【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(dòng)切換等方面介紹了力控pStrategy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(dòng)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(dòng)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(huì)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(jí)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(dòng)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(dòng)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.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。

3．設(shè)置PID算法塊屬性及參數(shù).

4．PID控制器的信號(hào)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，如圖五所示：


圖五 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。

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。

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)

5.1 雙擊PID點(diǎn)，可以查看PID點(diǎn)參數(shù)：

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


6．編譯、運(yùn)行

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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)趨于不穩(wěn)定。KP太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)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(hào)選擇不當(dāng),對象狀態(tài)(PV值)就會(huì)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(hào)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(huì)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(dòng)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(dòng)控制方式：PID控制器的輸出由手動(dòng)完成，SPL、SPC、SP、PV具有自動(dòng)跟蹤功能目的是使手動(dòng)到自動(dòng)無擾動(dòng)切換，最終穩(wěn)定在OP值。
自動(dòng)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(dòng)->自動(dòng)無擾切換：將PID點(diǎn)參數(shù)MODE值由0設(shè)為1
由自動(dòng)->手動(dòng)無擾切換：將PID點(diǎn)參數(shù)MODE值由1設(shè)為0
9．串級(jí)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(jí)控制回路為例，詳細(xì)說明力控串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及各種無擾動(dòng)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(dòng)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(jí)控制系統(tǒng)。
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。

圖六 串級(jí)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(dòng)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(jí)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(jí)回路的特點(diǎn)為：
①主回路只能工作在手動(dòng)方式：改變副回路的OP值，主回路自動(dòng)跟蹤，使切換到自動(dòng)為無擾動(dòng)的，其中主回路的OP值傳遞給副回路。
②副回路為自動(dòng)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(jí)回路的特點(diǎn)：
①副回路不能在手動(dòng)方式下工作
②主回路可以工作在手動(dòng)、自動(dòng)控制方式