PID闭环调节控制（精选7篇）
PID闭环调节控制 第1篇
随着我国国民经济发展与人民生活水平的提高,国家对环境保护意识增加,在国内建立了越来越多的新型污水处理厂,而污水处理厂的关键设备离心机由于具有占用场地小,全封闭污染小,节电、省药、脱水效果好等优势,所以在应用上相当的广泛。离心机根据差速器使用方式的不同可分为:单电机机械差速驱动(通过更换小轴输入皮带轮调整差速,为固定的差速)、液压驱动(液压差速器,无级可调)、和双电机变频差速(主电机控制转鼓转速,副电机控制螺旋转速)[1]。液压差速器制造成本较高,但运行稳定,输出扭矩大;而机械差速在实际的使用中差速调整比较繁琐,仅适用于物料浓度稳定的分离工况,而双电机驱动离心机由于制造成本相对低廉,差速调整比较方便(主、副电机独立驱动),允许物料浓度在一定范围内自动调整差速,维持副电机扭矩恒定,有很好的推广应用价值。
离心脱水分离的关键指标是脱水污泥的干度和排放清液的回收率,通过PLC系统的PID闭环调节功能[2],使副电机的恒扭矩调控和离心机的差速控制调控使离心机始终运行在最佳工作状态,使双电机变频驱动的离心机的稳定性和分离性能得到明显提高。
本文就以HMI+PLC为核心的电气控制系统在双电机变频驱动离心机在恒扭矩的自动调控功能和恒差速的自动调控功能的实际应用为内容,重点介绍双电机驱动离心机的控制性能。
1工作原理
主电机控制离心机转鼓的转速,转鼓转速决定了离心机的分离因素,分离因素越高离心机的分离效果越好,在通常情况下离心机的转鼓转速是恒定的[3]。由于机械差速器的机械结构和推料螺旋的旋向,离心机设计的推料螺旋的速度比转鼓转速高,两者之差称为差速,一般离心机差速的调整范围为4-20 r/min差速左右,差速大小视物料含固率而定。在离心机分离因数一定的情况下,为了保证泥饼干度稳定,差速必须随分离物浓度的变化而改变,分离物浓度越低要求降低差速,差速越低,物料在腔体内的沉降时间就长,加大了泥饼干度;反之分离物浓度越高要求差速越大,物料在腔体内的沉降时间越短,降低了泥饼干度,最终效果使泥饼干度稳定。由于主电机转速是固定的,所以差速的调节完全由副电机完成。又由于差速器的输入轴和输出轴旋向相反,所以要增加差速,副机必须降低转速,即要求副机的转速趋向于零。为了解决交流异步电动机能在低速时输出扭矩小的问题,在实际应用中,副电机驱动变频器一般采用具有开环矢量功能的矢量型变频器来驱动,能较好地解决了副电机在低速时的力矩偏小的问题。离心机的恒差速调控和恒扭矩调控制在HMI上直接设定,其过程控制由PLC中逻辑完成,设备的启动、停止、离心机主要参数的监控及工艺参数及控制参数的设定根据设定的操作权限不同通过HMI进行设置和标定,HMI设置界面见图1。
图2是双电机变频驱动离心机系统图。机械差速器壳体直接和转鼓连接,使机械差速器的壳体与离心机的转鼓保持一致的速度,转鼓转速由主电机决定,离心机的副电机与机械差速器的输入小轴直接连接,差速器的输出轴带动推料螺旋旋转,离心机推料螺旋的差速是根据转鼓的速度和差速器小轴的速度的差值除以差速器的速比系数得到的。离心机转鼓转速(差速器壳体)用n1表示,离心机差速器小轴输入的速度用n2表示,差速器的速比用i表示,则离心机转鼓和推料螺旋的速差的为Δn=(n1-n2)/i,理论上差速Δn越小,物料沉降时间长,分离效果更好,但差速Δn小,由于制约于离心机副电机的输出力矩,所以需要对离心机的副电机的输出力矩进行调控,使离心机的在小差速下的运行更加的稳定可靠。
恒差速调控模式适用于进入离心机分离的物料含固率相对稳定。在该模式下,离心机的运行工况稳定(差速稳定),分离效果好,分离出的泥饼干度和清液的回收率等指标相对稳定。离心机转鼓转速和推料螺旋速度的测量,采用安装在差速器端和进料推料螺旋端的两个接近开关实测所得,可以真实有效的反映实际的速度,接近开关的脉冲输出信号直接接入到PLC的高速计速器输入通道,通过PLC的计算得出实际的转速和差速,差速作为PID的反馈量,同时差速实时地在HMI上显示。
恒差速的PID调控功能如下:
在HMI上直接设定差速值,一般差速设定范围为4-20 r/min,根据设定值与实测值的误差调整离心机副机变频器的输入模拟量,将误差减少,达到稳定差速的目的。实际差速(Δn)与设定值相比:差速(Δn)↓→PID控制量↑→离心机副电机变频器频率↓→离心机副电机转速↓→差速(Δn)↑,使误差趋于零;反之,差速(Δn)↑→PID控制量↓→离心机副电机变频器频率↑→离心机副电机转速↑→差速(Δn)↓,使误差趋于零。
恒扭矩调控模式适用于进入离心机分离的物料含固率浓度波动大的情况。在该模式下,离心机副电机的输出力矩恒定,控制系统更加的稳定,在浓度波动时,可以自动调整离心机副机的转速,调整差速,在恒扭矩下分离出的泥饼干度恒定。离心机副电机的实际力矩通过矢量变频器模拟量通道输出的转矩估算值接入到PLC的AI,其对应关系为-200%～+200%额定电机转矩对应4-20毫安信号,此信号作为PID的反馈量,同时实时扭矩值实时在HMI上显示。
恒扭矩的PID调控功能如下:
在HMI上直接设定扭矩值,扭矩设定范围30%～60%额定电机转矩,根据设定值与实测值的误差调整离心机副机变频器的输入模拟量,将扭矩误差减少,达到稳定输出电机转矩的目的。实际扭矩值(T)与设定值相比:扭矩T↑→PID控制量↓→离心机副电机频率↓→离心机副电机转速↓→差速(Δn)↑→扭矩T↓,扭矩误差趋向于零;扭矩T↓→PID控制量↑→离心机副电机频率↑→离心机副电机转速↑→差速(Δn)↓→扭矩T↑,扭矩误差趋向于零。
以上是定性分析,说明了调整过程,但实际系统是否稳定(不振荡),取决于PID对被控对象传递函数的校正是否到位,也就是取决于PID控制器系数和时间常数的选取[4]。
2PID控制的程序结构
在PID程序设计时,使用西门子STEP7软件中标准的FB41功能块,FB41,即连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量,逻辑框图见图3[5]。可以方便的完成程序的功能调用,其主要设置如下:
应在启动时执行的组织块OB100中和在定时循环中断OB(例如OB35)中调用SFB41。执行OB35的时间间隔(ms,即PID控制的采样周期Ts)在CPU属性设置对话框的循环中断选项卡中设置。
调用系统功能块应指定相应的背景数据块,例如CALL SFB41,DB30。
系统功能块的参数保存在背景数据块中,可以通过数据块的编号、偏移地址或符号地址来访问背景数据块。
SFB41是高度开放的功能块,在编写控制软件时可以充分发挥编程人员的想象力,把系统设计得更好。例如:在不进料的情况下,即使工作模式设置在恒扭矩状态,系统也不会进入闭环调节,而是自动进入开环模式;只有当工作模式设置在恒扭矩状态的同时并且进料,系统自动进入闭环调整。对于SFB41来说,可以利用手动控制位(MAN_ON)方便地从开环和闭环之间的切换,同时将副机开环频率信号由MAN送入,这样可以充分利用SFB41的输出上限(LMN_HLM)和输出下限(LMN_LLM)对控制信号规范。当然,开环和闭环的切换还必须考虑冲击问题,考虑到这点,在软件上很容易避免。
3结束语
离心脱水分离的关键指标脱水污泥的干度和排放清液的回收率,通过PID闭环调节系统使恒扭矩控制技术和恒差速控制技术的应用使离心机始终运行在最佳工作状态,根据扭矩波动自动调控离心机副机的速度使离心机在运行过程中扭矩不变,保证干泥的干度;根据差速的波动自动调节副机频率使离心机保持差速不变,从而更有利于清液回收率的稳定,使双变频驱动控制的离心机的分离性能得到提高,使离心机在稳定运行的条件下,并能发挥离心机的最大效率,使脱水污泥的干度和分离的清液的回收率能有一个更好的提高,具有很好的推广价值。
摘要：在双电机变频驱动卧螺离心机中,污泥的干度是关注的重点,以双电机变频驱动卧螺离心机为例,介绍如何利用PID控制技术对离心机的速度和力矩进行控制和调节,能较好地解决了污水浓度变化引起的泥饼干度不稳定,使控制精度大幅提高。系统具备恒差速和恒扭矩两种工作模式,较好地控制泥饼的干度和清液的回收率得到很好的提高,并使系统的稳定性能得到很大的改善。
关键词：离心机,闭环调节,恒差速,恒扭矩
参考文献
[1]陆中华,陆炯.一种上位机脱机后丢失历史数据恢复的方法[J].电气自动化,2010,32(4Z):9-11,14.
[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2010.
[3]施震荣.工业离心机选用手册[M].北京:化学工业出版社,1999.
[4]冯垛生,曾岳南.无速度传感器矢量控制原理与实践[M].北京:机械工业出版社,2006.
PID闭环调节控制 第2篇
安钢炼铁厂3#烧结机高频电源2012年5月投运, 面临极限电流的调整问题, 为了进一步提高电场收尘效率, 专门研制了一套电除尘器高频电源极限电流闭环控制专家管理系统, 在极限电流的控制方面采用新型PID闭环控制系统, 通过对电除尘器电场运行性能的跟踪, 实现对极限电流给定的自动调节功能。
1 电场运行特点
电除尘器在运行中, 随着流过每个电场含尘气体成分的变化, 电场始终存在一个动态最高二次电压, 又称临界击穿电压。该临界击穿电压随着含尘气体包含的成分、气体温度、气体湿度、气体风速、电场运行时间、阳极板上的积灰厚度以及振打状态时刻变化。一旦电场给定极限电流所产生的二次电压值高于临界击穿电压, 电场的稳定运行状态被打破, 电场将处于动荡变化状态, 电场的收尘效率将大大降低。
2 电场类型的分类
由于收尘种类、温度、风速不同, 电场运行特点各不相同, 根据各个电场运行二次电压、二次电流和火花率的不同, 可以分为电流型电场和电压型电场两种。当火花率=0, 给定极限电流=二次电流, 调节极限电流, 将出现三种结果:
(1) 当增大给定极限电流时, 给定极限电流≥二次电流, 火花率由=0变成>0;当减少给定极限电流时, 给定极限电流=二次电流, 火花率由>0变成=0。
(2) 当增大给定极限电流时, 给定极限电流=二次电流, 火花率=0;当减少给定极限电流时, 给定极限电流=二次电流, 火花率=0, 调节过程二次电压<二次电压额定值。
(3) 当增大给定极限电流时, 给定极限电流≥二次电流, 火花率=0, 二次电压=二次电压额定值;当减少给定极限电流时, 给定极限电流=二次电流, 火花率=0, 二次电压<二次电压额定值。
结果分析如下:
(1) 在火花率=0以前, 极限电流起控, 在火花率>0以后, 极限电流不起控, 称为电流型电场。
(2) 极限电流始终起控, 称为电流型电场。
(3) 在二次电压<二次电压额定值时, 极限电流起控, 在二次电压=二次电压额定值时, 极限电压起控, 称为电压型电场。
电场分类只是相对而言, 同一个电场, 随着负载的变化, 电流型电场和电压型电场可以相互转化。
3 电场获得最佳收尘效率的条件
在电场运行时, 给定某一极限电流, 电场处于最佳运行状态, 一旦条件变化, 电场的平衡状态被打破, 电场运行状态发生变化, 收尘效率将发生变化。实际运行中, 并不是每个电场的给定极限电流越大, 电场的运行效果越好。在给定极限电流, 必须考虑以下因素:
(1) 电场要获得最佳收尘效率, 必须提高电场的稳定性和电场运行时的二次电压。对于电流型电场, 应让电场运行在少火花率或无火花率状态, 即有火花率时, 调节给定极限电流, 让电场运行在少火花率状态;无火花率时, 调节给定极限电流, 尽可能提高电场的二次电压, 让电场运行少火花率状态。对于电压型电场, 应尽量让电场运行在最高二次电压状态。
(2) 电场要获得最佳收尘效率, 必须考虑前、后电场的相互抑制性。由于每个电场所收灰尘的种类、数量不同, 电场需要施加二次电压有所不同, 所给定极限电流应当有所不同。同时, 多个电场运行时, 前、后电场的电流互相抑制性, 必须统一考虑每个电场的给定极限电流, 确保前、后电场的给定极限电流不能相差太大。
(3) 对于电流型电场, 必须提供一个恰当的给定极限电流。对于电流型电场, 其伏安特性曲线上明显有一个拐点, 在拐点以下, 二次电压、电流同时呈显上升趋势, 火花率为零, 电场处于稳定状态;在拐点以上, 二次电压随着二次电流的上升反而下降, 火花率增多, 电场处于不稳定状态, 收尘效率反而下降。所以, 必须提供一个恰当的给定极限电流, 工作在拐点附近, 最好接近拐点以下。然而该拐点是动态变化的, 无确定的值, 靠人工无法解决该问题。
4 原系统控制系统
4.1 原控制系统方案
原控制系统由高压监控系统和高频电源组成。高压监控系统作为人机界面, 提供给定极限电流, 通过通信网络传送给高频电源控制系统, 高频电源控制系统按照厂家提供的“电流电压双值优先控制系统”运行, 实现给定极限电流的输出。
4.2 电流电压双值优先控制系统
由高压监控系统提供定极限电流, 高频电源控制系统负责输出, 让二次电流值始终向定极限电流靠拢, 在靠拢的过程中, 二次电流或二次电压谁最先达到定极限电流或极限电压, 谁优先起控。假设条件A:二次电流=给定极限电流;条件B:二次电压=极限电压。条件A和条件B, 谁的条件先满足, 谁优先起控, 条件A满足叫极限电流起控, 条件B满足叫极限电压起控。具体有以下情形:
(1) 二次电流值=给定极限电流, 极限电流起控。
(2) 二次电流值<给定极限电流, 二次电压值=极限电压, 极限电压起控。
(3) 二次电流值<给定极限电流, 二次电压值=临界击穿电压<极限电压场瞬间击穿, 产生火花放电。由于二次电流值达不到给定二次极限电流时, 控制系统处于一直调节状态, 电场始终处于波动状态, 电场收尘效率下降, 不仅造成电能浪费, 而且会对控制系统电子元件造成伤害。
4.3 原控制系统方案的不足
(1) 给定极限电流缺乏变化。由于工艺的变化, 电场的运行环境发生了变化, 原给定极限电流不能自动调整, 电场的收尘效果可能变差。为了提高电场收尘的效果, 可以人为地定期调节每个电场极限电流。
(2) 操作人员要求经验丰富。给定极限电流与操作人员的操作经验、对电除尘电场运行情况的经验积累、专业知识的熟练程度等有很大的关系。
(3) 操作人员劳动强度增大。靠操作人员定时调节给定极限电流, 每天长时间、重复操作, 劳动强度很大, 很难保证调节质量。
5 新系统控制方案
新型PID闭环控制系统是以原“电流电压双值优先控制系统”为内环, 在内环的外围增加一个“PID闭环控制系统”作为外环, 整个控制系统以内环为主, 外环为辅。外环由高压监控系统和本体低压PLC控制系统组成, PLC内部采用结构化文本编程, 并采用新型PID算法。
5.1 控制系统的内环
控制方法:电流电压双值优先控制系统;控制对象:某一固定极限电流, 变化时需人为调节;控制参考对象:二次电压、二次电流;控制目标:让电场的二次电流值接近给定极限电流或让电场的二次电压值接近给定极限电压。电流电压双值优先控制系统如图1所示。
5.2 控制系统的外环
控制方法:新型PID闭环控制系统;控制对象:给定调节极限电流范围, 让输出为给定极限电流范围内某一变化的极限电流值, 该值随电场的运行情况定时、自动地调节;控制参考对象:二次电压、二次电流、火花率;控制目标:让动态变化的电场处于稳定状态, 即不仅让电场运行在少火花率或无火花率状态, 还尽可能让电场运行在最高二次电压状态。新型PID闭环控制系统如图2所示。
6 新型PID闭环控制系统
在新型PID闭环控制系统中, 判断调节的根据是极限电流给定范围上限和二次电流当前值偏差大小, 采用偏差查表法, 实现输出极限电流在给定的调节范围内, 自动跟踪电场二次电压、二次电流的变化, 确保电场处于最稳定或二次电压最高状态运行。
新型PID调节由比例调节、积分调节、微分调节三部分组成, 控制方法:
式中, Sn为第n次输出;In为第n次积分调节部分, 用上一次输出值Sn-1代替;Pn为第n次比例调节部分, Pn=S×Ki×△Ni;Dn为第n次微分调节部分, Dn=S×Qi×△Mi。
其中, S代表电流极限值的调节方向, 增加时为正值, 减少时为负值;Ki为第i次比例调节的系数;Qi为第i次微分调节的系数;△Ni为第i次比例调节的偏差;△Mi为第i次微分调节的偏差。在调试过程中, 应针对最快调节、快调节、慢调节、缓慢调节过程, 根据高频电源容量的大小, 选择合适的参数Ki、Qi、△Ni、△Mi, 确保高频电源快速响应、调节细腻、稳定可靠。
7 编程思路
实际运行中有三种调节模式可供选择:电流调节、电压调节、电流调节+电压调节。以电流调节为例, 介绍编程思路:
(1) 极限电流下降阶段。当火花率>0时, 电场处于不稳定状态, 为了提高电场的稳定性, 适当降低给定极限电流, 让电场进入新的平衡点, 一段时间后, 出现两种情况:火花率>0, 电场仍然处于不稳定状态, 一段时间后, 重新进入下一轮的极限电流下降阶段;火花率=0, 电场进入稳定状态, 一段时间后, 进入极限电流上升阶段。最极限电流下降阶段程序如图3所示, 程序说明:
1) 极限电流1为电流调节极限电流上限值, 偏差为极限电流1和当前运行二次电流值平均值的差值。
2) 偏差值分成不同的偏差段, 分别对应不同的范围, 如范围a1~a18, a1>···>a18, 程序根据偏差不同, 分为最快调节、快调节、慢调节、缓慢调节, 分别对应不同的偏差范围。
3) 输出偏差为偏差b1~b18, 要求b1≥···≥b18。
4) 程序运行时, 根据偏差对应不同的偏差范围, 对应最快调节、快调节、慢调节、缓慢调节某一入口程序, 执行不同的偏差输出。
(2) 极限电流上升阶段。当火花率=0时, 电场处于稳定状态, 为了进一步提高电场的稳定性, 适当增加给定极限电流, 让电场进入一个新的平衡点, 一段时间后, 出现两种情况:火花率>0, 电场进入不稳定状态, 一段时间后, 进入下一轮的极限电流下降阶段;火花率=0, 电场仍然处于稳定状态, 一段时间后, 再一次进入极限电流上升阶段。
8 运行效果
(1) 操作人员不用考虑烧结工艺的不稳定性对电除尘器收尘效果的影响, 降低对操作人员的技术要求, 实现自动调节, 人工干预减少, 同时劳动强度大大降低。
(2) 对于电流型电场, 一、二电场的波动降低, 三、四电场的稳定性也进一步提高, 提高电除尘器每个电场的收尘效果。
(3) 实现对电流型电场伏安特性曲线拐点的动态跟踪, 有效控制电场的电流极限值运行在拐点附近, 减少电场电能的消耗。
(4) 实现对火花率次数的有效控制。通过对火花率次数的控制, 有效减少电场瞬间短路次数, 对于提高高频电源运行的稳定性、减少高频电源的发热量、降低电能的消耗等作用明显;尤其在高火花率情况下, 有效控制电场上、下波动的幅度, 降低高频电源运行二次电流, 有效减少电力元件的发热量, 减少控制柜内电器元件的损坏, 大大降低高频电源的维修量。
9 结语
采用新型PID闭环控制系统后, 通过自动定时跟踪电场二次电压、电流, 对极限电流实现了给定范围内的自动调节, 弥补了电流电压双值优先控制系统的不足之处, 使电场运行控制参数的设定更加简单。
参考文献
PID闭环调节控制 第3篇
关键词：助力转向,电流PID控制,模糊控制,模糊PID控制,机电双闭环
0 引言
电动助力转向系统(EPS)是目前车辆转向系统的研究热点。转向系统的作用是可靠、稳定的调节车轮方向,但从实质上讲,这是由驾驶员来完成的,助力转向系统的主要功能是使驾驶员操作更方便舒适、使转向更加稳定可靠。
电动助力转向系统(EPS)在助力时是一个力跟随随动系统,由扭矩传感器测得转向柱扭矩,经控制器以一定算法处理后产生控制信号,经H桥驱动电路输出电压U到电机电枢上,驱动电机产生助力转矩。目前控制器实际使用的控制算法以电流PID(PD)控制和模糊控制较为普遍,前一种是电机电枢电流反馈形成电流差值PID控制,后一种是通过转向柱角度的机械反馈形成角度差值(反映为扭矩)控制,后者通常采用模糊控制,或模糊自适应PID控制。为提高控制性能,本文在不增加硬件的条件下,将两者结合,形成模糊PID机电双闭环控制策略来提升控制效果。经仿真,模糊PID双闭环控制系统电动助力转向系统(EPS)的跟随能力得到增强。
1 EPS建模系统
把汽车前轮和转向机构向转向轴简化,得到简化后的转向系统模型如图1所示。汽车电动助力转向系统主要部件包括:扭矩传感器、车速传感器、电流传感器、电子控制单元(Elec-tric Control Unit,简称ECU)、直流电动机和带离合器的减速机构。扭矩传感器检测到的扭矩信号、车速传感器检测到的车速信号和电流传感器检测的电机电枢电流信号送入ECU,根据车速信号和扭矩信号决定电动机的目标电流的大小;反馈的电机电枢电流经PID电流控制跟踪目标电流,决定电机助力矩,以保证汽车在低速行驶时轻便灵活,高速行驶时稳定可靠。
2 转向柱受力形成扭矩Ts
研究的电动助力转向系统是转向柱助力式转向系统,驾驶员手力Tsw通过转向盘施加到转向柱的上部;电机助力Tm经减速装置
加到转向柱的下部,旋转方向与Tsw
相同;路面阻力TR由传动结构作用于转向
柱的下部,旋转方向与Tsw相反;转向柱上的扭矩传感器反映了转向柱的形变,转向柱上、下部的作用力矩差值决定转向柱的形变角Δ,扭矩Ts由角度Δ决定。
当Tsw增大,Δ增大,Ts增大;
当Tm增大,Δ减小,Ts减小;
当TR增大,Δ增大,Ts增大;
即:在转向柱上,
Ts=Tsw+TR-Tm=Tsw-(Tm-TR)
或:Tsw=Ts+(Tm-TR)
3 控制策略分析
通常采用的控制策略有两种方法,一种是机电闭环反馈模糊控制,由机械部件转向轴反映出上下部力矩差值,由Ts表示,在ECU中,作PD运算后,输出电机控制电压:
模糊控制器我们采用常见的二维结构,以误差和误差的变化率为输入,以控制量的目标值为输出。模糊控制器为Mamdani型,去模糊化采用重心法。定义E、Ec、U模糊量的模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中和正大,E和Ec的论域均为[-6,6],U的论域为[0,12]。
另一种是电流闭环PID反馈控制,根据车速信号和扭矩信号根据经验和实验数据得到助力特性曲线,由此决定电动机的目标电流I的大小,再从电流传感器检测出电机电枢电流Im,在ECU中,算出电流差值,经PID运算,输出电机电压控制信号:
电流闭环PID反馈控制能够加快对目标转矩的跟随能力。
将机电反馈模糊闭环控制作为外环,电流PID反馈控制作为内环,可以组成双闭环PID反馈控制结构,外环将转向轴扭矩信号经模糊算法处理确定电动机的目标电流I(决定电机助力力矩),可以解决EPS系统的非线性时变不确定性问题;后者时间常数小,实时性强,能快速缩小电机电枢反馈电流和目标电流的差值,故能提高系统的力跟随性能。
与一般电机的位移、电流双闭环反馈控制结构不同,助力转向系统的角位移反馈是由机械部件传递,由转向轴上的扭矩传感器将其角位移差值反映为扭矩电信号,送到控制器进行处理。
4 仿真结果与分析
采用上述的电流PID控制、模糊PD控制和模糊PID闭环控制三种控制策略,对汽车电动助力转向系统在Matlab软件下进行仿真计算分析。仿真计算时,其相关的参数如下:Ra=0.167Ω,La=0.00015H,Kv=0.057V/rad·s-1,Kt=0.04N·m/A,Jp=0.00018 kg·m,Bp=0.003 399N·m·s/rad;
从图5可见,电流PID控制的调整时间约为0.3s,超调量为20%;模糊控制的调整时间约为0.12s,超调量为7%。机电双闭环PID控制的调整时间约为0.06s,超调量为接近于0。模糊PD控制优于电流PID控制,模糊PID双闭环控制又优于模糊控制,反映系统有良好的跟随性和稳定性。
5 结束语
本文提出了将力矩反馈和电机电枢电流反馈两者结合的机电双闭环PID控制策略。仿真计算的结果表明,所提出的机电双闭环PID控制策略优于常用的两种控制策略,具有更好控制效果和较好的鲁棒性,抗干扰能力也有明显的提高。
参考文献
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PID闭环调节控制 第4篇
关键词：PID算法,车用天然气发动机,怠速闭环控制
0 引言
怠速是指能够维持发动机稳定运转的最低转速。怠速运行的稳定性是评价天然气发动机怠速工作质量的一项重要指标。如果怠速转速太低,在发动机工作时会出现比较严重的抖动问题。本文利用PID算法制定了控制策略,通过单闭环、双闭环控制试验,找到最优化的PID控制参数,以求得相对稳定的怠速转速,从而使天然气汽车在怠速情况下具有相对舒适的驾车环境。
1 PID算法介绍
PID算法的应用具有一定的价值,我们应该明确的一点是PID算法主要是基于反馈的。将这一反馈与预设值进行对比,当转速过大时,适当加以调整,使电机两端的电压不断减小;相反情况下则要适当增加电机两端的电压。
这里的P指主要指的是比例(Proportion),而I则指的是积分(Integral),D指的是微分(Differential)。在电机调速系统中,输入信号为正,要求电机正转时,反馈信号也为正(PID算法时,误差=输入—反馈),同时电机转速越高,反馈信号越大。要想搞懂PID算法的原理,首先必须明白P、I、D的不同含义及控制规律。
2 模糊控制规则
转速模糊控制规则的确定实质上是把有实践经验操作者或者专家的控制知识和经验进行总结而得出的若干条模糊条件语句的集合。对于采用二维模糊控制器的模糊推理控制系统,其控制规则一般采用“IF e and de THEN u”加以描述。只有选择恰当的控制规则,才能很好地体现有经验操作者的控制策略。确定模糊规则的原则是必须保证模糊控制器的输出能够使系统输出响应的动、静态特性达到最佳值,既要迅速消除误差,保证响应的快速性,又要防止产生超调和振荡,保证系统的稳定性。
汽油机转速的误差为负大时,若误差变化率是负中,汽油机的转速还有进一步加大的趋势。为使已有的负大误差尽快消除,并抑制误差进一步变大,控制量的变化应取负大,以使汽油机的转速迅速减小;汽油机的转速误差达到负大时,若误差变化率是正中,这时汽油机的转速会逐渐减小,为消除所存在的负大误差,只要对变化取负小进行控制即可;汽油机转速误差是负大时,若误差变化率是正大,这时系统本身已有消除误差的趋势,所以选取的控制量为不变,以平稳减小汽油机的转速。这样就可以得到一组由56条模糊条件语句构成的控制规则,将这些模糊条件语句加以归纳可以得到所用的模糊控制规则。
3 基于PID的复合控制介绍
在基本模糊控制系统中,通常采用误差与误差变化作为输入变量,因此基本模糊控制器仅相当于常规比例微分PID控制器的作用,这种模糊控制具有动态特性好、鲁棒性好、抗干扰能力强等特点。但由于它缺少了积分项(积分控制作用能够消除稳态误差),使得模糊控制器的稳态误差大,过渡时间长,很难达到比较高的控制精度。
为了有效地改善模糊控制器的稳态性能,我们对模糊控制器进行了改造,并直接引入了PID控制的相关策略,这也形成了模糊—PID的复合控制。这种复合控制策略是在大偏差范围内采用模糊控制,在小偏差范围内转换成PID控制,二者转换由计算机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。
4 复合控制方法所得仿真结果分析
根据控制方法及其原理,我们引入了此控制系统所具有的动态模型,在对程序进行了仿真的基础上,对几种控制方案进行了对比。因为PID控制器具有特殊原理,所以对控制系统的参数进行调整时,还要考虑它的敏感性,这也会导致不稳定现象的存在。控制器对发动机具有负载干扰,会使其响应较慢,在速度方面还将导致大波动的出现。模糊控制器主要是将误差与误差变化率当作输入的变量,其所产生的波动主要在±10 r/min之间。
通常情况下,利用此控制器对模糊比例—微分加以控制时,会产生较大的作用,所以在大偏差范围内模糊控制产生的效果胜过PID控制所达到的效果,但其虽然达到了一定的稳态性能,却有不尽如人意之处。模糊—PID复合控制具备了模糊控制与PID控制的优点,它的比例和微分调节量是随着调节的进程变化的。在大的误差时采用大的比例调节系数,小的微分调节系数,以获得快速的系统响应;而在小的误差时采用小的比例调节系数和大的微分调节系数,以获得小的稳态误差,并减小系统的波动。
5 怠速闭环控制措施
发动机怠速运行工况十分复杂,还具有非线性、时变性和不确定性等特点。本试验怠速转速的控制采用增量式的PID控制算法,直接输出控制量的增量,不需要偏差累积。发动机在怠速工况下工作时,其转速主要受点火提前角、空气量和空燃比的影响。因此,通常将发动机的怠速控制系统看成是由3个输入量和1个输出量组成的多变量系统。
5.1 怠速单闭环控制
在怠速工况下,发动机的工作转速变化范围很小,所以,点火提前角可以假设为定值。当将空燃比看作(下转第109页)一个干扰参数时,则怠速控制系统可以简化为一个单输入、单输出的系统,也就是控制怠速旁通空气阀的步进电机工作步数为输入量,发动机的怠速转速为输出量。PID控制器是整个怠速控制系统的核心部分。在怠速单闭环控制中所需的基本控制量是怠速转速偏差,也就是怠速目标转速及发动机实际转速的差。
通过PID控制器的计算,可以得到步进电机的动作步数和动作方向,通过改变旁通空气的进气量,可以使天然气发动机的实际转速得到控制。
5.2 怠速双闭环控制
为了寻找更优的怠速转速稳定性,可以尝试采用双闭环控制算法加以控制。通常的双闭环控制算法就是采用经典的PID控制算法,对怠速工况下的天然气喷射脉宽和旁通空气进气量进行PID闭环控制。利用这种算法可以使天然气喷射的脉宽、旁通空气的进气量根据怠速转速偏差进行微调,使发动机的实际转速接近于怠速目标转速并保持稳定。
6 结语
总之,现在对基于模糊—PID控制的天然气发动机怠速控制系统运用较广泛,它主要是针对PID的输出误差进行控制,它利用模糊控制器对PID加以调整,并对PID控制器的参数进行设置。模糊—PID控制器具有良好的动、静态性能,在控制方面有良好的效果。它结合了模糊控制与经典PID算法进行控制,汲取了PID控制调节精度高的优点,具有不依赖于对象的精确模型,可以有效地克服过程对象的惯性及滞后这一缺陷,并能提高系统的稳定性、响应速度及控制精度,使系统的在线自适应能力有所提高。
参考文献
[1]张世芳.内燃机车柴油机[M].北京:中国铁道出版社,1991
[2]吕春兰,王立国,孟亚男,等.基于模糊自整定PID参数控制器的设计[J].吉林化工学院学报,2002(2)
[3]苏明,陈伦军,林浩.模糊PID控制及其MATLAB仿真[J].现代机械,2004(4)
PID闭环调节控制 第5篇
反馈控制系统中, 控制回路是通过实时网络来闭合的, 称之为网络控制系统[1] (Networked Control System, NCS) 。目前, 网络控制系统已成为国内外控制理论界和工程应用领域的一个研究热点, 控制领域内的许多重要期刊已陆续出版了关于NCS的专刊, 见文献[2,3,4,5,6], 关于NCS的研究在理论研究和工程应用上也都取得了丰富的成果, 关于NCS的综述见文献[7,8,9,10]。
然而, 到目前为止, 关于NCS的研究主要是针对单回路控制系统或多输入多输出 (MIMO) 系统[11,12], 仅有部分文献研究了网络化的串级控制系统[13,14,15]。但在实际工业过程控制应用中, 串级控制系统是除单回路外最重要的控制结构, 在电力系统、石油化工等工业生产过程控制中得到了广泛的应用, 如火电厂的主汽温串级控制系统等。这是由于它具有副回路, 可快速克服内扰从而显著改善系统性能。串级控制系统中, 闭环控制回路是通过实时网络闭合的, 称之为网络化串级控制系统[16,17,18,19,20,21,22] (Networked Cascade Control System, NCCS) 。
网络化串级控制系统不同于一般的网络控制系统, 它有两个控制回路、两个控制器、两个被控变量, 使其分析与综合比一般的单回路网络控制系统更复杂。它也不同于一般的串级控制系统, 因其闭环控制回路中插入了实时网络, 可能带来网络诱导时延, 传统的串级控制理论中所作的假定, 如传感信息和控制信息等无延迟的准确传输等不再成立, 在用于网络化串级控制系统的分析和综合之前必须重新进行评估。因此, 针对工业过程控制中广泛存在而理论上还缺乏系统研究的网络化串级控制系统, 很有必要对其分析与综合进行系统深入的研究。
在网络化串级控制系统的实际应用中, PID控制器由于其算法简单, 具有明确的物理意义便于学习, 整定调试方便, 到目前为止仍是应用最为广泛的控制器。文献[23]系统概述了时延过程的PID控制器设计方法, 文献[23,24,25,26]针对PID在网络控制系统中的应用进行了研究。文献[27]采用Maclaurin级数展开式近似纯迟延环节, 基于期望闭环系统响应提出了串级控制系统的PID控制器整定算法, 同时整定主控制器和副控制器。文献[28]针对单回路控制系统提出了基于内模控制 (IMC) 的PID整定算法。但它们均未对PID控制器在网络化串级控制系统中的应用进行研究。
本文针对一类典型的网络化串级控制系统, 研究了其系统配置特点并指出了网络诱导时延存在的位置。借鉴文献[27]和文献[28]的思路, 采用一阶Páde近似纯迟延环节, 基于期望闭环系统响应提出了有常数网络诱导时延的网络化串级控制系统的PID整定算法。并提出了一个控制性能综合指标, 基于TrueTime工具箱对有不同网络诱导时延的网络化串级控制系统进行了仿真研究, 比较了采用补偿网络诱导时延的PID控制算法前后网络化串级控制系统的控制性能。
2 网络化串级控制系统的结构
在网络化串级控制系统中, 不同的系统配置方式将会导致网络在系统中存在的位置不同, 从而系统的分析与设计也会有所不同。因此, 首先需要确定网络化串级控制系统中的系统配置方式, 才能确定网络的位置, 进而分析网络诱导时延在系统中的位置。
基于工业过程控制实际, 文献[17]和文献[19]提出了网络化串级控制系统的四种典型配置方式和结构形式。在基于现场总线的网络化串级控制系统中, 一种典型的系统配置方式如图1所示。
图1中, 将主控制器C1和副控制器C2分别配置于主变送器S1和执行器A中, 副变送器S2与副对象P2连在一起。N表示实时网络, 主要用来传输闭环控制回路中的各种传感信息和控制信息等实时信息以及诊断、维护等其它非实时信息, 它存在于主控制器C1和副控制器C2之间, 以及副变送器S2和副控制器C2之间。副对象P2的输出y2是中间变量, 主对象P1的输出y1是被控变量。r1为系统的主回路设定值输入, 主控制器C1根据主回路设定值输入r1与被控变量y1的偏差计算出控制量u1。主控制器的输出u1通过网络N传输发送至副控制器作为副回路的设定值, 副控制器根据接收到的给定值与经网络N传输接收到的副变量y2的偏差计算出副回路的控制输出u2, 该控制量直接被送到执行器进而改变副对象的状态, 从而达到跟踪给定值的目的。主回路的控制量u1和副回路的副变量y2在经由网络传输时, 不可避免地会产生网络诱导时延τ1和τ2, 它们可能是固定的常数或时变的, 这取决于系统所采用的网络调度协议和硬件配置。假定τ1和τ2是固定的常数, 当网络上所传输的数据包不太多时是符合实际的。但是如果网络上传输的数据包过多可能导致冲突, 从而使得时延可能是不确定的, 这时可通过在信号的接收端设置一定长度的缓冲区, 将时变的网络诱导时延转化为常数时延。变送器、控制器、执行器都是时钟驱动的, 在预先规定的调度时刻执行相应的动作。
3 网络化串级控制系统的PID控制算法
3.1 PID控制器离散化
在网络化串级控制系统的实际应用中, 由于控制器的功能一般都是通过计算机或单片机来实现的, 因此需要对其进行离散化后才能应用。
主控制器Gc1 (s) 采用有超前滞后校正环节的PID控制器, 其连续时间传递函数为:
undefined
式中:KP1、TI1、TD1——主控制器的比例系数、积分时间常数和微分时间常数;α、β——主控制器的惯性系数。采用双线性变换法, 即:s=2 (1-z-1) /h (1+z-1) , 则其离散时间PID控制器的传递函数为:
Gc1 (z) =undefined
undefined
相应的离散时间差分方程可描述如下:
undefined
式中:e1 (k) ——主控制器的输入, 即主变量的设定值与过程值之间的偏差;u1 (k) ——主控制器的控制输出。
副控制器Gc2 (s) 为有一阶惯性滤波环节的PID控制器, 其传递函数为:
undefined
式中:KP2、TI2、TD2——副控制器的比例系数、积分时间常数和微分时间常数;Tf——副控制器的惯性时间常数。采用双线性变换法, 得其离散时间控制器的传递函数为:
undefined
相应的离散时间差分方程可描述如下:
undefined
式中:e2 (k) ——主控制器的输入, 即副变量的设定值与过程值之间的偏差;u2 (k) ——副控制器的控制输出。
3.2 基于过程模型和期望闭环系统响应的PID控制器整定
图1所对应的网络化串级控制系统的方框图如图2所示。R1 (s) 和Y1 (s) 分别表示主回路的设定值输入和被控输出, R2 (s) 和Y2 (s) 分别表示副回路的设定值输入和被控输出。主回路和副回路中的网络诱导时延可分别用纯迟延环节e-τ1s和e-τ2s表示。
工业过程控制中的被控对象一般都可近似为一阶惯性加纯迟延环节 (First Order Plus Dead Time, FOPDT) , 假定图2中的副对象传递函数为undefined, 主对象传函为undefined。主控制器Gc1 (s) 和副控制器Gc2 (s) 分别采用如式 (1) 和式 (4) 所示的PID控制器。
假定副回路的期望闭环传递函数为undefined, 其中, 时间常数d2=θ2, λ2为副控制器惟一待整定的参数。
由undefined得:
undefined
将主回路中的纯迟延环节e-τ1s、副回路和主对象的串联组合看作一个广义主对象, 其传递函数为:undefined, 其时间常数为:d1=d2+θ1+τ2。主回路的期望闭环传递函数为undefined, 由undefined得:
undefined
采用一阶Páde近似式 (7) 中的纯迟延环节, undefined, 可得:
undefined
undefined
undefined
比较式 (4) 和式 (9) , 得副控制器的PID整定参数为:
undefined, TI2=T2+ (τ2+d2) /2,
undefined, undefined
采用一阶Páde近似式 (8) 中的纯迟延环节, 可得:
undefined
×undefined (11)
比较式 (1) 和式 (11) , 得主控制器为一个带超前滞后校正环节的PID, 其整定参数为:
undefined, TI1=λ2+T1,
undefined, undefined
式 (10) 和式 (12) 中的整定参数的选择原则如下[24]:λ1=0.5d1, λ2=0.5d2。该整定规则可用于任意类型的PID组合, 如副控制器一般只需采用比例积分或比例环节, 则只需计算出比例系数KP2和积分时间TI2, 而不用计算微分时间TD2。为了使闭环系统稳态无差, 主控制器一定要有积分环节, 所以一般选为PID或PI控制器, 以下选择主控制器取为带一阶超前滞后环节的PID, 副控制器为带一阶惯性滤波环节的P。
4 网络化串级控制系统的控制性能评估
为了衡量比较网络化串级控制系统的控制性能, 必须定义一个综合考虑了系统稳定性、准确性和快速性的性能指标。为此, 定义其综合性能指标如下[29,30]:
J=wrJr+wsJs+wdJd+wmJm (13)
式中:wr, ws, wd, wm——加权系数, 取值范围为0～1, 且满足wr+ws+wd+wm=1。本文选取权重如下:wr=0.3, ws=0.2, wd=0.2, wm=0.3。各单项性能指标Jr, Js, Jd, Jm分别定义如下:
undefined
undefined
undefined
undefined
式中:M=∫0∞te (t) dt——NCCS系统中存在网络诱导时延的ITAE;e (t) ——t时刻主回路的设定值与主对象输出的偏差, 定义:e (t) =r1 (t) -y1 (t) 。undefined、undefined、undefined、undefined—无网络诱导时延时NCCS的基准上升时间、基准调节时间、基准超调量和基准ITAE。NCCS中存在网络诱导时延时的上升时间、调节时间、超调量则分别记为tr、ts和δ。显然, 当系统中无网络诱导时延时, J=0。当存在网络诱导时延和数据包丢失时, NCCS的控制性能会恶化, 该控制性能综合指标J将会大于0。此外, 该性能指标越大, NCCS的控制性能越差。采用此综合性能指标J可用来衡量有不同大小网络诱导时延的NCCS的性能优劣。
5 仿真实例
考虑文献[27]中的实例, 主对象的传递函数为undefined, 副对象的传递函数为undefined, 二次扰动通道的传递函数GL2 (s) =1, 一次扰动通道的传递函数为undefined。采样周期h取为1 s, 基于TrueTime的NCCS仿真模型如图3所示。
图3所示的NCCS仿真框图中, 有一个网络模块 (Network) , 可用来仿真传输闭环控制回路信息的网络特性, 还有五个计算机模块, 分别是:干扰节点 (节点1) 、主控制器C1 (节点2) 、接收器S (节点3) 、副控制器C2 (节点4) 和副变送器S2 (节点5) 。网络模块选为CSMA/AMP (CAN) 总线类型, 且将其丢包率设为0。主控制器取为带一阶超前滞后环节的PID, 副控制器为带一阶惯性滤波环节的P, 其参数采用本文所提出的参数整定公式计算得到。其中控制器运行的是离散时间数字PID控制器, 均采用双线性变换法离散化。以下针对有不同大小网络诱导时延的NCCS, 分别计算PID控制器的各整定参数, 并进行仿真研究和性能分析。为便于分析, 假定τ1=τ2=τ为一固定的常数。当网络诱导时延为0 s、1 s、2 s和3 s时, 采用本文所提出的整定算法, 得其对应的控制器参数如表1所示。
(1) 未考虑网络诱导时延补偿的NCCS单位阶跃响应。
在如图3所示的网络化串级控制系统中, 有网络诱导时延时, 仍采用无时延时的PID整定参数:KP1=5.611 1, KI1=0.055 6, KD1=5.555 6, α=6, β=2, KP2=3.5, Tf=0.333 3。在网络诱导时延τ分别取值为0 s、0.5 s、1 s和1.5 s时, 得系统的单位阶跃响应曲线如图4所示。
由图4可知, 无时延时系统的调节时间为62.217 s, 超调量为7.897 6%, ITAE为344.288 7。如果不考虑网络诱导时延对系统的影响, 直接采用无时延时的整定参数, 当时延为0.5 s和1 s时, 系统虽然仍能趋于稳定, 但控制性能恶化, 随着时延的增大, 调节时间增大, 超调量增大, ITAE也随之增大。当时延为1.5 s时, 系统趋于发散, 不稳定。当时延取更大值时, 仿真结果表明系统不稳定。
总之, 当NCCS中存在网络诱导时延时, 如果仍然采用无网络诱导时延时得到的整定参数, 随着网络诱导时延的增大, 系统性能会显著降低。并且, 当网络诱导时延增大到一定的程度时, 系统不稳定。
(2) 考虑网络诱导时延补偿的NCCS单位阶跃响应。
在网络诱导时延τ分别取值为0 s、1 s、2 s和3 s时, 控制器参数采用补偿网络诱导时延后得到的整定参数, 对如图3所示的NCCS作仿真, 得系统的单位阶跃响应曲线如图5所示。
由图5可知, 当网络诱导时延由0 s增加到3 s时, NCCS仍能迅速趋于稳定, 且具有良好的控制性能, 其性能指标计算结果如表2所示。
表2中的NCCS各项性能指标表明, 随着网络诱导时延的增大, NCCS的上升时间增大, 调节时间变长, ITAE也随之增大。但采用补偿网络诱导时延后的整定参数, NCCS仍能保证良好的控制性能, 且系统的综合性能指标也随之增大, 性能随着网络诱导时延的增大而降低。
图5和表2均表明, 采用本文所提出的PID控制器整定方法, 可有效补偿网络诱导时延对网络化串级控制系统性能的影响并获得满意的性能, 所得到的系统具有优异的设定值跟踪能力。为进一步验证所设计的网络化串级控制系统抑制二次扰动和一次扰动的能力, 对如图3所示的NCCS作扰动仿真。仿真时间设为800 s, 当t=0 s时, 设定值输入作单位阶跃扰动, 当t=200 s时, 副回路中的二次扰动d2阶跃到1, 当t=600 s时, 主回路中的一次扰动d1阶跃到0.1, 网络诱导时延τ分别取值为0 s、1 s、2 s和3 s时, 控制器参数均取补偿网络诱导时延后得到的参数, 得NCCS的响应曲线如图6所示。
图6表明, 采用补偿网络诱导时延的控制器整定参数, NCCS在有不同大小的网络诱导时延时均对副回路中的二次扰动和主回路中的一次扰动具有良好的抑制能力, 而且尤其对副回路中的二次扰动具有快速的抑制能力。
6 结 论
PID闭环调节控制 第6篇
PID控制器是自动控制技术中的常用设备,自动控制系统的关键就是要通过调节PID的参数来实现输入输出误差最小化,从而最终实现自动控制系统的稳定运行。
要提高自动控制系统的质量,一般而言是在把握好控制规律的同时,合理设置参数。PID控制实际上就是通过对参数的设置来对自控系统进行改善。参数设置能够稳定系统,但是在现实中由于参数总是与设定值有差别,对这些差别进行调节,便是改善自控系统的主要方式。PID的调节方式主要有3种:比例调节法、积分调节法、微分调节法。本文将着重探讨这3种方法。
1 PID控制的定义
PID控制指的是根据系统误差或者误差变化率,利用比例、积分、微分3种调节方式来实现控制。闭环控制系统的终极目的是要实现系统的快速、准确和稳定。PID的主要工作要实现控制系统这一目标。
PID控制器作为最早实用化的控制器已有70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控制器结构简单,工作稳定,调试方便。在控制系统中会出现由于被控对象的参数不易掌握从而导致控制理论技术难以应用的情况,这时利用PID控制技术就显得非常方便。换句话说就是当我们不能精确掌握控制系统的参数时,最适合应用PID控制。PID控制一般是通过比例调节、积分调节、微分调节3种方法来实现自控系统的工作稳定。
2 PID控制器的主要控制方法
PID控制是要通过设置参数从而实现误差最小。PID控制本身就包含3种含义:比例、积分、微分。这3种调节方法被广泛应用于自控系统中。
(1)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。比例控制是在系统一出现偏差的时候就进行控制,但是比例控制对于偏差的控制是成比例的,也就是说它最终会产生静态偏差。
比例控制的作用是要稳定设置的参数。比例控制的动作与偏差是成正比的。比例控制作用越强,则偏差就会越大,从而引起振荡。
(2)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例关系。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。
积分控制的工作原理主要是这样的:为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项随着时间的增大而增大。在积分控制的推动下控制器输出增大,从而使静态误差进一步降低,直至最终消除。
积分调节作用的动作与偏差对时间的积分成正比。即偏差存在积分作用就会有输出。它起着消除余差的作用。积分作用太强也会引起振荡,太弱会使系统存在余差。
(3)微分(D)控制。在控制系统中,我们对于误差的控制会产生振荡。造成这一现象的主要因素是由于惯性组件具有抑制误差的作用。惯性组件的作用一直落后于误差变化。要解决这个问题就要在误差接近0的时候,抑制误差的作用就已为0。换句话说就是要掌握误差变化的趋势,根据趋势来控制惯性组件作用。微分控制的主要作用就是要预测误差变化的趋势,从而避免控制系统出现超调现象。
微分控制主要是控制器的输入信号与输出信号的误差变化成正比关系。它的控制动作也与误差的变化速度成正比。微分控制有超前控制的作用。微分控制尽管可以调节滞后大的对象,但是它始终不能消除纯滞后。微分调节时间过长也会引起控制器的振荡。
通过上文所述我们可以发现:这3种控制方法各有优缺点,比例控制可以消除误差,但同时也会产生静态误差;积分控制可以消除静态误差,但是它也会由于动作过大产生振荡;微分控制却始终不能消除纯滞后。面对这些缺点于是一种新的思维产生,把这3种方法结合在一起,综合应用,从而优化控制器。
3 3种方法相互匹配使用的效果
PID控制器的3种控制方法各有其优缺点,把3种方法相互匹配,综合起来加以运用,既可以克服各自缺点,又有助于自身优点的发挥,从而提高控制效果,实现控制系统的误差最小化。我们在看到这种思维的优点时也要看到由于3种方法的结合,它们本身各自的作用就发挥得不是很充分。另外还要注意控制对象的适用性,不同的控制对象要求有不同的控制方法。
(1)比例、积分相匹配的使用效果。在比例控制中加上积分可以消除静态误差,但同时由于积分的加入也会使得控制系统的运行速度变慢,稳定性变差。比例、积分控制方法主要适用于负荷变化大且对变化速度要求不高的对象。比例、积分控制法在流量、压力、液位等领域应用广泛。
(2)比例、微分相匹配的使用效果。比例、微分2种控制方法相结合的控制系统响应快、误差小,系统的稳定性有所提高,能够消除对象的惯性。比例、微分控制方法被广泛应用于负荷变化不大,被控对象变化不频繁且允许控制结果出现的误差的对象中。
4 PID控制器的参数调节
上文提到的各种方法都要最终通过参数的调节来实现。因此对于参数的调节就显得非常重要。
PID控制器参数的调节方法主要有2种,一是通过已有的数学模型来进行精确计算,通过计算来确定控制器的参数,从而最终进行调节。这种方法我们称之为理论计算法,其由于本身控制系统的复杂,给参数确定带来巨大困难。还有一种方法就是工程经验法。主要是依赖于控制过程中的实践经验,按照经验来进行调节。工程经验法操作简单,灵活易懂,是一种非常简便的方法,在控制系统中被广泛应用。
以上2种方法不管本身有什么不同,效果怎么样,它们最终都要对控制系统进行优化与完善。在控制过程中常用的完善控制系统的方法是临界比例法。这种方法是首先设置一个较短的采样周期,让控制系统在采样周期内独立运行;而后实行比例控制,记录出放大系数和临界振荡周期;最后则根据已有的理论模型进行精确计算,最终确定系统参数。
5 结语
PID控制器是自动控制最重要的控制器,对PID控制器的3种控制方法(比例、积分、微分)的掌握是实现自动控制的关键。本文详细论述了3种方法的概念和各自优缺点。综合而言,3种方法是实现自动控制、消除各种误差的主要方法,它们实现了对控制系统的有效控制,但同时其自身的缺点也应引起注意。3种方法相匹配来使用可以提高控制系统的稳定性,消除误差。但是在运用过程中必须要注意对象的适用性。对控制系统的最终控制是要通过参数调节来实现的,参数调节的2种方法(理论计算法和工程经验法)应努力把握。自动控制技术不断发展,我们对PID控制方法的研究也应不断深入。如何通过3种方法的优化来改善控制系统,仍是我们今后研究的重点。
摘要：从PID控制的定义人手,介绍了PID控制器的主要控制方法及其相互匹配使用的效果,并对PID控制器的参数调节进行了简要分析。
关键词：PID控制器,自动控制,系统
参考文献
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PID闭环调节控制 第7篇
变频调速技术是近年来发展起来的一种可用于控制变速交流异步电动机的新型节电技术, 同时它把多年来对电机进行连续、无级调速的梦想变成现实。具有调速范围宽, 故障率低, 启动电流小, 正反转容易可实现软启动, 软停止, 起动转矩大等优点, 使转行的机械变速面貌大为改善。机械变机构简单, 稳定可靠。在用于注汽站变负载情况下其节能效果尤为显著。
目前, 所有活动注汽站主要耗电设备 (柱塞泵) 均安装了变频器, 其初衷主要是节能降耗, 通过变频器自带的丰富的控制功能模块很方便地实现了锅炉给水 (柱塞泵出口) 的恒压控制。
变频器实际上是一种可变电源, 既可变电压又可变频率。注汽站普遍使用的是“交—直—交”变频, 将50Hz交流整流为直流电Ud, 再由三相逆变器将直流逆变为频率可调的三相交流供给鼠笼电机实现变频调速。
1.1 物理环境
工作温度。变频器内部是大功率的电子元件, 极易受到工作温度的影响, 产品一般要求为0~55℃, 但为了保证工作安全、可靠, 使用时应考虑留有余地, 最好控制在40℃以下。由于活动注汽站设备空间所限, 注汽锅炉柱塞泵变频器一般和锅炉控制柜整合, 安装在锅炉前部, 其后果有三:一是锅炉燃烧器前墙温度达60~90℃, 通过辐射、对流传热, 变频器工作环境温度高。二是变频器箱体空间小, 散热不畅。三是常年运转, 工作温差大。温度太高且温度变化较大时, 变频器内部易出现结露现象, 其绝缘性能就会大大降低, 甚至可能引发短路事故。预防措施主要是强化散热, 在箱中增加干燥剂和加热器 (停运期间) 。粉尘。注汽锅炉常年野外注汽, 施工条件恶劣, 锅炉粉尘、野外风沙加之潮湿的气候条件, 易造成电气元件的锈蚀、短路。
1.2 电气环境
1.2.1 防止电磁波干扰。
变频器在工作中由于整流和变频, 周围产生了很多的干扰电磁波, 这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此, 柜内仪表和电子系统, 应该选用金属外壳, 屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地, 除此之外, 各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆, 且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰, 往往会使整个系统无法工作, 导致控制单元失灵或损坏。
2 应用PID调节与变频控制实现注汽锅炉恒压供水
2.1 PID调节的概念
P I D解释:即由比例 (P r o p o r t i o n) +积分 (Integral) +微分 (Differential coefficient) 组合而成的控制方式。比例P控制:调节量按误差成比例输出, 纯比例时误差不会为零。即一对一的对应关系。是按比例反映系统的偏差, 系统一旦出现了偏差, 比例调节立即产生调节作用以减少偏差,
2.2 运用PID控制系统工艺实现恒压供水
2.2.1 运用变频器PID可实现压力负反馈单闭环控制系统。
以富士G7系列为例。
2.2.2 工艺原理框图
变频调速恒压实行闭环负反馈自动控制即由仪表装置供给变频器1V和CC端口4~20MA电信号, 靠信号大小改变来控制VF频率高低变化达到调节电动机转速和输出功率的目的, 使泵流量、压力和实际工艺需求最佳匹配, 实现仪表电气联合自动控制体系。
2.3 系统参数设定
首先必须知道控制对象的参数:注汽锅炉的特征参数、需要的最大供水压力、锅炉给水 (柱塞泵出口) 恒定压力、供水最小压力、上限压力、下限压力等。
必须保证在最大供水压力时对应于压力传感器电流输出最大, 反之亦然, 可求出用户要求供水压力时的传感器电流。对亚临界锅炉, 要求入口最大供水压力为 (a) 21M P a, 对应传感器输出电流为20mA, 要求最小供水压力为 (b) 5M P a, 对应输出的电流为4m A, 如G D G B1-13井注汽中, 平均注汽压力为12.6MPa, 取供水压力为 (c) 13MPa。
2.4 系统调试
按上述方法设定后一般可良好地运行。如系统稳定则可微调F84使实际压力最接近想要设定的压力, 稳定后慢慢增大F88使其出现不稳定振荡后往回调一个数, 系统稳定后此值为最佳值。慢慢减小F89值以不出现振荡为准。
适当的增大F83可减少来自传感器电流在传输过程中受到的干扰。仔细观察和试验, 如感觉微小的用水量改变导致变频器频繁的控制动作, 即马达加速后压力过头然后有自动降速, 来回周折 (即周期振荡) 可适当调大F89和慢慢减小F88来改善调节品质, 保证系统稳定运行。
3 认识与建议
3.1.1提升了稠油开发水平, 在应用该系统前, 大量注汽井的压力控制靠锅炉排空控制, 造成注汽效果差, 稠油开发水平低下。近几年, 稠油开发年产量均在100万吨以上。
3.1.2在应用变频器前, 柱塞泵运行及回水噪声是注汽站的主要危害源, 噪声危害达到90~110d b, 应用柱塞泵恒压控制系统后, 实现零回水, 柱塞泵运行噪声控制在安全范围以内。
3.1.3节能效果明显:经实测, 应用变频器恒压控制系统后节电率达28%, 全厂共拥有17套注汽设备, 年节约用电费用136万元。
摘要：变频器以其控制功能强大、节能效果显著在工业控制中得到广泛应用, 在油田注汽锅炉中的使用节能效果明显, 而利用变频器自带的丰富的控制功能模块可以很方便地实现锅炉给水的恒压控制, 深挖了设备潜能, 提高了设备素质, 提升了稠油开发水平, 取得了良好的社会效益和经济效益。
关键词：变频器,注汽锅炉,PID调节,恒压,稠油开发
参考文献
[1]武占.油田注汽锅炉[M].上海:上海交通大学出版社, 2008