【摘要】主要針對鍋爐控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、控制策略的特點(diǎn)及使用方法、PID控制回路的整定和無擾動切換等方面介紹了力控控制策略在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
　　【關(guān)鍵字】控制策略 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫 算法塊 PID 參數(shù)整定
　　
一、前言

　　 眾所周知，工業(yè)過程控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性是企業(yè)考慮的重中之重，是衡量系統(tǒng)是否可行的重要指標(biāo)。隨著工業(yè)自動化整體技術(shù)水平的提高，方案的選擇范圍增多，但據(jù)不同的要求和不同的側(cè)重點(diǎn)，最優(yōu)方案始終是我們的首選。其中以三維力控自動化監(jiān)控組態(tài)軟件為上位機(jī)的控制系統(tǒng)中，在保證系統(tǒng)的安全性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的同時(shí)，也保證了項(xiàng)目投資成本的最小化。
　　
二、系統(tǒng)特點(diǎn)

　　 在鍋爐控制系統(tǒng)中，鍋爐汽包水位的控制、過熱蒸汽的溫度控制、燃料量流量的控制和送風(fēng)流量的控制是控制重點(diǎn)，下面就汽包水位控制過程進(jìn)行分析，明確控制對象、操作量和被調(diào)量等參數(shù)，用類似方法可分析其它的控制過程。
　　 鍋爐汽包水位控制：汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要任務(wù)是使給水量與鍋爐蒸發(fā)量保持平衡，并維持汽包水位在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)。由此分析出鍋爐的受控變量為汽包水位，操縱變量是給水流量。汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)，水位過高或過低都會帶來比較嚴(yán)重的后果。所以通常采用三沖量控制方案，即分別對給水流量、蒸汽流量和水位進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖一示:
　　
　　

圖一 汽包三沖量控制圖
　　
　　 三沖量控制實(shí)際上是前饋蒸汽流量和串級控制組成的復(fù)合控制系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖二所示，
　　
圖二 系統(tǒng)圖

　　
三、方案設(shè)計(jì)

　　 明確整個(gè)控制流程和控制對像，就可以開始設(shè)計(jì)方案了。在早的控制系統(tǒng)中多由模擬PID調(diào)節(jié)器、PLC和智能儀表等完成PID控制；隨著工業(yè)自動化軟件的發(fā)展兼各種智能設(shè)備、通訊附件功能的完善，充分利用計(jì)算機(jī)的能力，使本來由硬件完成的功能慢慢轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)處理中，尤其表現(xiàn)在大量數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)中。目前，多個(gè)以力控控制策略為上位機(jī)的控制系統(tǒng)已成功運(yùn)行，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖三示：
　　

圖
　　
　　三 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　 優(yōu)越性：在傳統(tǒng)的鍋爐控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)中，通常采用DCS、PLC或智能儀表內(nèi)部整合的控制算法完成一系列的PID控制，但是仍有它們的不足之處。首先，這些控制設(shè)備內(nèi)部的控制策略修改起來很不方便，有些控制策略在系統(tǒng)運(yùn)行期間甚至是不允許修改的。其次，這些控制設(shè)備的控制能力與它的成本成正比率關(guān)系，低廉的設(shè)備只能完成一些簡單的常規(guī)控制，而且邏輯操作速度不高，控制算法種類也偏少。這些缺陷嚴(yán)重制約著設(shè)備性能的發(fā)揮。而借助力控控制策略豐富的算法，就可以彌補(bǔ)這些設(shè)備在運(yùn)算、控制能力上的不足。
　　 特點(diǎn)：力控控制策略是應(yīng)用工程運(yùn)行中的進(jìn)程之一，與力控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、IO采集一起構(gòu)成了整個(gè)控制系統(tǒng)，完成采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)及控制輸出。所以在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和控制策略間是交互的，它們之間存在著如何建立連接的問題，即控制策略算法塊需要以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為輸入輸出，同時(shí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫也需要取得算法塊的參數(shù)，方便運(yùn)行中動態(tài)修改，如PID控制回路的整定。這樣才能確保系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行。
　　
四、軟件實(shí)現(xiàn)

　　 力控控制策略編輯器采用了算法塊圖的形式，設(shè)計(jì)簡單、操作方便、無需編寫腳本，根據(jù)系統(tǒng)控制流程就可快速地完成，下面以一個(gè)簡單的PID控制回路從建立到運(yùn)行的操作過程為例，具體步驟如下：
　　

圖四 控制策略編輯窗口說明：
　　1． 左邊是個(gè)樹型列表
　　 （1）“工具”下是分類的算法塊
　　 （2）“策略管理”下是策略窗口
　　2．右邊是當(dāng)前策略編輯窗口
　　
　　1．建立數(shù)據(jù)庫變量：運(yùn)行力控開發(fā)系統(tǒng)或者實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫開發(fā)系統(tǒng)，進(jìn)入數(shù)據(jù)庫組態(tài)環(huán)境DbManage,如圖所示：
　　
圖五 建立數(shù)據(jù)庫IO點(diǎn)
　　說明：（1）．主要功能是將點(diǎn)與設(shè)備IO點(diǎn)建立一對一的關(guān)系、點(diǎn)參數(shù)設(shè)置、參數(shù)保存方式及其它處理方法；（2）．?dāng)?shù)據(jù)庫點(diǎn)可分區(qū)域、分單元及分組顯示，一方面方便自己區(qū)分、快速瀏覽；另一方面方便報(bào)警記錄查詢、總貌瀏覽和歷史曲線查詢。
　　
　　2．建立PID控制回路：進(jìn)入控制策略編輯窗口，將PID控制器拉至右邊策略窗口，或者先點(diǎn)擊PID控制器，再點(diǎn)擊策略窗口欲繪制算法塊的位置。如圖六所示：
　　
圖六 添加PID控制器
　　
　　3．設(shè)置PID算法塊屬性及參數(shù)，PID算法塊的主要屬性列表如圖七所示：
　　

　　
　　4．PID控制器的信號輸入和輸出的連接，具體步驟如下：
　　4.1繪制PID功能模塊一樣，繪制數(shù)據(jù)庫輸入變量和數(shù)據(jù)庫輸出變量，也可以繪制“變量”下的其它的變量塊，方法類同，這里僅以數(shù)據(jù)庫變量為例，如圖十三所示：
　　
　　
圖十三 繪制數(shù)據(jù)庫輸入輸出塊
　　
　　4.2 正確選擇數(shù)據(jù)庫輸入輸出變量及參數(shù)，這些變量都是在數(shù)據(jù)庫中已定義的點(diǎn)，點(diǎn)有很多的參數(shù)，變量就是點(diǎn)的某一參數(shù)值，選擇方法如圖十四所示：
　　
　　
圖十四 選擇數(shù)據(jù)庫變量
　　
　　4.3 各算法塊的連接方法：將鼠標(biāo)放在算法塊端子處，稍停片刻，若為輸入端子，則鼠標(biāo)變成in，若為輸出端子，則鼠標(biāo)變成out，此時(shí)，雙擊鼠標(biāo)一次，再將鼠標(biāo)轉(zhuǎn)致另外算法塊的端子，雙擊鼠標(biāo)，若成功，則兩端子間出現(xiàn)白色虛線，將鼠標(biāo)移致別處，則算法塊間出現(xiàn)一條白色實(shí)線。如圖十五所示：
　　
圖十五 已建立連接的算法塊
　　
　　注意：
　　連完線后，檢查是否有虛接現(xiàn)象
　　
　　
　　4.4 簡單的單PID控制回路已經(jīng)完成，保存，編譯。
　　
5．界面組態(tài)
　　
　　控制策略完成后，數(shù)據(jù)庫組態(tài)“DBManage”中發(fā)生了如下變化：
　　
　　

　　 說明：增加了以算法塊為變量點(diǎn)的控制策略區(qū)域
　　
　　5.1 雙擊PID點(diǎn)，可以查看PID點(diǎn)參數(shù)：
　　
　　
圖九 PID0點(diǎn)的基本參數(shù)屬性頁
　　
　　
　　5.2 PID點(diǎn)的參數(shù)與PID控制器的屬性的對應(yīng)關(guān)系，如表一：
　　
　　
表一 PID點(diǎn)主要參數(shù)表
　　
　　5.3 為方便PID回路的調(diào)節(jié)，畫面設(shè)計(jì)如下：
　　
參數(shù)詳細(xì)說明見圖七及表一
　　
6．編譯、運(yùn)行
　　
　　
圖十 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和控制策略進(jìn)程
　　

　　
7．PID調(diào)節(jié)

　　 PID調(diào)節(jié)的最終目標(biāo)是使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，使最大動態(tài)偏差盡可能小、調(diào)節(jié)時(shí)間最短、調(diào)節(jié)過程系統(tǒng)輸出的誤差積分值最小等等，綜合這些首先我們必須明確力控PID算法原理和PID對系統(tǒng)調(diào)節(jié)的影響趨勢。
　　控制算法公式如下：
　　比例項(xiàng) = 比例 *（本次偏差 ―　上次偏差）
　　積分項(xiàng) = 比例 * 偏差 * 采集周期 / 積分時(shí)間常數(shù)
　　微分項(xiàng) = 比例 *微分時(shí)間常數(shù) *（本次偏差 - 2*上次偏差 + 上兩次偏差）/采集周期
　　如果是正動作，則：
　　輸出 = 上次輸出 + 比例項(xiàng)+ 積分項(xiàng) + 微分項(xiàng)
　　如果是反作用，則：
　　輸出 = 上次輸出 ― 比例項(xiàng)― 積分項(xiàng) ― 微分項(xiàng)
　　 比例系數(shù)KP加大使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小，KP偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長。KP太大時(shí)，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。KP太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。KP可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對象的特性決定的。如果KP的符號選擇不當(dāng),對象狀態(tài)(PV值)就會離控制目標(biāo)的狀態(tài)(SP值)越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況KP的符號就一定要取反；積分控制KI對系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，KI小（積分作用強(qiáng)）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度；微分控制KD對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動態(tài)特性，KD偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。KD偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長。只有KD合適，才能使超調(diào)量偏小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。
　　
8．單PID控制回路的特點(diǎn)及無擾切換
　　8.1 PID控制回路的特點(diǎn)：
　　 手動控制方式：PID控制器的輸出由手動完成，SPL、SPC、SP、PV具有自動跟蹤功能目的是使手動到自動無擾動切換，最終穩(wěn)定在OP值。
　　 自動控制方式：SPL、SPC和SP由操作員設(shè)定，PID回路完成PID算法，OP最終穩(wěn)定在SP值。
　　8.2 無擾切換方法：
　　 由手動->自動無擾切換：將PID點(diǎn)參數(shù)MODE值由0設(shè)為1
　　 由自動->手動無擾切換：將PID點(diǎn)參數(shù)MODE值由1設(shè)為0

9．串級控制回路的特點(diǎn)及無擾切換

　　 對一個(gè)PID控制器來講，有一個(gè)輸入端為SPC，懸空時(shí)構(gòu)成為簡單的單回路控制，若要完成更復(fù)雜的控制，如實(shí)現(xiàn)外給定或遠(yuǎn)程給定等。本文以串級控制回路為例，詳細(xì)說明力控串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及各種無擾動切換過程，同時(shí)我們將更深入地了解PID控制器的幾個(gè)參數(shù)之間存在的相互制約關(guān)系。
　　 首先，再建立一個(gè)PID控制回路PID1，將PID1的輸出OP連接到PID0的SPC端，設(shè)置好PID1控制器的屬性，主副回路都默認(rèn)設(shè)置為手動方式和內(nèi)給定，這樣就構(gòu)成了以PID0為副回路、以PID1為主回路的串級控制系統(tǒng)。如圖十八示：
　　
　　 補(bǔ)充說明：
　　 系統(tǒng)中對于數(shù)據(jù)庫輸出變量算法塊增加了一個(gè)輸出死區(qū)屬性，這個(gè)功能在一定程度上減緩了數(shù)據(jù)庫的變化頻率，減輕了系統(tǒng)的負(fù)荷，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　

圖十八 串級控制回路

　　
　　
　　 控制策略編輯好后，保存并編譯。為方便操作PID及無擾動切換，可以在力控開發(fā)環(huán)境下創(chuàng)建畫面窗口，連接主副回路PID點(diǎn)。
　　9.1 串級控制回路的特點(diǎn)：
　　副回路沒有設(shè)置成外給定方式時(shí)（副回路PID的CLC值為0），串級回路的特點(diǎn)為：
　　 ①主回路只能工作在手動方式：改變副回路的OP值，主回路自動跟蹤，使切換到自動為無擾動的，其中主回路的OP值傳遞給副回路。
　　②副回路為自動方式時(shí)，副回路完成PID算法，主回路的SP值和副回路SPL、SPC和SP一致，處于不變狀態(tài)。需要一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，改變副回路OP值即可。
　　副回路設(shè)置為外給定方式時(shí)（副回路PID的CLC值為1），串級回路的特點(diǎn)：
　　①副回路不能在手動方式下工作
　　②主回路可以工作在手動、自動控制方式，若有需要，也可將給定方式設(shè)定為外給定：
　　 主回路手動方式工作時(shí)，改變OP值來控制副回路的給定；主回路自動方式下工作時(shí)，設(shè)置副回路為串級工作方式，就構(gòu)成了串級控制回路，主回路的OP傳遞給副回路的SPC，SPL和SP值自動跟蹤。需要建立新的動態(tài)平衡時(shí)，只需重新設(shè)定主回路的SPL值即可
　　
　　9.2無擾切換方法：
　　①手動->自動無擾動切換：副回路MODE值由0變?yōu)?
　　②自動->手動無擾動切換：副回路MODE值由1變?yōu)?
　　③自動->串級無擾動切換：副回路CLC由0變?yōu)?，主回路MODE由0變?yōu)?，副回路MODE由1變?yōu)?
　　④串級->自動無擾動切換：副回路MODE由2變?yōu)?，主回路MODE由1變?yōu)?，副回路CLC由1變?yōu)?。
　　⑤手動->串級無擾動切換：副回路MODE由0變?yōu)?，副回路CLC由0變?yōu)?，主回路MODE由0變?yōu)?，副回路MODE由1變?yōu)?
　　⑥串級->手動無擾動切換：副回路MODE由2變?yōu)?，主回路MODE由1變?yōu)?，副回路CLC由1變?yōu)?,副回路MODE由1變?yōu)?。
　　
10．結(jié)束語

　　 力控控制策略將在成本、開放性、靈活性、功能和界面等方面給企業(yè)用戶提供了最佳的控制系統(tǒng)解決方案。