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　　【摘要】主要針對鍋爐控制系統(tǒng)的特點、控制策略的特點及使用方法、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 實時數(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，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，也保證了項目投資成本的最小化。
　　
二、系統(tǒng)特點

　　 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，下面就汽包水位控制過程進行分析，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。汽包水位是鍋爐運行的主要指標(biāo)，水位過高或過低都會帶來比較嚴重的后果。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

圖二 系統(tǒng)圖

　　
三、方案設(shè)計

　　 明確整個控制流程和控制對像，就可以開始設(shè)計方案了。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，充分利用計算機的能力，使本來由硬件完成的功能慢慢轉(zhuǎn)移到計算機處理中，尤其表現(xiàn)在大量數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)中。目前，多個以力控控制策略為上位機的控制系統(tǒng)已成功運行，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，就可以彌補這些設(shè)備在運算、控制能力上的不足。
　　 特點：力控控制策略是應(yīng)用工程運行中的進程之一，與力控實時數(shù)據(jù)庫、IO采集一起構(gòu)成了整個控制系統(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)計中實時數(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時數(shù)據(jù)庫為輸入輸出，同時實時數(shù)據(jù)庫也需要取得算法塊的參數(shù)，方便運行中動態(tài)修改，如PID控制回路的整定。這樣才能確保系統(tǒng)穩(wěn)定地運行。
　　
四、軟件實現(xiàn)

　　 力控控制策略編輯器采用了算法塊圖的形式，設(shè)計簡單、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，下面以一個簡單的PID控制回路從建立到運行的操作過程為例，具體步驟如下：
　　

圖四 控制策略編輯窗口

圖五 建立數(shù)據(jù)庫IO點

圖六 添加PID控制器

圖十三 繪制數(shù)據(jù)庫輸入輸出塊

圖十四 選擇數(shù)據(jù)庫變量

圖十五 已建立連接的算法塊

圖九 PID0點的基本參數(shù)屬性頁

表一 PID點主要參數(shù)表

參數(shù)詳細說明見圖七及表一

圖十 實時數(shù)據(jù)庫和控制策略進程
　　

　　
7．PID調(diào)節(jié)

　　 PID調(diào)節(jié)的最終目標(biāo)是使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，使最大動態(tài)偏差盡可能小、調(diào)節(jié)時間最短、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 = 比例 *（本次偏差 ―　上次偏差）
　　積分項 = 比例 * 偏差 * 采集周期 / 積分時間常數(shù)
　　微分項 = 比例 *微分時間常數(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+ 積分項 + 微分項
　　如果是反作用，則：
　　輸出 = 上次輸出 ― 比例項― 積分項 ― 微分項
　　 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)時間加長。KP太大時，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可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構(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，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）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，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短。KD偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長。只有KD合適，才能使超調(diào)量偏小，減短調(diào)節(jié)時間。
　　
8．單PID控制回路的特點及無擾切換
　　8.1 PID控制回路的特點：
　　 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點參數(shù)MODE值由0設(shè)為1
　　 由自動->手動無擾切換：將PID點參數(shù)MODE值由1設(shè)為0

9．串級控制回路的特點及無擾切換

　　 對一個PID控制器來講，有一個輸入端為SPC，懸空時構(gòu)成為簡單的單回路控制，若要完成更復(fù)雜的控制，如實現(xiàn)外給定或遠程給定等。本文以串級控制回路為例，詳細說明力控串級控制系統(tǒng)的特點及各種無擾動切換過程，同時我們將更深入地了解PID控制器的幾個參數(shù)之間存在的相互制約關(guān)系。
　　 首先，再建立一個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輸出死區(qū)屬性，這個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。
　　9.1 串級控制回路的特點：
　　副回路沒有設(shè)置成外給定方式時（副回路PID的CLC值為0），串級回路的特點為：
　　 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，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)。需要一個新的穩(wěn)定狀態(tài)時，改變副回路OP值即可。
　　副回路設(shè)置為外給定方式時（副回路PID的CLC值為1），串級回路的特點：
　　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，改變OP值來控制副回路的給定；主回路自動方式下工作時，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，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。