DCS控制系统PID参数整定的技术探讨_郑毅.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 3作者简介:郑毅(1 9 8 2-),男,内蒙古包头人,技师,从事自动化仪表工作。D C S控制系统P I D参数整定的技术探讨郑 毅,佟海云,李忠伟(内蒙古包钢 钢联股份有限公司计量中心,内蒙古 包头 0 1 4 0 1 0)摘要:主要介绍D C S控制系统的控制作用的确定方法,经验P I D整定参数预置,自动回路投入注意事项及P I D参数整定方法。关键词:确定方法;参数预置;注意事项;整定方法中图分类号:T P 2 7 1+.7 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 4-0 0 7 0-0 6 自动调节系统的整定是一个很重要的问题,它的任务是选择合理的调节参数,以便获得最佳品质指标要求的调节过程。一个调节系统的过渡过程好坏,取决于调节对象的特性、调节方案的选择、干扰形式和幅值大小以及调节器的参数整定。D C S自动控制系统中的过程控制效果依赖于系统所采用的控制算法;在各种反馈控制算法中P I D无疑占着主导地位。本文主要的研究目的就是对D C S控制系统中P I D参数整定的技术进行探讨。1 调节器正/反作用的确定方法调节器也叫控制器,在D C S控制系统中叫控制模块。调节系统投自动:往往在控制方案确定好且判断出调节器的正/反作用后,最关键的是P、I、D参数如何整定,根据多年的现场工作经验,谈谈如何整定调节系统的P、I、D参数,请大家在工程中参考。在整定调节系统的P、I、D参数前,要保证一个闭环调节系统必须是负反馈,即K o*K v*K c0。图1是确定调节器正/反作用之简单示例图。图2是控制器方块图。调节对象K o:阀门、执行器开大,测量P V增加,则K o 0;反之,则K o0;阀门反作用(气关、电关),则K v 0,我们可以确定K c的正负。调节器K c:若K c 0,则调节器为反作用;若K c 0)相当于主环的K v,它始终为正。P I D参数整定的结果:观察曲线,一般为一阶特性即可(当然理论上为二阶衰减特性)。3 自动回路投入注意事项3.1 基本原则自动控制装置在运行时自动回路的投入应保证各工段的平稳运行,主要参数不能出现较大的波动,其它辅助设备的压力、液位、温度等参数也不能出现影响装置正常运行的过大波动。3.2 同工艺操作人员的配合自动控制回路的投入属于自动化改造工程调试工作。若是我方仪表工程师人员负责投自动回路,在进行此项工作时,应先向用户操作人员讲清我方的工作内容,需要工艺操作人员如何配合,有何影响及出现意外情况应如何处理协调、调试结束后应通知工艺操作人员。自动回路首次投入前应要求工艺操作人员将该部分工况尽量调至相对稳定状态。3.3 控制系统具体注意事项3.3.1 D C S自动回路组态测试所有自动回路的组态在出所前都应经过严格测试。若其组态在现场有改动,在投入自动前应仔细检查组态的信号流向及逻辑的正确性,信号切换部分要注意切换逻辑的时序问题。组态应做到自动回路至现场的出口有可做人工干预的简单逻辑部分,以便万一有组态错误可以人工停止自动回路对现场的作用。3.3.2 D C S控制系统P I D模块参数设置投自动时可先将P I D模块的比例带、积分时间的数值放大,将P I D模块输出上限、输出下限放至P I D模块当前跟踪输出值附近的一个可允许变动范围内,将P I D模块输出变化率放小。投入自动后,观察P I D模块的动作方向是否正确,P I D模块输入偏差的变化是否在正常范围之内,确认后再将P I D模块的几种输出限制相继放开,恢复其正常作用,17 2 0 2 3年第4期郑 毅等 D C S控制系统P I D参数整定的技术探讨再根据调节品质调节P I D模块各项的参数。4 D C S控制系统P I D参数整定方法4.1 基础知识在D C S自动调节系统中,E=S P-P V。其中,E为偏差、S P为给定值、P V为测量值。当S P大于P V时为正偏差,反之为负偏差。4.1.1 比例调节作用比例调节作用的动作与偏差的大小成正比;当比例度为1 0 0时,比例作用的输出与偏差按各自量程范围的11动作。当比例度为1 0时,按1 01动作。即比例度越小,比例作用越强。比例作用太强会引起振荡。太弱会造成比例欠调,造成系统收敛过程的波动周期太多,衰减比太小。其作用是稳定被调参数。4.1.2 积分调节作用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。4.1.3 微分调节作用微分调节作用的动作与偏差的变化速度成正比。其效果是阻止被调参数的一切变化,有超前调节的作用。对滞后大的对象有很好的效果。但不能克服纯滞后。适用于温度调节。使用微分调节可使系统收敛周期的时间缩短。微分时间太长也会引起振荡。4.2 整定方法简单控制系统的控制品质,与被控过程的特性、干扰信号的形式和大小、控制方案及调节器的参数等因素密切相关。一旦控制方案确定,受工艺条件和设备特性限制的广义对象特性、干扰特性等因素就完全确定,不可能随意改变。这时控制系统的控制品质完全取决于调节器的参数整定。简单控制系统参数整定,就是通过一定的方法和步骤,确定系统处于最佳过渡过程时,调节器比例度P、积分时间T i和T d的具体数值。所谓的最佳整定参数,就是在某种评价指标下,系统达到最佳控制状态时,调节器的调节规律所对应的一组参数。各种具体生产过程的要求不同,所期望的控制品质不一样,所谓“最佳”标准也不相同。对于单回路控制系统,较为通用的标准是所谓的“典型最佳调节过程”,即控制系统在阶跃扰动作用下,被控参数的过渡过程呈4:1(或1 0:1)的衰减振荡过程。在这个前提下,尽量满足准确性和快速性要求,即绝对误差时间积分最小。这时系统不仅具有适当的稳定性、快速性,而且又便于人工操作管理。习惯上把满足这一衰减比的过渡过程所对应的调节器参数称为最佳参数。通过整定调节器参数,使控制系统达到最佳状态是有前提条件的,即控制方案合理、仪表选型正确、安装无误和调校准确。否则,无论怎样调整调节器参数,也达不到所要求的控制品种。这是因为调节器的参数只能在一定范围内提高系统的控制品质。调节器参数整定方法可简单归结为理论计算法和工程整定法两大类。常用的理论计算法有对数频率特性法、根轨迹法等。理论计算法要求知道被控制过程的数学模型,由于难以获得被控制精确的数学模型,因而理论计算法在工程上较少采用。常用的工程整定法有稳定边界法、衰减曲线法、反应曲线法、经验凑试法等,下面重点介绍四种方法。4.2.1 稳定边界法稳定边界法又称临界比例度法,是目前应用较广的一种调节器参数整定方法。在本生产工艺容许的情况下,先让调节器按比例调节工作。从大到小逐渐改变调节器的比例度,直至系统产生等幅振荡;记录此时的(临界)比例度Pm和等幅振荡周期Tm,再通过经验公式的简单计算,求出调节器的整定参数。其具体步骤如下(1)首先取Ti=,Td=0,根据广义对象特性选择一个较大的比例度P值,并在工况背定的情况下,将控制系统投入自动状态。(2)等系统运行平稳后,对设定值施加一个阶跃扰动,并减小P,直到系统出现如图3所示的等幅振荡 临界振荡过程。记录下此时的Pm(临界比例度)和系统等幅振荡的周期Tm。图3 系统临界震荡曲线 (3)根据所记录的Pm和Tm,按表1给出的经验公式计算调节器的整定参数P、Ti和Td,并按计算结果设置调节器参数,再做设定值扰动试验,观察过渡过程曲线。若过渡过不满足控制质量要求,再对计算值做适当的调整,.,直到得到满意的结果为止。27 内蒙古石油化工2 0 2 3年第4期 表1 稳定边界法整定参数计算表调节规律整定参数P(%)TiTdP2 Pm-P I2.2Pm0.8 5Tm-P I D1.7Pm0.5 0Tm0.1 2 5Tm4.2.2 衰减曲线法衰减曲线法是针对临界比例度法的不足,在总结“稳定边界法”和其他一些方法的基础上得出的一种参数整定方法。这种方法不需要系统达到临界振荡状态,步骤简单,也比较安全。如果要求过渡过程衰减率=0.7 5(递减比n为4:1),其整定步骤如下:(1)首先取Ti=,Td=0,比例度P置于较大数值,将系统投人自动运行状态。(2)待系统工作平稳后,对设定值作阶跃扰动,然后观察其过渡过程。若过渡过程振荡衰减太快(衰减率0.7 5),就减小比例度P;反之(衰减率0.7 5),则增大比例度P。如此反复,直到系统呈现图4所示的振荡过渡过程(衰减比n为4:1,衰减率=0.7 5),从过渡过程曲线上测出此时振荡周期Ts(如图4所示),并记录对应的比例度P s。图4 系统临界震荡曲线 (3)按表2给出的经验公式计算调节器的整定参数值P、Ti和Td;并按计算结果设置调节器参数,再做设定值扰动试验,观察过渡过程曲线。若系统过渡过程曲线不理想,再对P、Ti和Ta计算值作适当的调整,.直到得到满意的结果(衰减率=0.7 5)为止。表2 衰减比为4:1时,衰减曲线法法整定参数计算表调节规律整定参数P(%)T iT dPP s-P I1.2P s0.5T s-P I D0.8 P s0.3T s0.1T s4.2.3 响应曲线法响应曲线法也称动态特性参数法,是一种开环整定方法,它利用系统广义对象的阶跃响应特性曲线对调节器参数进行整定。因此,应首先测定广义对象的动态特性,即广义对象输人变量作单位阶跃变化时被控参数的响应曲线,再根据响应曲线确定该广义对象动态特性参数,然后用这些参数计算出最佳整定参数。具体步骤如下。(1)首先使系统处于开环状态,如图5所示。(2)向调节阀G v(s)输入一个阶跃信号x,通过检测仪表Gm(s),记录被控参数y(t)的响应曲线一广义对象阶跃响应曲线,如图4-4所示。(3)根据广义对象阶跃响应曲线,通过近似处理,在响应曲线的拐点处作切线,并把广义对象当作有纯滞后的一阶惯性环节。G0=K0T0S+1e-0S从响应曲线上得到能代表该对象动态特性的参数:滞后时间T o、时间常数T o,并按照下式计算其放大倍数K o值:K0=y/(ym a x-ym a x)x/(xm a x-xm a x)图5 测定广义过程阶跃响应曲线原理框图 式中,y、x的含义见图6中所示,ym a x-ym i m为检测仪表的量程(刻度范围);xm a x-xm i m为调节阀输入信号变化范围(也是调节器输出信号变化范围)。通过下式将K o换算为比例度:37 2 0 2 3年第4期郑 毅等 D C S控制系统P I D参数整定的技术探讨P0=1K01 0 0%根据对象动态特性的三个参数:0,T0,P0.可按照表3所列的经验公式计算出对应于衰减比为4:1(相当于=0.7 5)时调节器的最佳整定参数。4.2.4 经验法这种方法实质上是一种经验试凑法,它不需要进行试验和计算,而是根据运行经验和先验知识,先确定一组调节参数,然后人为加入阶跃扰动,观察被控参数的响应曲线,并按照调节器各参数对调节过程的影响,逐次改变相应的整定参数值,一般按先比例度P,再积分时间T;、微分时间T J的顺序逐一进行整定,直到获得满意的控制品质为止。表4给出不同被控对象时,调节器整定参数的经验数据;表5给出在设定值阶跃变化时,调节器参数变化对调节系统动态过程的影响。A)系统输入信号波形b)系统响应曲线图6 系统阶跃响应曲线与近似处理表3 响应曲线法整定参数的公式调节规律整定参数P(%)TiTdP0t0p0-P I1.10t0p03.3 0-P I D0.8 50t0p02.3 00.5.3 经验法整定调节器参数的步骤有以下两种。4.2.5 整定步骤一比例调节是基本的控制作用,应首先把比例度整定好,待过渡过程基本稳定后,再加积分作用以消除余差,最后加人微分作用以进一步提高控制质量。其具体步骤如下:1)对于P调节器(Ti=,Td=0),将比例度P放在较大经验数值上,然后逐步减小P,观察被控参数的过渡过程曲线,直到曲线满意为止。2)对于P I调节器(Td=0),先置Ti=,按比例调节整定比例度P,使过渡过程达到4:1衰减比;然后,将P放大1 0%-2 0%,将积分时间由大至小逐步增加,直至获得衰减比为4:1过渡过程。3)对P I D调节器,先置T a=0,按2)整定好P I控制参数整定步骤,整定好P、Ti参数;然后将P减小1 0%2 0%,T i适当缩短后,再把T d由短至长地逐步加入,观察过渡过程曲线,直到获得满意的过渡过程为止。4.2.6 整定步骤二先按表6中给出的范围把T i定下来;如要引入微分作用,可取Td=(1/31/4)Ti;然后从大到小调整P。直到得到满意的结果为止。表4 调节器整定参数的经验取值范围被控参数整定参数过程特点及常用调节规律比例度P(%)积分时间T i/m i n微分时间T d/m i n液位(p调节)过程时间常数较大,一般不用微分,精度要求不高时选择p调节;p可在一定范围选择2 0-8 0-流量(p i调节)过程时间常数小,被控参数有波动,一般选择p i调节;p要大一些,t i要短;不用微分4 0-1 0 00.1-1-压力(p i调节)过程有容量滞后,不大,一般选择p i调节;不用微分3 0-7 00.4-3-温度(p i d调节)过程容量滞后较大,被控参数受扰后变换迟缓,需加微分,一般选择p i d调节;p应小,t i要长2 0-6 03-1 00.5-3表5 整定参数变化对调节过程的影响性能指标整定参数比例度P(%)积分时间T i/m i n 微分时间T d/m i n 最大动态偏差静差(残差)-衰减率震荡频率 一般来说,这样可较快地找到合适的整定参数值。但如果开始Ti和Td设置得不合适,则可能得不到希望的响应曲线。这时应将Ti和Td作适当调整,重新试验,直至记录曲线合乎要求为止。如果比例度P过小、积分时间Ti过短或微分时间Td过长,都会产生周期性的激烈(下转9 1页)47 内蒙古石油化工2 0 2 3年第4期 作,以加速超高压沙棘产业的发展。参考文献1 曾庆梅.砀山酥梨汁超高压处理和降压措施的研究D.合肥工业大学,2 0 0 5.2 黄琴,贺稚非,龚霄等.超高压灭菌技术及其在食品工业中的应用J.四川食品与发酵,2 0 0 8,1 4 4(3):4 6-5 0.3 阮征,曾庆孝,等.嗜热脂肪芽胞杆菌对超高压的耐性初探J.广州食品工业科技,1 9 9 7,1 3(1):9-1 1.4 张勇,段旭昌,李绍峰等.超高压杀菌、灭酶影响因素探讨J.食品研究与开发,2 0 0 7,1 4 0(7):1 4 0-1 4 4.5 阮征,曾庆孝.环境因子对超高压杀菌效果的影响J.食品科学,1 9 9 7(4):8-1 1.6 夏远景,薄纯智,张胜勇等.超高压食品处理技术J.食品与药品,2 0 0 6(2):6 2-6 7.7 刘进杰.中温协同瞬变压力对食品微生物和品质的影响研究D.合肥工业大学,2 0 0 3.8 李祥波.超高压加工哈密瓜细胞水技术及产品开发D.江苏大学,2 0 0 9.9 林淑英,宁正祥,郭清泉.超高压对食品中微生物的影响及应用J.粮油食品科技,2 0 0 3(4):2 2-2 3.1 0 那宇.软包装榨菜的超高压杀菌研究D.浙江大学,2 0 0 7.1 1 孙保华.肉与肉制品贮藏保鲜技术(八)J.农村实用工程技术,2 0 0 0(8):3 2.1 2 魏静,解新安.食品超高压杀菌研究进展J.食品工业科技,2 0 0 9,3 0(6):3 6 3-3 6 7.1 3 曾庆梅.降低超高压杀菌压力的协同措施研究进展J.食品科学,2 0 0 4(1 0):3 4 6-3 5 0.1 4 杨徽.基于超高压技术的虾脱壳工艺与品质检测研究D.浙江大学,2 0 1 1.1 5 陈从贵,王武,刘进杰.高静压与温度协同加工对食品微生物的影响J.食品科学,2 0 0 5(7):2 3 9-2 4 3.1 6 王琴,曾庆孝,阮征等.热处理协同高静压对芽孢耐压性的影响J.无锡轻工大学学报,1 9 9 9(1):3 5-3 8.1 7 支铁牛,贾培起.超高压技术在低温肉制品加工中的应用J.肉类研究,2 0 0 8(8):2 6-3 0.1 8 马永昆.超高压技术在功能食品加工中的应用及其安全性评价J.食品科学,2 0 0 5(8):4 5 7-4 6 0.(上接7 4页)振荡。在用经验法整定调节器参数过程中,要注意区分几种相似振荡产生的不同原因,正确调整相应的参数。一般情况下,Ti过短引起的振荡周期较长;P过小引起的振荡周期较短;Td过长引起的振荡周期最短。可通过区分振荡周期大小判断引起振荡的原因,以便进行准确的参数调整。如果比例度P过大或积分时间Ti过长,都会使过渡过程变化缓慢。一般比例度过大,响应曲线振荡较剧烈、不规则、较大幅度地偏离设定值;积分时间Ti过长时,则响应曲线在设定值一方振荡,且慢慢地回复到设定值,通过调整相应参数可使这种情况得到改善。5 结束语D C S控制系统P I D参数整定的经验法的优点是不需要进行专门的实验、对生产过程影响小,工程整定法不需要对象特性的数学模型,可直接在现场进行参数整定,方法简单、操作方便、容易掌握,在工程实际中得到广泛应用。参考文献1 王再英.过程控制系统与仪表S.编著.北京:机械工业出版社,2 0 0 6.2 施仁.自动化仪表与过程控制Z.电子工业出版社,2 0 0 33 刘元扬.自动检测和过程控制Z.冶金工业出版社,2 0 0 34 王玲生.热工检测仪表Z.编著.冶金工业出版社,2 0 0 5.19 2 0 2 3年第4期张 芳等 超高压(HHP)冷杀菌技术在沙棘浓浆饮料加工中的应用研究