微分项分离PID控制器的应用

摘要：在了解过程工况的基础上，对增量式PID控制算法的微分项分离用来判断过程值的加速度误差变化并 适当配置参数，以求预测过程值并提前输出至执行器。实践证明控制效果有较大改善。 关键词：增量算法；微分项分离；加速度误差变化 中图分类号： TS736+.3 文献标识码：B 1 问题的提出 造纸业制浆系统的热分散机中，背压控制用以保证磨浆和分散效果。某公司的热分散系统进出料如图1： 热分散主机压力控制如图2： 图1中的斜螺旋输送机为国产配套，由于安装坡度大以及斜螺旋本身的缺点造成浆料进入热分散不均匀，从而造成分散机背压波动大。特别是在进料多时，若调节不及时很容易造成主机和管道堵塞，被迫停机清洗。因此希望在压力刚发生变化时就能较快的调节阀门。 2 问题分析 这是一个被调量为压力，调节量为流量的控制回路，所选执行器为等百分比V型调节球阀。如果能预测到被调量变化并提前输出至执行器，以补偿过程和阀门的滞后，则有可能改善控制。原控制回路的程序是用增量算法在西门子S7－416控制器上实现的。位置式与增量式的差分方程分别如下： 虽然(2)式是由(1)式推导来得,但在实际应用中,它不能可靠的完成比例控制,而且也无法很好的完成选择性控制功能[1]。因此考虑把微分项分离出来作预测使用。相对于误差变化⊿e(t), 加速度误差变化⊿2e(t)具有更好的预测功能。它们的差分方程分别为（选择单位时间为1,用差分代替各阶有限微分）： 可以发现，（4）式等号右边与增量式(2)的微分项一样。而且从形式上看，（4）式比（3）式有更好的滤波作用。图4中的曲线1是用⊿2et预测的一个曲线，它是与一个系数相乘以后叠加在过程值（PV ）上得到的。曲线2是实际的过程值（PV ）。可以看到曲线1的波峰比曲线2提前。如果把曲线1作为过程值的修正值并经处理后送至执行器，就有可能获得良好效果。控制结构如图3所示。在对过程值进行预测判断并补偿后，输出一个SUMAI值给常规PID控制器（常规控制器的微分项系数设为零），处理后再去驱动执行器。这种做法可以很方便的植入到原来的系统中。 3 控制的实现 3.1 采用分段控制 图3中的SUMAI根据需要进行分段补偿。并且 式中 k：系数,（详见表1） 根据过程的实际情况，K在过程值下降沿和上升沿分别采用不同参数。再结合偏差上限和下限，类似于在调节初期微分作用增强，后期则减弱微分增强积分。为了防止压力在最底值时阀门超调造成浆料忽然高而阀门来不及调节，对过程的最低值进行了限制（此时SUMAI≡常数）以降低常规控制器的偏差，如图5中的曲线1（另一条为实际过程曲线）。若不限制，由于实际过程值偏低，阀门将继续快速关闭以提高压力，但是由于过程的原因，此时可能有大量浆料马上进入，阀门将来不及开大而造成堵塞。不过，这是以降低下限的调节效果为代价的。 由于使用了分段控制，只以改善波峰波谷为目的，中间过程仍然为传统的PID(微分项设为零)控制。尽量避免了控制过程可能出现的震荡。 3.2 过程状态的判断 设定了多个限定值以确定过程值是在上升或下降。主要是判断负偏差区域过程值的上升或下降和正偏差区域过程值的上升或下降。这是由加速度误差变化⊿2et和偏差et限定值共同确定的。在满足上升或下降的条件时，才对过程值进行预测和补偿。并把得到的补偿值参与分段控制。表1描述了分段区间与K (et > Sv-LL时)取值情况。 3.3 采样间隔与信号保持 为了最大限度防止对补偿信号的漏检，需考虑采样间隔与信号保持。采样间隔越小越能真实的反映过程情况，也越能得到及时的加速度误差变化，有利于系统判断与决策。由于回路的整个控制周期在7秒左右，而过程的压力波动在2秒左右（这里指上升或下降过程，只有这时才能检测到加速度），所以增加了带延时的信号保持器。当检测的加速度达到阈值时，计算出来的修正值（SUMAI）将保持一个时间，同时这个时间值要小于控制周期。 3.4 控制的实现 输入程序并适当调整参数后，系统获得较好效果。图6、图7是工况较差时前后连续10分钟的历史曲线，可以看到图7波峰值明显受到抑制。 4 结束语 西门子S7系列CPU 416-2对浮点运算的最小处理时间只有0.48uS。S7系列的模拟输入模块可以有效的抑制工频干扰，保障了采样的真实性。由于在控制器中把微分项分离出来单独使用，从而增加了灵活性和选择性控制。这种算法是在了解过程工况的基础上形成的，因此程序编制相对来说比较简单，节省运行时间，能改善很多波动大的场合的控制效果。 参考文献； [1] F.G.Shinskey著.萧德云、吕伯明 译.过程控制系统——应用、设计与整定[M].（第3版）.清华大学出版社,2004 [2]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].第一版.机械工业出版社,2005.1 Application of Derivative—separated PID Controller Wang Shang-hua (Shanxi Weiye Paper Co., Ltd., Taiyuan 030025,China) Abstract: Based on the knowledge of process, the Derivative portion is separated from the incremental-algorithm equation of PID controller to consider the change of acceleration error and dealt with using suitable parameters. These are used to predict the process value and correct the output variable. Actual results show that the Derivative－separated PID controller is more effective than normal . Key words：incremental algorithm；Derivative－separated；change of acceleration error