泵的運行造成一定的影響，很容易引起烘缸積水，進而導致電能的大量浪費。endprint

因此，在實際生產中，采用了改進后的繼電反饋自整定控制算法，利用SMENS編程軟件中自帶的PID模塊，結合STL語言編程算法，可以有效實現(xiàn)熱泵供汽的PID參數(shù)在線自整定功能。同時，利用MATLAB中的SMULINK仿真工具，可以得到整定后的控制器參數(shù)。例如，對于供汽控制對象，如果將積分時間常數(shù)設置為20，繼電環(huán)節(jié)的幅值為0.5，則整定后的控制器參數(shù)為：

與傳統(tǒng)繼電反饋自整定方法相比，本文提到的方法對于現(xiàn)場對象的抗干擾能力更強，模型的適應能力也更好，因此其應用范圍相對廣泛，可以在比較復雜和惡劣的環(huán)境中，發(fā)揮出應有的作用和效果。

為了保證PID控制器參數(shù)整定的可靠性，避免整定過程中烘缸壓力出現(xiàn)較大的波動，相關技術人員結合實際情況，編制了相應的手自動無擾動切換程序，可以實現(xiàn)手動與自動整定的隨意切換，在由手動整定切換為自動整定的過程中，應該將當前的手動值作為自動整定的設定值；在由自動整定切換為手動整定的過程中，則保持當前的設定值不變。整定完畢后，PID參數(shù)更改為最新參數(shù)。

3 結束語

本文結合PID控制器自整定的研究和發(fā)展，提出了一種相對簡單的、基于繼電反饋自整定的PID控制器。改進后，PID控制器不僅能夠實現(xiàn)自整定，而且可以在存在穩(wěn)態(tài)負載擾動和測量噪聲的情況下，保持極限環(huán)輸出的對稱平滑。同時，這種方法對于過程對象沒有任何關于階次、自然阻尼或者延遲時間方面的要求，同時輸出超調相對較小，上升的時間也比較短。在紙機的熱泵供汽控制回路中，應用這種改進后的方法，可以實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自整定功能，從而有效的縮短了開機調節(jié)時間，具備良好的控制性能。

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