AI型PID調(diào)節(jié)器在氫氮自動(dòng)配比系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要:分析自適應(yīng)PID控制在氣體行業(yè)中應(yīng)用的理論依據(jù),闡述宇電儀表PID調(diào)節(jié)器成功應(yīng)用于氫氮自動(dòng)配比系統(tǒng)中的案例,著重講述PID調(diào)節(jié)器的工作過(guò)程及操作方法。
關(guān)鍵詞:氫氮自動(dòng)配比 智能工業(yè)調(diào)節(jié)器 自整定PID控制
前言
隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展,氣體設(shè)備逐漸應(yīng)用到化工、電子、鋼鐵等行業(yè)中;傳統(tǒng)的手動(dòng)配氣裝置已經(jīng)達(dá)不到后續(xù)用氣的純度、流量和壓力等技術(shù)指標(biāo),靈活性顯然也達(dá)不到用氣的要求。自動(dòng)配比裝置應(yīng)運(yùn)而生,然而目前氣體行業(yè)中使用控制方式也是傳統(tǒng)的模糊控制方式,目前市場(chǎng)上多數(shù)的工業(yè)調(diào)節(jié)器滿足不了配氣系統(tǒng)中的精度要求。宇電公司的AI人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器在氫氮自動(dòng)配比系統(tǒng)中的應(yīng)用是氣體行業(yè)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)的少有的成功案例。AI型人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器的輸入采用數(shù)字校正系統(tǒng),內(nèi)置常用熱電偶和熱電阻非線形校正表格,測(cè)量精度高達(dá)0.2級(jí);采用先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu),提供豐富的輸出規(guī)格;關(guān)鍵是采用了先進(jìn)的自整定PID算法。
采用自整定PID控制方式的理論依據(jù)
目前的大多數(shù)工業(yè)控制回路中采用的各種形式的PID控制算法。PID即是Proportion(比例)、Intergral(積分)和Differential(微分)的簡(jiǎn)稱,PID的控制規(guī)律即是指控制器的輸出信號(hào)是由輸入偏差按比例、積分和微分的數(shù)字關(guān)系組合成的函數(shù)。PID的控制規(guī)律形式如下所示:
u(k)=kp[e(k)++TD]
其中kp為比例系數(shù);T1為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù);u(k)為采樣時(shí)刻k時(shí)的輸出值;e(k)為采樣k的偏差值;e(k-1)為采樣時(shí)刻k-1時(shí)的偏差值。
PID調(diào)節(jié)是比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)三種作用的綜合,它的比例作用能使偏差較快地得到校正;積分作用能消除余差,而微分作用在有偏差時(shí)出現(xiàn)時(shí),能立刻產(chǎn)生幅度的校正偏差的作用,從而縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間,提高了調(diào)節(jié)效率和精度。盡管普通的PID調(diào)節(jié)相對(duì)手動(dòng)調(diào)節(jié)和位式調(diào)節(jié)其精度已有明顯的提高,波動(dòng)已大大減少,但普通PID控制不適用于大時(shí)間滯后的控制對(duì)象以及參數(shù)變化較大的控制對(duì)象。自整定PID控制方式是在普通PID控制方式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的,其根據(jù)滯后時(shí)間和偏差大小選擇P、I、D值并有效地使用PI、PD或PID控制,這種方式有效地縮短了滯后時(shí)間和提高精度。
AI型調(diào)節(jié)器在應(yīng)用中的工作過(guò)程和操作過(guò)程
⑴氫氮自動(dòng)配比系統(tǒng)概述
氫氮自動(dòng)配比系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由N2管道、3H2+N2管道、混合罐、截止閥、流量計(jì)、壓力表、器分析儀、電動(dòng)閥門、PID調(diào)節(jié)器和電控系統(tǒng)組成。
N2、3H2+N2進(jìn)入混合罐混合后由出口處取樣經(jīng)氫分析儀中傳感器采樣顯示純度并把純度采樣模擬量轉(zhuǎn)換成4-20mA電流模擬量傳送給PID調(diào)節(jié)器,經(jīng)PID調(diào)節(jié)器中微處理器分析處理后輸4-20mA電流傳送給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制3H2+N2的流量,從而控制混合氣中氫氣混合比例的目的。
⑵PID調(diào)節(jié)器自整定過(guò)程實(shí)例分析
華達(dá)微電子有限公司氫氮自動(dòng)配比系統(tǒng)要求純度15%,根據(jù)記錄數(shù)據(jù)繪制的自整定控制的變化過(guò)程圖如圖4。
圖4
PID設(shè)定值為15%,偏差用E來(lái)表示,β=1-2%,ε=0.2%;
當(dāng)純度在a 以下時(shí),即E〈-1時(shí),閥門全開,不需要進(jìn)行PID控制;
當(dāng)純度在ab之間時(shí),即-1〈E〈-0.2時(shí),用PD控制,這是因?yàn)樵谝话鉖ID控制中,當(dāng)閥門有大幅度的改變時(shí),由于此時(shí)偏差較大,以及閥門有機(jī)械慣性和氫分析儀有采樣滯后性,故在積分項(xiàng)作用下,往往產(chǎn)生較大超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間波動(dòng);
當(dāng)純度在bc之間變化時(shí),即|E|〈0.2時(shí),用PID調(diào)節(jié)控制;
當(dāng)純度在ce之間時(shí),閥門開度減??;
當(dāng)純度在ef之間時(shí),又回到PID調(diào)節(jié)控制;
當(dāng)純度在fg之間時(shí),回到PD調(diào)節(jié)控制。
經(jīng)過(guò)三個(gè)整定周期,純度會(huì)穩(wěn)定在15±0.2%。根據(jù)實(shí)際調(diào)試記錄,AI型PID調(diào)節(jié)器完全能夠滿足系統(tǒng)控制精度控制要求。
⑶AI型PID調(diào)節(jié)器的性能優(yōu)越性
AI型PID調(diào)節(jié)儀兼容熱電偶、熱電阻、線形電壓、線形電流和線形電阻等規(guī)格的輸入;測(cè)量范圍寬、精度高、溫度漂移小、響應(yīng)時(shí)間短;輸出規(guī)格包括了繼電器觸點(diǎn)開關(guān)輸出、可控硅無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)輸出,SSR電壓輸出、可控硅觸發(fā)輸出和線形電流輸出。儀表硬件采用了先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì),具備5個(gè)功能模塊插座:輔助輸入(MIO)、主輸出(OUTP)、報(bào)警(ALM)、輔助輸出(AUX)及通訊(COMM)模塊。
在氫氮自動(dòng)配比系統(tǒng)中,我們選用了AI-808功能增強(qiáng)型人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器,因其在AI-708基礎(chǔ)上增加了手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換,閥門電機(jī)控制等功能。選擇安裝I4輔助輸入模塊,可擴(kuò)充0-20mA或4-20mA電流信號(hào)輸入,并且內(nèi)置24VDC電源輸出,可直接連接2線制變送器;輸出選擇光電隔離型線形電流輸出模塊,支持0-20mA及4-20mA輸出,占用儀表內(nèi)部12VDC電源。如果需要報(bào)警系統(tǒng)還可選擇一路報(bào)警或兩路報(bào)警模塊。
⑷AI型PID調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)應(yīng)用中參數(shù)設(shè)置和操作方法
AI型PID調(diào)節(jié)器 具有豐富的參數(shù)來(lái)定義儀表的輸入、輸出、報(bào)警、通訊及控制方式。關(guān)系到系統(tǒng)正常使用的輸入?yún)?shù)務(wù)必提前設(shè)置好,輸入規(guī)格SN設(shè)置為15(4-20mA輸入);輸出規(guī)格OPT設(shè)置為4(4-20mA線形電流輸出);控制方式設(shè)置為1,采用PID調(diào)節(jié),允許從面板啟動(dòng)執(zhí)行自整定功能。
氫氮自動(dòng)配比設(shè)備安裝就續(xù)條件具備后啟動(dòng)電氣系統(tǒng)電源,先通過(guò)調(diào)節(jié)器手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度大小達(dá)到要求配氣的純度,調(diào)節(jié)器設(shè)定值為要求值(比如15%),等純度穩(wěn)定后從調(diào)節(jié)器面板上啟動(dòng)自整定功能,顯示窗口閃動(dòng)AT字樣即進(jìn)入自整定功能,PV顯示窗口會(huì)出現(xiàn)純度值波動(dòng),因?yàn)榇藭r(shí)儀表執(zhí)行位式調(diào)節(jié),儀表內(nèi)部微處理器根據(jù)位式控制產(chǎn)生振,分析其周期、幅度及波形來(lái)自動(dòng)計(jì)算出M5、P、t等控制參數(shù),經(jīng)2-3次振蕩(大概需要20-30分鐘)后顯示器停止閃動(dòng)“AT”字樣,自整定結(jié)束。此時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)處于正常工作的狀態(tài),如果純度有波動(dòng)可適當(dāng)手動(dòng)調(diào)節(jié)M5、P、t參數(shù)。M5是保持參數(shù),與PID調(diào)節(jié)的積分時(shí)間起相同的作用,其值越小,系統(tǒng)積分作用越強(qiáng);其值越大,積分時(shí)間越短;P為速率參數(shù),類似PID調(diào)節(jié)的比例帶,但變化相反,P值越大,比例、微分作用成正比增強(qiáng),P值越小,比例、微分作用相應(yīng)減弱;t為滯后時(shí)間,被控系統(tǒng)的滯后效應(yīng)是影響控制效果的主要原因,系統(tǒng)滯后時(shí)間越大,要獲得理想的控制效果就越困難。只要選擇精度高、響應(yīng)速度快的氫分析儀和電動(dòng)閥門與之相適應(yīng),系統(tǒng)工作狀態(tài)就很理想。
結(jié)語(yǔ)
綜上所述,使用AI型調(diào)節(jié)器控制氫氮自動(dòng)配比系統(tǒng)比手動(dòng)、位式調(diào)節(jié)及普通調(diào)節(jié)都要好的多。AI型人工智能調(diào)節(jié)算法是采用模糊規(guī)則進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的一種新型算法,能在調(diào)節(jié)中自動(dòng)學(xué)習(xí)記憶被控對(duì)象的部分特征使效果更優(yōu)化的智能工業(yè)調(diào)節(jié)器。
參考文獻(xiàn):
⑴ 王劃一 主編 自動(dòng)控制原理 國(guó)防工業(yè)出版社
⑵ 孫立博 主編 自適應(yīng)PID控制實(shí)驗(yàn)研究 機(jī)電工程技術(shù)期刊