在工业控制中, 控制回路的自控率是一项重要的技术指标, 它往往代表着一个公司的现代化程度, 几乎所有控制回路均设计为自动控制, 但实际中, 构成控制回路的各个环节例如测量输入、控制器及执行器等存在着诸多影响因素, 导致一定数量的控制回路无法投入自动, 从而影响企业的自动化水平, 制约企业的创效能力。
1 典型控制回路
1.1 单回路控制 (图1)
(1) 控制阀作用方式选择。
控制阀按作用方式分气开、气关两种。气开阀即随着信号压力的增加而开度加大, 无信号时, 阀处于全关状态;反之, 随着信号压力的增加, 阀逐步关闭, 无信号时, 阀处于全开状态即为气关阀。
选择原则是:从生产的安全出发、从保证产品质量、从降低原料和动力的损耗、从介质特点这几方面考虑。
(2) 控制器作用方式选择。
选择原则:使整个单回路构成负反馈系统。
规定:控制阀:气开式为“+”, 气关式为“-”;控制器:正作用为“+”, 反作用为“-”;对象:当通过控制阀的物料或能量增加时, 按工艺机理分析, 若被控量随之增加为“+”, 随之降低为“-”;变送器:一般视为正环节。
则控制器正、反作用选择判别式为: (控制器“±”) × (控制阀“±”) × (对象“±”) =“-”。
1.2 串级回路控制 (图2)
在单回路控制系统中已指出, 控制器正、反作用方式的选择原则是使整个控制系统构成负反馈系统, 并且给出了“乘积为负”的判别式。这一判别式同样适用于串级控制系统主、副控制器正、反作用方式选择。
(1) 主控制器作用方式选择。
(主控制器±) × (副对象±) × (主对象±) = (—) 。
因此:当主、副变量同向变化时, 主控制器应选反作用方式, 反向变化则应选正作用方式。
(2) 副控制器作用方式选择。
(副控制器±) ×控制阀±) × (副对象±) = (—) 。
(3) 串级控制回路投运。
所谓投运, 就是通过适当的步骤使主、副控制器从手动工作状态转到工作状态。串级控制系统的投运方法, 总的说来有两种:一是先投副环后投主环;另一种是先投主环后投副环。目前普遍采用的投运方法是第一种, 投运的时候要保证无扰动切换。
1.3 分程控制系统
分程控制系统是一个控制器的输出信号去控制两台或以上的控制阀, 每一个控制阀仅在输出信号整个范围的某段信号内工作。即多阀而且分程。
实现方法主要用两种:一是通过每个控制阀上的阀门定位器实现;二是通过DCS软件实现, 在采用DCS控制的情况下我们一般通过DCS组态实现 (图3) 。
在分程控制系统中, 按照控制阀的气开与气关作用方式可分为两类:一类是阀门同向动作, 即随着控制阀输入信号的增大或减少, 阀门都开大或都开小;另一类是阀门异向动作, 即随着控制阀输入信号的增大或减少, 阀门总是按一台阀关而另一台阀开的方向动作。控制阀的同向或异向动作的选择全由工艺的需要来确定。
1.4 比值控制回路
比值控制回路是把两种或两种以上的物料量自动地保持一定比例的控制系统, 使从物料量随着主物料量按一定比值变化, 比如余热锅炉的瓦斯和进风量成比例关系, 使锅炉燃烧效果达到最佳。
2 PID参数整定的方法
PID参数的整定就是合理的选择PID三参数。一般在工程应用中采用经验凑试法。从系统的稳定性、响应速度, 超调量和稳态精度等各方面考虑问题, 三参数的作用如下。
(1) 比例参数KP的作用是加快系统的响应速度, 提高系统的调节精度。随着KP的增大系统的响应速度越快, 系统的调节精度越高, 但是系统易产生超调, 系统的稳定性变差, 甚至会导致系统不稳定。KP取值过小, 调节精度降低, 响应速度变慢, 调节时间加长, 使系统的动静态性能变坏。
(2) 积分作用参数Ti的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。Ti越大系统的稳态误差消除的越快, 但Ti也不能过大, 否则在响应过程的初期会产生积分饱和现象。若Ti过小, 系统的稳态误差将难以消除, 影响系统的调节精度。另外在控制系统的前向通道中只要有积分环节总能做到稳态无静差。从相位的角度来看一个积分环节就有90°的相位延迟, 也许会破坏系统的稳定性。
(3) 微分作用参数Td的作用是改善系统的动态性能, 其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化, 对偏差变化进行提前预报。但Ti不能过大, 否则会使响应过程提前制动, 延长调节时间, 并且会降低系统的抗干扰性能。
经验凑试法在实践中最为实用。在整定参数时, 必须认真观察系统响应情况, 根据系统的响应情况决定调整那些参数。观察系统响应效果, 可以通过查看控制回路细目画面中的实时趋势曲线, 衰减曲线最好是4∶1, 即前一个峰值与后一个峰值的比值为4∶1。
经验值:在实际调试中, 只能先大致设定一个经验值, 然后根据调节效果修改, 这里的P代表比例度, P=1/K (表1) 。
放大倍数越小, 过渡过程越平稳, 但余差越大。放大倍数越大, 过渡过程容易发生振荡。积分时间越小, 消除余差就越快, 但系统振荡会较大, 积分时间越大, 系统消除余差的速度较慢。微分时间太大, 系统振荡次数增加, 调节时间增加, 微分太小, 系统调节缓慢。
控制器参数凑试法的步骤。
因为比例作用是基本的控制作用, 因此, 首先把比例度凑试好, 待过渡过程已基本稳定, 然后加积分作用消除余差, 最后加入微分作用进一步提高控制质量, 基本步骤如下。
(1) 对P控制器, 将放大倍数放在较小的位置, 逐渐增大K, 观察被控量的过渡过程曲线, 直到曲线满意为止。
(2) 对PI控制器, 先置T1=0, 按纯比例作用整定放大倍数使之达到4∶1衰减曲线;然后将K缩小 (10%～20%) , 将积分时间T1由大到小逐步加入, 直到获得4∶1衰减过程。
(3) 对PID控制器, 将T2=0;先按PI作用凑试程序整定K, T1参数, 然后将放大倍数增大到比原值大 (10%～20%) 位置, T1也适当减小之后, 再把T2由小到大逐步加入, 观察过渡曲线, 直到获得满意的过渡过程。
3 串极控制回路整定
串极控制回路的整定可以采用两步法, 即先整定副回路, 再整定主回路;也可以采用一步法, 即同时整定主副回路。
(1) 在采用一步法整定时副回路的经验值为以下值, 一般副回路只采用比例控制 (表2) 。
(2) 将串极控制回路系统投入运行, 然后按单回路控制系统参数整定方法, 整定主控制器的参数。
(3) 如果在整定过程中出现“共振”, 只需减小主、副控制器的放大倍数就可以消除, 如果共振太剧烈, 可先切换到手动, 待生产稳定后, 重新投运, 重新整定。
4 注意事项
(1) 参数整定前要先校验传感器和执行器, 保证现场仪表是正常的, 可以先手动控制试一下, 手动状态测量参数应该是稳定可靠的。
(2) 按经验值设定K参数, 暂时关掉积分调节试着切换到自动观察阶跃响应, 此时应特别注意控制器的输出, 一定要判断一下回路是不是负反馈的。
5 结语
影响控制回路自控率的因素很多, 但只要正确选择控制器和执行机构的作用形式, 准确科学地进行系统组态和PID参数整定, 合理选择被控对象、操纵对象和控制方案, 同时保证检测和执行环节仪表的正确选型等, 企业的自控率水平就一定能够提高, 自控率的提高必将对企业产生积极的影响。
摘要：提高自控率, 可以节约企业的人工成本, 缓解操作人员工作疲劳, 减少人为误操作和及时消除装置生产的波动, 本文详细分析了影响控制回路自控率的诸多因素, 并提出了解决方案, 从而达到提高企业自控率水平的目的。
关键词：控制回路,自控率,参数,变量
参考文献
[1] 陆德民.现场总线基金会的现场总线技术和发展[J].石油化工自动化, 1998 (1) :1～9.
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