基于分段PID控制的高溫泵水溫控制系統

朱景紅，王汝才

(山東省農業機械科學研究院，山東 濟南 250100)

0 引言

隨著我國工業化進程的快速發展，高揚程高速泵用于輸送高溫介質已很普遍。如核電用泵一般都在高溫高壓條件下工作，其性能及運行可靠性將直接對核電能力及安全產生影響[1-3]。所以出廠前必須對該類泵進行試驗。傳統的水泵控制系統主要是由繼電器控制線路組成，存在諸多不足，本文采用PLC控制提高了系統的自動化水平。相對傳統水泵微機測試系統而言，其處理速度快、精度高、抗干擾能力強以及實時控制性更好[4-5]。

本文以某企業具體橫向課題為研究背景，采用S7-300PLC核心控制系統來實現高溫離心泵閉式管路試驗，主要分析了溫度控制系統，控制過程中采用分段PID控制方法、調用FB43功能塊將連續變化的模擬量轉化為周期性輸出的脈沖串，通過固態繼電器實現對加熱裝置的開關控制。

1 溫度控制系統設計

1.1 溫度控制回路組成

被試泵為高溫泵，做閉式管路試驗時需將儲水罐內水溫加熱到指定數值。本試驗加熱裝置是在罐體底部內置的加熱棒。控制系統采用S7-300PLC為控制模塊，上位機采用易控組態軟件為監控平臺，主要進行人機界面設置以及泵的性能分析。利用PT100溫度傳感器進行溫度采集，溫度信號經過壓力變送器后傳輸給PLC的模擬量輸入模塊SM331，經過PLC濾波處理后得到實際溫度值，作為過程變量PV進行下一步計算。

利用設定溫度值SP與過程變量PV的偏差進行PID運算，將PID運算結果以周期性脈沖串輸出到固態繼電器，由固態繼電器控制加熱裝置，整個控制過程構成一個閉環控制系統。PLC通過模擬量采集模塊SM331反饋回來的實時溫度PV,獲取偏差值ER，偏差經過PID調節器運算輸出，控制加熱裝置加熱時間，以克服偏差，促使偏差趨近于零，溫度控制框圖見圖1。

圖1 溫度控制框圖

PID輸出為模擬量，加熱裝置的開關為開關量，試驗中PLC調用FB41功能塊進行PID運算，然后再調用脈沖寬度調制器FB43，FB43的脈沖發生器(PULSEGEN)一般與FB41的連續調節控制器(CONT_C)一起使用，即將FB41的輸出作為FB43的輸入。FB43的脈沖發生器可以通過調制脈沖寬度，將其輸入變量“INV”(=PID控制器的輸出)轉換為一恒定周期的脈沖串，即將連續變化的模擬量轉化為周期性脈沖串，通過固態繼電器實現對加熱裝置的開關控制。

1.2 溫度傳感器數據采集處理

罐體上只有一個溫度傳感器，受外界溫度變化及硬件自身精度等因素影響，采集一個溫度信號作為過程變量值并不準確。本試驗采用均值濾波的方式來保證其準確性。程序中設定每50 ms取一個溫度值并依次排列，順序取10個數值，然后去掉最大最小值，剩余取平均值作為實際溫度值。

均值濾波部分程序如下(該段程序采用結構化控制語言(SCL)編寫)：

VAR_OUTPUT

PIW_OUT:REAL;

END_VAR

VAR_TEMP

END_VAR

VAR

PIW_IN_REAL:REAL;

DATA_STORE:ARRAY[0..9] OF real;

F_COUNT:INT;

TOTAL_DATA:REAL;

END_VAR

TOTAL_DATA:=0.0;

PIW_IN_REAL:=PIW_IN;

FOR F_COUNT:=0 TO 8 BY 1 DO

DATA_STORE[F_COUNT]:=DATA_STORE[F_COUNT+1];

END_FOR;

DATA_STORE[9]:=PIW_IN_REAL;

FOR F_COUNT:=0 TO 9 BY 1 DO

TOTAL_DATA:=TOTAL_DATA+DATA_STORE[F_COUNT];

END_FOR;

2 分段PID控制及提前加熱補償

2.1 分段PID控制方法應用

PID控制規律是通過比例(P)、積分(I)以及微分(D)計算獲得輸出結果，將PID中的微分部分設置為0，則PID控制變為PI控制。本文的溫度控制系統采用PI控制。

溫度控制過程中，在設置比例系數和積分時間常數時，要么超調量過大，要么調節時間過長，難以找到一個合適的比例系數和積分時間。如果引入分段PID控制，將比例系數與積分時間作為變量，而不是整個控制過程用一固定值。當設定值(SP)與過程變量(PV)偏差較大時，適當加強比例與積分作用，使PID輸出在短時間內迅速增長；當偏差較小時，將比例與積分作用適當減弱，讓PID輸出減速；當偏差很小時，再進一步減小比例與積分作用，讓PID的輸出加速度進一步放慢。該控制過程在偏差較大時加快了升溫速度，偏差較小時又避免了超調情況出現，使得整個系統的控制性能大大提高[6]。

按照上述控制思路將PID分為三段。程序編寫時需根據系統的實際情況而定，分段點以偏差率為基準，偏差率等于偏差值ER除以設定值SP。當偏差率大于50%時，比例系數與積分時間分別為gain1和TI1；當偏差率在50%～20%時比例系數與積分時間分別為gain2和TI2；當偏差率小于20%時比例系數與積分時間分別為gain3和TI3。比例系數和積分時間具體數值通過多次試驗歸納總結得出。

2.2 提前加熱補償應用

本閉式管路系統需對4種不同規格型號的泵進行試驗，4種泵對應管徑分別為DN15、DN25、DN50、DN100。試驗過程如下：當罐體內水溫達到設定值時，先開啟對應管路閥門，然后開被試泵電機進行試驗。由于加熱罐為密封罐，管路中水溫相對加熱罐中水溫度低很多，當被試泵初運轉時，隨著管路中水循環進入加熱罐，罐體內水溫會急劇下降，管徑不同，下降幅度不同，管徑越大，下降幅度越大。管徑DN100的被試泵初運行時，檢測到罐體內溫度大約降15 ℃左右，管徑DN50的大約降10 ℃左右，管徑DN25的大約降7 ℃左右，DN15管路水溫下降不大，采用正常PID調節即可。

針對上述問題，為了加快升溫速度，在程序中引入提前加熱補償的方法，具體如下：在被試泵開啟之前，開閥門時就進行加熱補償，如DN100管路，將補償輸出設為20%，此時正常PID的輸出若為20%，則兩者相加之和為40%，將40%作為FB43功能塊的輸入。即在溫度驟降之前就進行加熱補償，充分了利用這個時間差。當檢測到罐體內水溫和設定溫度值之差在2 ℃以內，則停止加熱補償，進行正常的PID調節。

由PID調節器的輸出工作模式可知PID輸出是0%～100%中的一個值，加上補償后可能大于100%，為此將兩者之和限幅為100%。提前加熱補償與正常不進行補償的調節相比，加熱速度明顯提升。

3 結論

本文通過調用FB43功能塊，將PID模擬量輸出轉化為周期性脈沖串輸出，控制加熱裝置開關。分段PID控制方法的應用使得系統的控制性能得到改善；提前加熱補償提高了加熱速度，具體補償量目前是根據試驗多次嘗試獲得的，后續研究可進一步進行理論驗證并尋找出更合適的方法。