一種分段PID規律控制系統設計及編程應用

劉 淵 趙輝堂 廖永貞 劉中明 楊鐵成 李公社

（中核蘭州鈾濃縮有限公司，甘肅 蘭州 730065）

一種分段PID規律控制系統設計及編程應用

劉 淵 趙輝堂 廖永貞 劉中明 楊鐵成 李公社

（中核蘭州鈾濃縮有限公司，甘肅 蘭州 730065）

物料加熱液化分階段進行升、恒溫生產過程，物料溫度作為主控變量，各階段升溫過程要求按規定速率進行升溫、恒溫過程要求按定時定值進行恒溫；限值控制執行對主控變量控制存在關聯性影響，從而產生升溫超速與二次恒溫問題。對此，采用溫度設定、參數自整定、邏輯控制方法，設計了分段PID規律控制策略，并利用ST語言和FBD語言編程，由DCS系統實現設計的控制策略。該控制策略實現了生產過程控制要求，成功解決了該生產過程的復雜控制問題，并克服了升溫超速與二次恒溫問題，應用效果良好。

分段PID規律 溫度設定 參數整定 邏輯控制 ST語言 編程

0 引言

隨著我公司對有關產品的生產系統進行技術改造升級，工藝生產過程發生較大變化。生產系統采用集散控制系統（distributed control system，DCS）對生產過程實施監控。其中，物料加熱液化過程作為關鍵生產過程，受控溫度參數較多，其物料溫度須連續控制，同時須對加熱器表面和物料容器后端部表面溫度進行限值控制，故溫度控制系統采用開關型選擇性控制系統［1］。物料溫度通過調節加熱器加熱功率進行控制，限值控制由切斷加熱回路、停止加熱實現。

物料溫度參數作為主控變量進行連續控制，而物料加熱液化分四個階段進行升、恒溫生產過程，各階段升溫過程按規定速率進行，恒溫過程為定時定值進行。限值控制執行會導致升溫過程的超速升溫問題和恒溫過程的二次恒溫問題。對此，本文提出了分段PID規律控制策略，設計了DCS系統編程，實現了升、恒溫生產過程的分段PID規律控制。升溫過程按規定速率進行，恒溫過程以定時定值進行，升溫與恒溫控制按不同整定的PID參數進行運算控制，消除了由限值控制作用影響所形成的超速升溫問題和二次恒溫問題。該分段PID規律的溫度控制系統自2011年投入運行以來，控制過程及工藝參數控制均滿足工藝生產需要，系統運行良好。

1 工藝過程

物料加熱液化過程分四階段進行，每個階段均包括升溫、恒溫兩個過程。第一階段，加熱器啟動加熱，容器內物料溫度由室溫按規定速率升溫至第一階段恒溫規定值，保持恒溫至規定時間。第二階段，容器內物料溫度由第一階段恒溫規定值按規定速度升溫至第二階段恒溫規定值，再保持恒溫至規定時間。以相同過程至第四階段，第四階段的恒溫過程完成后，以第四階段的恒溫規定值進行保溫過程，并執行后續生產過程。

2 控制策略制定及控制系統設計

2.1 控制方式

物料容器采用壓熱罐裝置，以電加熱方式、分四階段進行物料加熱液化，每個階段均包括升溫、恒溫兩個過程，物料溫度需連續控制，故作為被控變量；而壓熱罐加熱器的加熱功率為操縱變量，即通過調節加熱器的加熱功率進行物料溫度控制。依據工藝過程要求，在每個階段的升溫過程，被控量按規定速率變化；而在每個階段的恒溫過程，被控變量在規定時間內保持不變。因而采用程序分段PID規律控制方式，其設定值按程序自動設定變化，以實現對物料溫度的連續控制。

2.2 控制系統組成

物料溫度由熱電阻檢測；檢測信號輸入至DCS，與PID控制器的設定值進行比較；偏差信號經PID運算輸出控制信號；控制信號輸入至晶體管調壓器，晶體管調壓器執行加熱器的加熱功率調節。控制系統組成如圖1所示。

圖1 控制系統組成Fig.1 Composition of the control system

2.3 功能實現

2.3.1 溫度設定

對各段物料溫度進行設定，溫度設定值按時間計算出相應值并賦予PID控制器的內給定輸入變量。各段物料溫度計算公式為［2］：

式中：Tn、Tn－1分別為 n、（n－1）時刻溫度設定值；ΔT為本段溫度設定增量值。

對于升溫過程，設定值定時增加等增量值ΔT；而恒溫過程，在規定時間內，設定值的增量值ΔT為零，即設定值是恒定的。

2.3.2 控制原理

PID控制算法采用位置型算法［2－3］，控制算法的傳遞函數為：

差分方程為：

式中：U（s）、E（s）分別為PID輸出量和偏差信號算子；KP、KD分別為比例、微分增益；TI、TD分別為積分、微分時間；T為采樣周期；U（n）為第n時刻的輸出。

控制系統簡化示意方框圖如圖2所示。圖2中：r為溫度設定值；e為偏差值（設定值與輸出值之差）；u為PID控制器輸出的控制量；執行器為晶體管調壓器，執行加熱器的加熱功率調節；對象為物料溫度；變送器為熱電阻溫度計，用于檢測物料溫度，檢測值輸入至PID控制器。

圖2 控制系統簡化示意框圖Fig.2 Simplified schematic diagram of the control system

對于升溫過程，隨著設定值的改變，PID控制器的偏差信號en隨之改變，經運算輸出的控制量Un也隨之改變。由晶體管調壓器調節加熱器加熱功率，實現被控量按設定值的變化速率變化，從而達到升溫過程按規定速率進行升溫。對于恒溫過程，在規定時間內，設定值是恒定的，故被控量按定值控制進行變化，實現物料的恒溫過程。PID參數按升溫過程控制和恒溫過程控制分別進行整定。

2.3.3 參數整定

物料加熱液化過程是典型的一階時滯系統，其傳遞函數為：

物料升、恒溫液化生產過程控制采用分段PID控制。對于升溫過程控制，輸入的設定值是按定時增加等增量值變化的，控制系統可看作隨動控制系統，它要求系統的輸出迅速跟蹤設定值的變化。對于恒溫過程控制，輸入的設定值是不變的，控制系統為定值控制系統，其控制的目的是使系統輸出的最大控制偏差盡可能小。

根據自適應控制的自整定PID參數方法和偏差積分指標最小的整定參數法［4－6］，升、恒溫控制分別采用積分鑒定的積分時間平均偏差（integral time average error，ITAE）指標和積分方差（integral squared error，ISE）指標作為參數整定的目標函數。

應用曲線擬合方法，可分別得到在上述過程模型中升溫控制和恒溫控制的PID參數最優整定公式［7－8］。

升溫過程控制的PID參數最優整定公式如下。

恒溫過程控制的PID參數最優整定公式如下。

在傳遞函數及整定公式中，K、T、τ分別為對象的放大倍數、時間常數和純滯后時間。參數整定通過PID調節器在純比例作用下進行設定值的階躍擾動，辨識出K、T、τ參數值，從而代入整定公式，可分別得到升溫控制和恒溫控制的PID參數。各階段升、恒溫控制的PID參數分別按式（4）～（9）整定。

2.3.4 邏輯控制

執行限值控制時，會引起物料溫度下降。在升溫過程中，設定值以定時等增量值增加而改變，而被控量物料溫度則因加熱回路斷開得不到控制響應；且隨著加熱的停止，物料溫度隨之下降，使得PID控制器的偏差信號增大，輸出較大控制量，而一旦限值控制執行結束，加熱回路接通，會形成超速升溫現象。因此，在升溫控制中設置加熱回路通斷狀態判斷。當加熱回路處于接通狀態時，溫度設定值按定時等增量值增加變化；當加熱回路處于斷開狀態時，溫度設定值按物料溫度測量值而變化，以消除超速升溫現象，確保升溫過程按規定升溫速率進行升溫。

對于恒溫過程，隨限值控制執行結束，加熱回路接通。當物料溫度升至當前恒溫目標值時，若當前時刻為當前目標值的恒溫時間，則繼續執行當前恒溫控制；若是已完成的恒溫過程，則重新執行恒溫過程控制，從而形成二次恒溫現象。因此，在恒溫控制中設置恒溫過程完成狀態判斷，對已完成恒溫過程的恒溫段不再進行二次恒溫，直接執行下階段升溫過程，消除二次恒溫現象。

3 軟件編程

DCS系統選用ESC-100控制系統。該系統為用戶提供了豐富的組態編程語言程序，用戶可通過組態實現常規控制方案，也可根據生產實際的需要和過程控制原理，選擇相應語言編寫程序，實現復雜控制方案。

3.1 程序原理

物料溫度分段控制通過PID控制器的內給定值進行設定。PID參數整定通過升溫控制和恒溫控制分別進行自整定，并采用相應的邏輯控制，以克服限值執行影響。設定值與測量值的偏差信號經PID控制器運算輸出信號控制。依據設計與功能實現原理，分段控制流程框圖如圖3所示。

圖3 分段控制流程框圖Fig.3 Segmented control process

3.2 控制程序

3.2.1 分段控制程序

ESC-100系統提供了強大的圖形化編程軟件SCControl。在操作站上利用該軟件中的ST語言編輯器建立自定義模塊Control_temp，應用ST語言編寫各升、恒溫階段溫度設定，PID參數整定，加熱回路通斷狀態與恒溫過程狀態判斷程序，實現相應功能。在升溫程序中，當加熱回路處于接通狀態時，設定值按每5min增加增量值；當加熱回路處于斷開狀態時，設定值等于測量值，各升溫階段的增量值分別相等。在恒溫程序中，首先判斷當前恒溫過程是否已完成，已完成則執行下階段升溫過程，未完成則執行當前恒溫過程。各階段升溫、恒溫程序分別相同。PID參數整定即按升溫過程與恒溫過程分別賦予對應整定值。

3.2.2 PID控制程序

本文采用圖形化編程軟件SCControl實現PID控制的編程。在操作站上采用功能塊圖（function block diagram，FBD）語言編寫，調用自定義模塊Control_temp與單回路控制擴展模塊（basic single control complex，BSCX），對兩模塊的相關輸入、輸出變量引腳進行接線連接或賦值。其中，單回路控制擴展模塊（BSCX）的給定引腳選擇內給定，與溫度設定模塊的設定輸出值引腳相連接，從而實現PID規律控制程序。

4 應用與效果

對DCS進行系統相關組態，并對所完成的源程序進行編譯、下載安裝，通過離線仿真調試和在線運行調試，完善相關組態、參數設定、邏輯控制等。對于PID參數整定［9－10］，首先選擇BSCX控制模塊外給定，采用純比例作用方式，在常溫工況下，通過改變設定值，使輸出30％量程的控制量進行階躍擾動。同時記錄過程輸出的過渡過程響應曲線，由階躍響應曲線獲得對象的放大倍數K、時間常數T和純滯后時間τ。然后分別代入升溫和恒溫控制的PID參數整定公式。最后分別賦予對應PID參數輸入變量，再選擇BSCX控制模塊內給定。

按照升溫控制使輸出迅速跟蹤設定值變化、恒溫控制使輸出的最大偏差盡可能小的目的，兼顧限值控制相關因素，采用湊試法對升溫和恒溫控制的PID參數進行適當運行調試修正，獲得了最佳控制過程。控制系統投入生產運行后，控制方案及控制程序均符合工藝過程控制要求。

升、恒溫過程控制效果記錄曲線如圖4所示。

圖4 物料升、恒溫過程記錄曲線Fig.4 Recording curve of the temperature rising and holding process of thematerials

5 結束語

控制系統自投入運行以來，控制過程及工藝參數控制均滿足工藝生產需要，系統運行良好。

①對于物料分階段進行的升、恒溫生產過程，在采用開關型選擇性控制時，對主控變量物料溫度實施分段PID規律控制，以實現分階段進行的升、恒溫生產過程控制；

②采用溫度設定、參數自整定的方法實現分段PID規律控制；

③各段升溫過程按規定速率進行升溫，定時定量增加設定值，經PID規律運算控制，實現升溫過程按規定速率進行升溫，恒溫過程按定時定值進行PID規律運算控制。

應用所設計的邏輯控制方法，消除了由限值控制作用影響所形成的超速升溫問題和二次恒溫問題。同時，利用ST語言和FBD語言編寫溫度設定與PID控制程序，由DCS系統實現設計的控制策略。該分段PID規律控制系統成功應用于生產過程控制，解決了本生產過程的復雜控制問題。

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Design and Programming Application of the Segmented PID Regulation Control System

The production process of material heating liquefaction is the phased heating process including temperature rising stage and temperature holding constantly stage，and the temperature ofmaterial is used as themaster control variable.Each temperature rising stage shall be controlled in accordance with specific rate，while the temperature holding stage shall be controlled in accordance with the setpoint and timing.By adopting temperature setting，parameter self-tuning and logic controlmethods，the segmented PID regulation control strategy is designed；and with ST language and FBD language programming，the control strategy is implemented by DCS.This control strategy implements the control requirements for the production process and successfully resolves the complicated control issue of such process and overcomes the temperature rising overspeed and secondary thermostatic problems.

Segmented PID regulation Temperature setting Parameter tuning Logical control ST language Programming

TP273

A

修改稿收到日期：2013－04－09。

劉淵（1967－），男，1990年畢業于東北大學工業自動化儀表專業，獲學士學位，高級工程師；主要從事儀表技術與過程控制研究。