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1 概述
　　在現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)中，大型的自動(dòng)控制領(lǐng)域正逐步推廣，通過與變頻器、PID調(diào)節(jié)器、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集等的有機(jī)結(jié)合，自動(dòng)控制系統(tǒng)正向更大、更廣的領(lǐng)域擴(kuò)展，不但在較常見的風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)上應(yīng)用較多，而且在制冷系統(tǒng)、油田油罐恒液位、輸油恒流量等各個(gè)領(lǐng)域都在拓展。但由于各種原因，自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，尤其是參數(shù)的調(diào)整，并不十分令人滿意，存在著穩(wěn)定性差、波動(dòng)大，調(diào)整不及時(shí)等諸多問題。因此，進(jìn)行有關(guān)這方面的研究，探討一下究竟在什么情況下，如何正確快速的調(diào)整參數(shù)，使系統(tǒng)盡可能快的進(jìn)入自動(dòng)控制的穩(wěn)定過程，是眾多參與自動(dòng)控制過程控制的同行們急于解決的問題，這關(guān)鍵在于大家集思廣議，多總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，多思考，掌握調(diào)試方法，針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)、不同的負(fù)載，進(jìn)行完善的調(diào)試，達(dá)到理想的控制過程。
2 自動(dòng)控制的概念
　　所謂的自動(dòng)控制，簡單的說就是將被控對(duì)象的全部或部分的物理量通過不同的采集方法，反饋到控制單元，由控制單元對(duì)反饋量進(jìn)行處理，以達(dá)到控制對(duì)象按人們期望的要求穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。
　　這個(gè)過程需要以下基本的組成部分：

　　其中控制單元是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，不論系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，是否對(duì)被控對(duì)象采集信號(hào)，是否反饋到控制部分，都是十分重要的。若控制單元工作不正常，不但自動(dòng)控制難以實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)根本就無法運(yùn)行。在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中，較常見的控制單元就是變頻器，雖然以前的控制系統(tǒng)即工頻控制系統(tǒng)還可能部分的存在，但由于能耗浪費(fèi)嚴(yán)重等諸多問題，絕大多數(shù)的領(lǐng)域都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了變頻控制。而要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，較簡捷的方式也是選擇變頻器，因?yàn)槔缭谒玫目刂浦校豢匚锢砹抗艿缐毫蛄髁浚杉笠獋鞯娇刂茊卧?，由控制單元根?jù)流量或壓力調(diào)整變頻器的頻率，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到流量或壓力滿足要求的目的。若采用工頻控制，控制單元的頻率無法調(diào)整，也就談不上調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，流量或壓力也就無法調(diào)節(jié)。雖然按工頻控制可調(diào)節(jié)閥門達(dá)到調(diào)節(jié)流量或壓力的目的，但這都是手動(dòng)調(diào)節(jié)，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。所以現(xiàn)在的控制單元首選是變頻器。
　　被控對(duì)象也就是通常所說的負(fù)載，如風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)、壓縮機(jī)等等，這是工業(yè)領(lǐng)域不可缺少的部分，以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量、水量及壓力、溫度的控制。
　　數(shù)據(jù)采集包括對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的物理量的采集，如風(fēng)量、風(fēng)壓、水量、水壓、溫度，有的稱管道壓力，有的稱管線流量，有的采集的是液位，有的采集的是負(fù)壓，如風(fēng)機(jī)，有的采集的是進(jìn)口，有的采集的是出口，但不論怎樣采集，都不外乎這幾種。這個(gè)信號(hào)采集也非常重要，即使不用自動(dòng)控制，這些物理量也是必須采集的。作為一個(gè)控制系統(tǒng)，若流量或壓力超出了要求，就可能出現(xiàn)危險(xiǎn)，如水泵的壓力，對(duì)一個(gè)水泵控制系統(tǒng)而言，其設(shè)計(jì)的管線壓力都是有限的，即有一定的指標(biāo)控制。若管線壓力超出了指標(biāo)要求，就有可能使管線爆裂，造成難以估計(jì)的損失，所以在控制系統(tǒng)中，要隨時(shí)觀察管線壓力的變化，超出指標(biāo)后要及時(shí)停機(jī)，或降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，以保護(hù)管線不受損害。現(xiàn)在的控制系統(tǒng)中大部分都設(shè)定了超限保護(hù)，就是這個(gè)原因。
　　數(shù)據(jù)的采集方法有很多種，如采用壓力表，壓力傳感器，流量計(jì)，壓力計(jì)、溫度變速器等，多數(shù)是0～5V電壓或4～20mA電流信號(hào)，可以傳送到變頻器，為變頻器所能接受。壓力表要采用遠(yuǎn)傳式壓力表，即滑線變阻式，以可變電阻通過變頻器上的電源而變成電壓信號(hào)來便于控制。
　　數(shù)據(jù)處理就是對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)算、處理等，以通過與目標(biāo)值即我們的期望值相比較，如一個(gè)恒壓控制系統(tǒng)，要求壓力穩(wěn)定在3MPa，這個(gè)值就是期望值即目標(biāo)值，實(shí)際值與目標(biāo)值相比較，通過比例、積分、微分的運(yùn)算，然后送到變頻器，調(diào)節(jié)變頻器的頻率，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。這個(gè)比例、積分、微分的運(yùn)算，就是我們通常講的PID控制。若沒有PID控制，就是常規(guī)的手動(dòng)控制，即手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的頻率，達(dá)到實(shí)際值與目標(biāo)值一致。這在工程上通常稱為開環(huán)控制，而PID控制即自動(dòng)控制通常稱為閉環(huán)控制。開環(huán)與閉環(huán)的區(qū)別就在于有無PID的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
3  PID調(diào)節(jié)器的分類
　　在自動(dòng)控制的調(diào)節(jié)中，作為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的PID調(diào)節(jié)器，主要可分為兩種：
　　一是變頻器本身帶有PID調(diào)節(jié)器，通過參數(shù)設(shè)置，從變頻器的控制端子上連接反饋信號(hào)，從面板或控制端子上設(shè)定目標(biāo)值，通過內(nèi)部的PID參數(shù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。這種方式采用內(nèi)部控制，優(yōu)點(diǎn)是不用增加別的器件，直接進(jìn)行控制，投資少，缺點(diǎn)是PID的調(diào)節(jié)精度不高，對(duì)于一般的控制精度不高的場(chǎng)合可達(dá)到要求，對(duì)于要求精密度較高的則難以滿足工況需求。另外，若采用手、自動(dòng)切換的場(chǎng)合，則不好實(shí)現(xiàn)。必須再重新設(shè)置參數(shù)，改成開環(huán)控制才能實(shí)現(xiàn)，比較繁瑣。如有的系統(tǒng)要求開始運(yùn)行時(shí)采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，待系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與目標(biāo)值接近一致時(shí)，再用閉環(huán)運(yùn)行，由被控物理量自動(dòng)調(diào)節(jié)；還有的是在運(yùn)行中反饋環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，如壓力傳感器或流量計(jì)出現(xiàn)問題，不能正常工作，或儀表線出現(xiàn)斷線，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，在不能查出原因的情況下，只能用手動(dòng)先暫時(shí)運(yùn)行，這種情況該方案就比較麻煩，要重新設(shè)置參數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。而有的用戶對(duì)參數(shù)設(shè)置不太熟悉，就會(huì)造成比較困難的局面。
　　二是采用單獨(dú)的PID儀表，將傳感器傳過來的壓力或流量信號(hào)先送到PID的信號(hào)輸入端，經(jīng)PID儀表處理后，經(jīng)過比例、積分、微分的運(yùn)算，其信號(hào)輸出端再連接到變頻器的信號(hào)輸入端，這樣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言是閉環(huán)控制，而對(duì)于變頻器而言，是開環(huán)運(yùn)行。這種方式避免了第一種方式的缺點(diǎn)。變頻器可接成開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，通過一轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)，用PID的輸出信號(hào)是閉環(huán)，不用PID的信號(hào)，而采用變頻器本身的控制信號(hào)則是開環(huán)，這樣就用一個(gè)開關(guān)方便的實(shí)現(xiàn)了兩種控制方式，在轉(zhuǎn)換時(shí)十分方便。再一個(gè)PID調(diào)節(jié)儀是專用的自動(dòng)控制調(diào)節(jié)器件，對(duì)于簡單或復(fù)雜的控制系統(tǒng)，都可以比較精密的進(jìn)行控制，在風(fēng)機(jī)、水泵或空壓機(jī)的運(yùn)行中都可以得到較好的控制效果，因此，這種方式還是比較好的。
　　現(xiàn)在通用變頻器大部分都內(nèi)置了簡易PID功能，有的只有PI功能，只能進(jìn)行簡易的閉環(huán)控制，因此我們建議在做自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，最好還是采用第二種方式，即外加PID的方式，既可以方便的實(shí)現(xiàn)手、自動(dòng)轉(zhuǎn)換，又可以進(jìn)行精密的控制，比較方便，雖然投資有所增加，但控制功能增強(qiáng)，尤其對(duì)于變頻器而言，這種方式工作于開環(huán)控制，通過配合調(diào)整升頻、降頻時(shí)間，也可達(dá)到較好的控制效果，對(duì)變頻器也有利。
4 PID調(diào)節(jié)器的工作原理
　　對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)而言，要想實(shí)現(xiàn)理想的控制效果，就要采用一定的控制手段，使我們預(yù)期的目標(biāo)值，與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的工作值相一致，這就是控制系統(tǒng)最基本的要求。
　　但是目標(biāo)值與實(shí)際值總是存在差異的。由于實(shí)際負(fù)載的增減，用量的多少，不可避免的造成實(shí)際值將偏離目標(biāo)值，有時(shí)大于目標(biāo)值，有時(shí)小于目標(biāo)值，二者的差值正是自動(dòng)控制所要控制的對(duì)象。

　　如圖2所示是一個(gè)最基本的自動(dòng)控制系統(tǒng)圖，在這里我們假設(shè)目標(biāo)值為Xm，反饋值為Xf，其差值為ΔX，則有：
　　ΔX=Xm-Xf
　　由于傳感器本身傳遞的信號(hào)一般是比較小的，一般是0～5V或4～20mA的信號(hào)，上式的差值也是很小的，要用這一差值去調(diào)節(jié)變頻器的頻率，顯然是不可能的。必須進(jìn)行放大，而這就是PID調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)，即將該差值信號(hào)成比例的進(jìn)行放大。假設(shè)這一比例值為Kp，一般稱為比例增益。設(shè)PID的輸出信號(hào)（即變頻器的輸入信號(hào)）為Xa，則
　　Xa=KpΔX=Kp（Xm-Xf）
　　也就是    ΔX=（Xm-Xf）=Xa/Kp
　　上述關(guān)系如圖3所示

　　在上式中，Xa即目標(biāo)值一般是不變的，顯然，Kp越大，Xm-Xf就越小，Xf就越接近于Xm，如圖5的（a）所示。
　　這里，Xf只能無限接近于Xm，而不能等于Xm，若Xf等于Xm，則由上式，
　　Xa/Kp=0，
　　Kp就將等于無窮大，這是永遠(yuǎn)也做不到的。
　　就是說，二者之間總有一個(gè)差值，通常稱為靜差，用ε表示。顯然靜差值越小越好。
　　在專用PID調(diào)節(jié)器中，比例增益的大小常常是通過“比例帶”來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。所謂比例帶，就是按比例放大的區(qū)域，用P表示，P為比例增益的倒數(shù)，即
　　P=1/ Kp
　　如圖4所示。

　　由圖4知，比例帶P越小，相當(dāng)于比例增益Kp越大，在專用PID調(diào)節(jié)儀表中，大部分都是調(diào)節(jié)比例帶P的，所以一般是P值越小越穩(wěn)定，但也有直接調(diào)節(jié)Kp的，比較少，一般是變頻器內(nèi)置的PI功能才具有。
　　比例增益環(huán)節(jié)的引入，又出現(xiàn)了新的矛盾，一方面，要減小靜差，就要盡量增大比例增益，但由于系統(tǒng)有慣性，比例增益增大后，又會(huì)引起超調(diào)，使系統(tǒng)的被控量忽大忽小，引起系統(tǒng)振蕩，如圖5（b）所示。這就要用到積分環(huán)節(jié)I。
　　引入積分環(huán)節(jié)I的目的是：
　　使給定信號(hào)Xa的變化與乘積Kp（Xm-Xf）的積分成正比。
　　就是說，盡管Kp（Xm-Xf）一下子增大（或減?。┖芏啵玐a只能在“積分時(shí)間”內(nèi)逐漸的增大或減小，從而減緩了Xa的變化速度，防止了振蕩。積分時(shí)間越長，Xa的變化越緩慢。只要偏差不消除，Xm-Xf≠0，積分就不停止，從而有效的消除靜差。如圖5（c）所示。
　　但積分時(shí)間太長，又會(huì)發(fā)生在被控量急劇變化時(shí)，被控量難以迅速恢復(fù)的情況。這就要用到微分環(huán)節(jié)D，微分環(huán)節(jié)的作用是：可根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)，提前給出較大的調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，克服了因積分時(shí)間太長而使恢復(fù)滯后的缺點(diǎn)。如圖5的（d）所示。

5 PID的調(diào)試方法
　　根據(jù)以上對(duì)控制原理的分析，我們就可以對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，通過參數(shù)的調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的目的。
　　對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)而言，有的是要求在Xm-Xf>0，即Xm>Xf時(shí)，變頻器運(yùn)行頻率提高，即電機(jī)運(yùn)行速度加大，而Xm0，即Xm>Xf時(shí)，要求變頻器的運(yùn)行頻率降低，即電機(jī)運(yùn)行速度減慢，這種作用就稱為反作用（有的書上也稱為正作用），如恒溫控制，當(dāng)房間溫度低時(shí)，要求壓縮機(jī)降低速度，使致冷作用減弱，房間溫度就會(huì)上升，當(dāng)溫度過高時(shí)，增加電機(jī)的速度，制冷作用增強(qiáng)，使房間溫度降低，達(dá)到房間內(nèi)溫度穩(wěn)定的目的。所以首先要明確被控對(duì)象的特點(diǎn)，是要求正作用控制，還是反作用控制。按照說明書進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置。液位的控制與溫度控制類似，也是反作用控制。
　　其次，要按照PID的說明書，對(duì)被控物理量的量程進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使被控物理量的傳感器的顯示值（有的傳感器不能顯示，要從附近的機(jī)械表上進(jìn)行讀數(shù)），與PID儀表上的顯示值相對(duì)應(yīng)，即調(diào)整變送輸出量程和測(cè)量量程，與被控物理量一致，才能保證傳感器與儀表一致。
　　第三，在選擇儀表時(shí)也要注意，PID儀表的輸入、輸出要與變送器的輸出、變頻器的輸入相對(duì)應(yīng)，不然就會(huì)造成不匹配的情況。是電流信號(hào)（一般是4～20mA）就要對(duì)應(yīng)電流信號(hào)，是電壓信號(hào)（一般是0～5V）就要對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)，否則將不能形成正常的控制，當(dāng)然電流信號(hào)通過并接電阻可以轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，但電壓信號(hào)要轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)就比較困難。
　　第四，從變送器到PID的信號(hào)線要用屏蔽線，屏蔽層要接PID的外殼，以可靠的傳入PID儀表，并盡量遠(yuǎn)離高電壓、大電流的主電纜線，防止干擾。若送電后顯示波動(dòng)仍較大，可調(diào)整參數(shù)的濾波系數(shù)，濾除干擾，使顯示穩(wěn)定。
　　第五，PID參數(shù)的調(diào)整，根據(jù)我們對(duì)控制原理的分析，可對(duì)P、I、D及控制周期t進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。P為比例帶，減小時(shí)，相當(dāng)于比例增益加大，則靜差系數(shù)就會(huì)減小，也就是實(shí)際值越接近目標(biāo)值，系統(tǒng)越穩(wěn)定，反之，系統(tǒng)調(diào)節(jié)就會(huì)減慢，形成在設(shè)定值附近振蕩，運(yùn)行不穩(wěn)定。I為積分時(shí)間，時(shí)間越長，積分作用就越強(qiáng)，系統(tǒng)就越穩(wěn)定，但時(shí)間太長，對(duì)動(dòng)態(tài)的響應(yīng)將減弱，也就是在系統(tǒng)物理量急劇變化時(shí)，反應(yīng)慢，不能跟上系統(tǒng)的變化，也會(huì)造成調(diào)節(jié)失敗。一般而言，對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載，由于系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，只要PI調(diào)節(jié)一般就可以滿足要求，D積分參數(shù)一般是對(duì)應(yīng)快速變化的場(chǎng)合使用，如空壓機(jī)，溫控儀等，一般在其他場(chǎng)合關(guān)閉即可。
　　第六，我們比較常用的幾種PID調(diào)節(jié)器，如XM808-6和香港上潤的WP-90系列，通過大多數(shù)場(chǎng)合的使用，基本上總結(jié)出一定的規(guī)律。初次使用時(shí)要打開自整定功能，但自整定一般很難實(shí)現(xiàn)較好的控制，一般都需要再調(diào)整。通過大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于水泵系列，香港上潤的P一般可設(shè)為5以下，3左右，而I一般可調(diào)為50-60左右。而XM808-6的一般P設(shè)為10左右（在OPAD=3的情況下），I為60左右。D關(guān)閉。如山東沾化水庫、青海油田躍進(jìn)2號(hào)注水站、油泉子注水站、山東新泰自來水公司等，基本上就是這樣調(diào)節(jié)的。但對(duì)于風(fēng)機(jī)而言，由于風(fēng)機(jī)的慣性較大，其積分時(shí)間就要設(shè)定的比較長。如山西鋁廠的引風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制，其積分時(shí)間就大約調(diào)至300左右。對(duì)于空壓機(jī)、溫控場(chǎng)合，則需要打開D功能，一般在上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)一下，基本就可以達(dá)到穩(wěn)定的控制功能。
　　第七，當(dāng)然還可以根據(jù)系統(tǒng)或PID具有的參數(shù)功能，設(shè)定適當(dāng)?shù)膱?bào)警或停機(jī)功能，即在被控物理量超出規(guī)定要求時(shí)，提供報(bào)警信號(hào)，提醒操作人員注意，若再繼續(xù)超出，則自動(dòng)停機(jī)，以保護(hù)管線或系統(tǒng)，防止損壞。如可設(shè)置入口低壓報(bào)警，超低壓停機(jī)，出口高壓報(bào)警，超高壓停機(jī)等功能，這都是一些保護(hù)功能，可通過外加繼電器或接觸器，實(shí)現(xiàn)控制功能。
6 總結(jié)
　　當(dāng)然，任何系統(tǒng)的調(diào)試都要經(jīng)過比較復(fù)雜的過程，雖然我們了解了自動(dòng)控制的原理，也介紹了相關(guān)參數(shù)的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)于一個(gè)較復(fù)雜系統(tǒng)的調(diào)試而言，還必須從頭做起，針對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行耐心細(xì)致的調(diào)試，直到整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定的投入運(yùn)行為目的，最容易出現(xiàn)的問題就是不穩(wěn)定，變頻器的頻率忽高忽低，壓力或溫度變化大，要根據(jù)PID的說明書，詳細(xì)的、認(rèn)真的進(jìn)行閱讀，并借鑒相關(guān)的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，反復(fù)的、細(xì)心的進(jìn)行各個(gè)參數(shù)的調(diào)整，才能達(dá)到要求，避免出現(xiàn)不必要的問題，造成整個(gè)控制系統(tǒng)的失敗。我們以前也有過很多這方面的教訓(xùn)，有的也是比較深刻的。希望我們同行的朋友們能及時(shí)的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，互相探討，取長補(bǔ)短，在該領(lǐng)域能深鉆細(xì)研，真正把這一系統(tǒng)做好，為國家的節(jié)能減排，自動(dòng)控制系統(tǒng)的完善和提高盡自己的一份努力。