粉狀物料計(jì)量的PID控制

劉坤

【摘 要】傳統(tǒng)的PID控制也存在許多不足，最突出的一點(diǎn)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(biāo)某一個(gè)方面的要求。在設(shè)計(jì)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(gè)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。

【關(guān)鍵詞】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(shí)現(xiàn)煤粉計(jì)量系統(tǒng)，提高計(jì)量設(shè)備的穩(wěn)定性。

通過的SPU對(duì)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(hào)，毫伏變送器將稱重信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)送給PLC進(jìn)行處理。在系統(tǒng)中皮轉(zhuǎn)子秤運(yùn)轉(zhuǎn)速度由置于電機(jī)上的接近開關(guān)直接測(cè)定，作速度反饋信號(hào)送給PLC。在運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子秤一轉(zhuǎn)，其運(yùn)轉(zhuǎn)繼電器吸合，PLC便將稱重信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換與預(yù)置速度相乘，然后對(duì)時(shí)間積分，求出物料流量，并將求出的瞬時(shí)值與DCS給定值進(jìn)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(jī)的速度，來達(dá)到穩(wěn)定物料的要求

工業(yè)生產(chǎn)過程中不可預(yù)測(cè)的干擾很多。若只有一組固定的參數(shù)，要滿足各種負(fù)荷或干擾時(shí)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(shí)，能及時(shí)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(duì)某些控制回路根據(jù)負(fù)荷不同，采用幾組不同的 ， ， 參數(shù)，以提高控制質(zhì)量。

（2）時(shí)序控制：按照一定的時(shí)間順序采用不同的給定值和 ， ， 參數(shù)。

（3）人工模型：模擬現(xiàn)場(chǎng)操作人員的操作方法，把操作經(jīng)驗(yàn)編制成程序，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)改變給定值或 ， ， 參數(shù)。

（4）自尋最優(yōu)：編制自動(dòng)尋優(yōu)程序，一旦工況變化，控制性能變壞，計(jì)算機(jī)執(zhí)行自動(dòng)尋優(yōu)程序，自動(dòng)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(gè)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(duì)煤粉物料的特性，系統(tǒng)軟件采用了預(yù)置控制加前饋?zhàn)赃m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(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)初步預(yù)給料，再通過設(shè)定荷重與檢測(cè)荷重的差值來調(diào)節(jié)喂料機(jī)，同時(shí)對(duì)喂料機(jī)的調(diào)節(jié)加約束條件，保證轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的負(fù)荷維持在設(shè)定的相應(yīng)水平，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定喂料；通過設(shè)定流量與檢測(cè)流量的差值來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子秤，從而實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量。

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(shí)間的選擇、步長(zhǎng)的選擇、PID參數(shù)的優(yōu)化等。在調(diào)節(jié)時(shí)間上選擇外環(huán)時(shí)間T大于內(nèi)環(huán)時(shí)間T的3倍，步長(zhǎng)上選擇分段可變步長(zhǎng)，pid參數(shù)的整定上選擇具有控制參數(shù)收斂快，計(jì)算工作量相對(duì)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(dòng)態(tài)性能，又能反映穩(wěn)態(tài)特性[39]。

作為性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，將之離散化可得

在采樣周期T固定時(shí)，T2為常量，上式可簡(jiǎn)化為

對(duì)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(diǎn)。

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(duì)于流量環(huán)的擾動(dòng)；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(duì)預(yù)給料機(jī)加了前饋，從而能有效抑制系統(tǒng)擾動(dòng)特別是倉(cāng)內(nèi)煤粉流態(tài)改變導(dǎo)致的下料擾動(dòng)。

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(jìn)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(shì)：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(shì)：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(shí)調(diào)節(jié)。

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

荷重檢測(cè)：檢測(cè)顯示秤稱量段上物料量。

掛碼重量：做滿點(diǎn)標(biāo)定時(shí)，所掛砝碼重量。

零點(diǎn)參數(shù)：在靜態(tài)掛碼標(biāo)定時(shí)，在秤轉(zhuǎn)空情況下，所檢測(cè)到的采樣數(shù)據(jù)，與標(biāo)定滿點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，一般做完零點(diǎn)標(biāo)定，需要做滿點(diǎn)標(biāo)定。

滿點(diǎn)參數(shù)：在靜態(tài)掛碼標(biāo)定時(shí)，在秤轉(zhuǎn)空情況下，掛一定量砝碼后檢測(cè)到的采樣數(shù)據(jù)，與零點(diǎn)標(biāo)定相對(duì)應(yīng)。

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

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

在線動(dòng)態(tài)標(biāo)定：在倉(cāng)很準(zhǔn)的情況下，停止向倉(cāng)內(nèi)進(jìn)料，在某一時(shí)間段，用倉(cāng)重來標(biāo)秤過程。使秤上累計(jì)與倉(cāng)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)流量|>[流量偏差]時(shí)，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(shí)流量|小于[流量參數(shù)]時(shí)，皮帶秤在[流量延時(shí)]時(shí)間內(nèi)不調(diào)節(jié)，專門調(diào)節(jié)皮帶秤秤的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)。同時(shí)，閥門在[荷重延時(shí)]時(shí)間內(nèi)不調(diào)節(jié)。以上兩個(gè)延時(shí)單位為100MS。

喂料機(jī)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(jī)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(jī)的物料RWF轉(zhuǎn)子秤能夠走掉，不堵料。

參考文獻(xiàn)：

[1] 白志剛.自動(dòng)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(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1994（02）.

[3] 貢獻(xiàn).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(guó)棟.工業(yè)控制系統(tǒng)電源自動(dòng)監(jiān)控電路的實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)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(jī)車技術(shù)，2002（S1）.