数字PID调节器在选煤厂中的应用.pdf

数字数字 PIDPIDPIDPID 调节器在选煤厂中的应用调节器在选煤厂中的应用 田庄选煤厂 PID 调节器是连续控制系统中技术成熟、应用广泛的一种调 节器，具有结构典型、参数整定方便、结构改变灵活、控制效果 好等优点。尤其是在工业过程控制中，由于许多控制对象的精确 数字模型无法建立，难以用控制理论进行分析，所以往往采用 PID 调节器。随着微机技术的发展，在选煤行业中数字 PID 控制 在选煤微机控制系统中得到了广泛的应用， 比如重介密度控制系 统中密度控制、 液位控制和压力控制等。 数字 PID 控制采用模拟 化设计方案，对模拟 PID 调节器进行数字化，得到数字 PID 调 节器，最后编写程序在计算机上实现。 1 1 1 1数字数字 PIDPIDPIDPID 调节器在选煤厂重介密度控制系统中的典型应用调节器在选煤厂重介密度控制系统中的典型应用 根据选煤的工艺要求，对选煤控制系统中的加水调节阀，分 流执行器，变频器等闭环控制采用就地、自动两种控制方式，就 地控制方式下通过人工进行手动调节，自动方式下通过数字 PID 调节器进行自动调节。 1.1密度控制系统 为了确保合格介质桶的密度稳定到工艺所需的要求，在合格 介质泵出口管道上安装放射性同位素密度计来连续测量密度值， 即过程变量 PV，通过密度转换器转变成标准的 4-20mADC 信号 送给 PLC。在 PLC 内部的数字 PID 调节器，通过对给定值（SP） 与过程变量（PV）之间差值（△SP-PV）的运算，输出到现场 的加水调节阀和加介分流箱执行器，去控制介质的稳定。 1.1.1系统调节过程 在生产过程中，如果系统受到外来干扰而使运行工况发生偏 移时， 数字 PID 调节器能进行必要的操作来抵消干扰的影响， 以 使运行工况恢复正常。具体调节过程分以下两种情况 1若给定值（SP）大于过程变量（PV） ，即△为正值，数字 PID 调节器经过运算后输出到现场，先关闭加水阀门，在关闭加 水阀门的过程中，若 SPPV，则调节过程结束，系统达到一个 新的平衡状态。如果加水调节阀完全关闭后，给定值（SP）还大 于过程变量（PV） ，则开始打开执行机构（或者说加大该分流箱 的开度） ，直至 SPPV，系统达到平衡状态。 2若给定值（SP）小于过程变量（PV） ，即△为负值，数字 PID 调节器经过运算后输出到现场，先关闭执行机构，在关闭执 行机构的过程中，若 SPPV，则调节过程结束，系统达到一个 新的平衡状态；如果执行机构完全关闭后，给定值（SP）还小于 过程变量（PV） ，则开始打开加水调节阀（或者说加大该阀门的 开度） ，直至 SPPV，系统达到平衡状态。 在计算机监控系统上面， 可以将调节系统进行自动/手动无扰 切换， 当系统切换到手动状态时， 通过鼠标或键盘进行手动操作 ， 保证合格介质密度的稳定，维持系统的正常运行。 1.1.2系统调节参数 通过以上的调节过程可以看出 （1）加水调节阀与加介调节阀有一个先后动作的过程，二 者不同时动作， 这样可以保证合格介质桶的液位在调节过程中处 于非常缓慢的变化过程当中，不至于出现快速波动。 （2）被调参数合格介质桶的密度。 （3）调节参数加水、加介量。 （4）调节对象清水调节阀门、分流箱执行器。混料桶的 密度控制原理同上。 1.2液位控制系统 为了确保混料桶的液位稳定到工艺所需的要求，在混料桶上 安装超声波液位计来连续测量桶位值（即过程变量 PV） ，测量转 换为标准的 4-20mADC 信号送给 PLC。在 PLC 内部的数字 PID 调节器， 通过对给定值 （SP）与过程变量（PV）之间差值（△SP- PV）的运算，输出到现场的执行机构，去控制分流箱的开度。 1.2.1系统调节过程 在生产过程中，如果系统受到外来干扰而使运行工况发生偏 移时，自动调节系统能进行必要的操作来抵消干扰的影响，以使 运行工况恢复正常。具体调节过程分以下两种情况 （1）若给定值（SP）大于过程变量（PV） ，即△为正值，数 字 PID 调节器经过运算后输出到现场， 先打开分流箱执行器， 在 打开执行器的过程中，若 SPPV，则调节过程结束，系统达到 平衡状态。 （2）若给定值（SP）小于过程变量（PV） ，即△为负值，数 字 PID 调节器经过运算后输出到现场， 先关闭分流箱执行器， 在 关闭执行器的过程中，若 SPPV，则调节过程结束，系统达到 平衡状态； 1.2.2系统调节参数 通过以上的调节过程可以看出 （1）执行机构与加水调节阀有一个先后动作的过程，二者 不同时动作， 这样可以保证合格介质桶的液位在调节过程中处于 非常缓慢的变化过程当中，不至于出现快速波动。 （2）被调参数混料桶的液位。 （3）调节参数分流量。 （4）调节对象分流箱执行器。 2 2 2 2数字数字 PIDPIDPIDPID 调节器参数整定的方法调节器参数整定的方法 数字 PID 调节器参数整定的方法有很多种， 现场实验法是工 程中常用的一种 PID 调节器参数整定方法， 它是通过凑试法来整 定参数的。首先，根据经验先选择一组参数，让系统试运行，观 察系统的动态和静态指标。 然后针对存在的问题， 根据 PID 调节 器算式中各个参数对系统的大致影响，反复修改参数，直至系统 达到满意的性能指标为止， 得到 PID 的各个参数， 以达到最好的 控制效果。 数字 PID 调节器的参数有采样周期 T、比例系数 Kp、积分 时间常数 Ti 和微分时间常数 Td。 生产过程中多数定值控制系统 ， 一般要求调节过程超调量要少，调整时间要短，没有静差。这些 都应该通过合理选择 PID 调节器的参数来实现。 2.1采样周期 T 的选择原则 在数字控制系统中，对连续信号采样时，从信号的保真角度 来考虑，采样周期不宜过长，应有一个上限值，它有采样定理来 确定。采样定理要求采样角频率ωS≥2ωmax，ωmax为被采样信 号的最高角频率。因为ωS2π/T，所以有T≤π/ωmax 从理论上讲，采用周期越短越好，但在 PID 算式中，积分作 用和微分作用均与采样周期的选择有关。T 少到一定值时，由于 受 A/D 转换精度的限制，偏差信号的增量将变为零，此时计算 机将失去调节作用，而且，T 越短要求计算机的运算速度越快。 所以必须合理选择采样周期 T。根据采样周期选择经验以及被控 对象的特点及参数，先选择一个采样周期 T，然后进行实验，根 据被控对象的实际控制效果，再反复改变 T，直到满意为止。采 样周期的经验数据是密度 （1520s） 、液 位（68s） 、压 力（310s）。 2.2PID 调节器各参数对系统响应的影响 1比例系数 Kp，Kp 太小，会使系统动作缓慢，增大 Kp 有 助于加快系统的响应， 在有静差的情况下有利于减小静差。 但是 ， Kp 过大会使系统有较大的超调，并且可能产生振荡，是系统稳 定性破坏。 （2）积分时间 Ti，Ti 太大，对系统性能影响较小，以至于 不能减小稳定误差，减小 Ti 将加快静差的消除，但是会增大超 调量，会使系统振荡次数增多，稳定性变坏。 （3）微分时间 Td，微分控制可以改善动态特性，增大 Td 有助于加快系统的响应减少超调量，增强稳定性，但系统对扰动 的抑制能力减弱，容易受干扰。 2.3试凑步骤 （1）首先调试比例环节，采用 P 调节器控制，将 Kp 由小变 大，观察相应的系统响应，直到得到反应快速、超调量小的响应 曲线为止。 （2）若调节 Kp 系统静差不能满足设计要求，那么需加入积 分环节。 首先，Ti 取一个较大值， 同时适当减少第一步获得的 Kp （如取原值的 80左右） ， 使系统在PI 调节器控制下运行。 然后 ， 减少 Ti，并适当修改 Kp，使系统在保持良好的动态性能的情况 下消除静差。 （3）若采用 PI 调节器控制时系统的动态性能不好，则可以加入 微分环节， 构成 PID 调节器。 逐步增大 Td， 并相应修改 Ti 和 Kp， 以获得满意的响应曲线，最终确定整定参数。