作者：孔令昌    單位名稱(chēng)：江蘇省蘇州市創(chuàng )新凈化有限公司

摘要：分析自適應PID控制在氣體行業(yè)中應用的理論依據，闡述宇電儀表PID調節器成功應用于氫氮自動(dòng)配比系統中的案例，著(zhù)重講述PID調節器的工作過(guò)程及操作方法。

關(guān)鍵詞：氫氮自動(dòng)配比  智能工業(yè)調節器   自整定PID控制

前言

    隨著(zhù)現代工業(yè)的高速發(fā)展，氣體設備逐漸應用到化工、電子、鋼鐵等行業(yè)中；傳統的手動(dòng)配氣裝置已經(jīng)達不到后續用氣的純度、流量和壓力等技術(shù)指標，靈活性顯然也達不到用氣的要求。自動(dòng)配比裝置應運而生，然而目前氣體行業(yè)中使用控制方式也是傳統的模糊控制方式，目前市場(chǎng)上多數的工業(yè)調節器滿(mǎn)足不了配氣系統中的精度要求。宇電公司的AI人工智能工業(yè)調節器在氫氮自動(dòng)配比系統中的應用是氣體行業(yè)自動(dòng)控制實(shí)現的少有的成功案例。AI型人工智能工業(yè)調節器的輸入采用數字校正系統，內置常用熱電偶和熱電阻非線(xiàn)形校正表格，測量精度高達0.2級；采用先進(jìn)的模塊化結構，提供豐富的輸出規格；關(guān)鍵是采用了先進(jìn)的自整定PID算法。

采用自整定PID控制方式的理論依據

    目前的大多數工業(yè)控制回路中采用的各種形式的PID控制算法。PID即是Proportion(比例)、Intergral(積分)和Differential(微分)的簡(jiǎn)稱(chēng)，PID的控制規律即是指控制器的輸出信號是由輸入偏差按比例、積分和微分的數字關(guān)系組合成的函數。PID的控制規律形式如下所示：

u(k)=kp[e(k)++TD]

其中kp為比例系數；T1為積分時(shí)間常數；TD為微分時(shí)間常數；u(k)為采樣時(shí)刻k時(shí)的輸出值；e(k)為采樣k的偏差值；e(k-1)為采樣時(shí)刻k-1時(shí)的偏差值。
    PID調節是比例調節、積分調節和微分調節三種作用的綜合，它的比例作用能使偏差較快地得到校正；積分作用能zui終消除余差，而微分作用在有偏差時(shí)出現時(shí)，能立刻產(chǎn)生幅度的校正偏差的作用，從而縮短了調節時(shí)間，提高了調節效率和精度。盡管普通的PID調節相對手動(dòng)調節和位式調節其精度已有明顯的提高，波動(dòng)已大大減少，但普通PID控制不適用于大時(shí)間滯后的控制對象以及參數變化較大的控制對象。自整定PID控制方式是在普通PID控制方式的基礎上發(fā)展而來(lái)的，其根據滯后時(shí)間和偏差大小選擇P、I、D值并有效地使用PI、PD或PID控制，這種方式有效地縮短了滯后時(shí)間和提高精度。

AI型調節器在應用中的工作過(guò)程和操作過(guò)程
⑴氫氮自動(dòng)配比系統概述
    氫氮自動(dòng)配比系統的結構由N2管道、3H2+N2管道、混合罐、截止閥、流量計、壓力表、器分析儀、電動(dòng)閥門(mén)、PID調節器和電控系統組成。系統工藝流程圖如圖1所示。
圖1
    N2、3H2+N2進(jìn)入混合罐混合后由出口處取樣經(jīng)氫分析儀中傳感器采樣顯示純度并把純度采樣模擬量轉換成4-20mA電流模擬量傳送給PID調節器，經(jīng)PID調節器中微處理器分析處理后輸4-20mA電流傳送給電動(dòng)調節閥控制電動(dòng)調節閥控制3H2+N2的流量，從而控制混合氣中氫氣混合比例的目的。自動(dòng)控制電氣系統電氣原理圖如圖2。
圖2
由以上分析總結出氫氮自動(dòng)配比系統自動(dòng)控制原理框圖如圖3。

圖3
⑵PID調節器自整定過(guò)程實(shí)例分析
    華達微電子有限公司氫氮自動(dòng)配比系統要求純度15%，根據記錄數據繪制的自整定控制的變化過(guò)程圖如圖4。

圖4
PID設定值為15%，偏差用E來(lái)表示，β=1-2%，ε=0.2%；
    當純度在a 以下時(shí)，即E<-1時(shí)，閥門(mén)全開(kāi)，不需要進(jìn)行PID控制；
    當純度在ab之間時(shí)，即-1    當純度在bc之間變化時(shí)，即|E|<0.2時(shí)，用PID調節控制；
    當純度在ce之間時(shí)，閥門(mén)開(kāi)度減??；
    當純度在ef之間時(shí)，又回到PID調節控制；
    當純度在fg之間時(shí)，回到PD調節控制。
    經(jīng)過(guò)三個(gè)整定周期，純度會(huì )穩定在15±0.2%。根據實(shí)際調試記錄，AI型PID調節器完夠滿(mǎn)足系統控制精度控制要求。

⑶AI型PID調節器的性能*性
    AI型PID調節儀兼容熱電偶、熱電阻、線(xiàn)形電壓、線(xiàn)形電流和線(xiàn)形電阻等規格的輸入；測量范圍寬、精度高、溫度漂移小、響應時(shí)間短；輸出規格包括了繼電器觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸出、可控硅無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸出，SSR電壓輸出、可控硅觸發(fā)輸出和線(xiàn)形電流輸出。儀表硬件采用了先進(jìn)的模塊化設計，具備5個(gè)功能模塊插座：輔助輸入（MIO）、主輸出（OUTP）、報警（ALM）、輔助輸出（AUX）及通訊（COMM）模塊。
    在氫氮自動(dòng)配比系統中，我們選用了AI-808功能增強型人工智能工業(yè)調節器，因其在A(yíng)I-708基礎上增加了手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換，閥門(mén)電機控制等功能。選擇安裝I4輔助輸入模塊，可擴充0-20mA或4-20mA電流信號輸入，并且內置24VDC電源輸出，可直接連接2線(xiàn)制變送器；輸出選擇光電隔離型線(xiàn)形電流輸出模塊，支持0-20mA及4-20mA輸出，占用儀表內部12VDC電源。如果需要報警系統還可選擇一路報警或兩路報警模塊。
⑷AI型PID調節器在系統應用中參數設置和操作方法
    AI型PID調節器 具有豐富的參數來(lái)定義儀表的輸入、輸出、報警、通訊及控制方式。關(guān)系到系統正常使用的輸入參數務(wù)必提前設置好，輸入規格SN設置為15（4-20mA輸入）；輸出規格OPT設置為4（4-20mA線(xiàn)形電流輸出）；控制方式設置為1，采用PID調節，允許從面板啟動(dòng)執行自整定功能。
    氫氮自動(dòng)配比設備安裝就續條件具備后啟動(dòng)電氣系統電源，先通過(guò)調節器手動(dòng)調節閥門(mén)開(kāi)度大小達到要求配氣的純度，調節器設定值為要求值（比如15%），等純度穩定后從調節器面板上啟動(dòng)自整定功能，顯示窗口閃動(dòng)AT字樣即進(jìn)入自整定功能，PV顯示窗口會(huì )出現純度值波動(dòng)，因為此時(shí)儀表執行位式調節，儀表內部微處理器根據位式控制產(chǎn)生振，分析其周期、幅度及波形來(lái)自動(dòng)計算出M5、P、t等控制參數，經(jīng)2-3次振蕩（大概需要20-30分鐘）后顯示器停止閃動(dòng)“AT”字樣，自整定結束。此時(shí)系統已經(jīng)處于正常工作的狀態(tài)，如果純度有波動(dòng)可適當手動(dòng)調節M(mǎn)5、P、t參數。M5是保持參數，與PID調節的積分時(shí)間起相同的作用，其值越小，系統積分作用越強；其值越大，積分時(shí)間越短；P為速率參數，類(lèi)似PID調節的比例帶，但變化相反，P值越大，比例、微分作用成正比增強，P值越小，比例、微分作用相應減弱；t為滯后時(shí)間，被控系統的滯后效應是影響控制效果的主要原因，系統滯后時(shí)間越大，要獲得理想的控制效果就越困難。只要選擇精度高、響應速度快的氫分析儀和電動(dòng)閥門(mén)與之相適應，zui后系統工作狀態(tài)就很理想。

結語(yǔ)

    綜上所述，使用AI型調節器控制氫氮自動(dòng)配比系統比手動(dòng)、位式調節及普通調節都要好的多。AI型人工智能調節算法是采用模糊規則進(jìn)行PID調節的一種新型算法，能在調節中自動(dòng)學(xué)習記憶被控對象的部分特征使效果更優(yōu)化的智能工業(yè)調節器。
 
參考文獻：
⑴ 王劃一 主編 自動(dòng)控制原理   國防工業(yè)出版社
⑵ 孫立博 主編 自適應PID控制實(shí)驗研究   機電工程技術(shù)期刊