AI型PID調(diào)節(jié)器在氫氮自動配比系統(tǒng)中的應(yīng)用

作者：孔令昌    單位名稱：江蘇省蘇州市創(chuàng)新凈化有限公司

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)用于氫氮自動配比系統(tǒng)中的案例，著重講述PID調(diào)節(jié)器的工作過程及操作方法。

關(guān)鍵詞：氫氮自動配比  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)器在氫氮自動配比系統(tǒng)中的應(yīng)用是氣體行業(yè)自動控制實(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，測量精度高達(dá)0.2級；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)的簡稱，PID的控制規(guī)律即是指控制器的輸出信號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；積分作用能最終消除余差，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)相對手動調(diào)節(jié)和位式調(diào)節(jié)其精度已有明顯的提高，波動已大大減少，但普通PID控制不適用于大時(shí)間滯后的控制對象以及參數(shù)變化較大的控制對象。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)用中的工作過程和操作過程
⑴氫氮自動配比系統(tǒng)概述
    氫氮自動配比系統(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、電動閥門、PID調(diào)節(jié)器和電控系統(tǒng)組成。系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所示。
圖1
    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電流傳送給電動調(diào)節(jié)閥控制電動調(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。自動控制電氣系統(tǒng)電氣原理圖如圖2。
圖2
由以上分析總結(jié)出氫氮自動配比系統(tǒng)自動控制原理框圖如圖3。

圖3
⑵PID調(diào)節(jié)器自整定過程實(shí)例分析
    華達(dá)微電子有限公司氫氮自動配比系統(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程圖如圖4。

圖4
PID設(shè)定值為15%，偏差用E來表示，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)和長時(shí)間波動；
    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)，閥門開度減小；
    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)過三個整定周期，純度會穩(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/自動無擾動切換，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)，允許從面板啟動執(zhí)行自整定功能。
    氫氮自動配比設(shè)備安裝就續(xù)條件具備后啟動電氣系統(tǒng)電源，先通過調(diào)節(jié)器手動調(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)器面板上啟動自整定功能，顯示窗口閃動AT字樣即進(jìn)入自整定功能，PV顯示窗口會出現(xiàn)純度值波動，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、幅度及波形來自動計(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“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)，如果純度有波動可適當(dāng)手動調(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閥門與之相適應(yīng)，最后系統(tǒng)工作狀態(tài)就很理想。

結(jié)語

    綜上所述，使用AI型調(diào)節(jié)器控制氫氮自動配比系統(tǒng)比手動、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)中自動學(xué)習(xí)記憶被控對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 自動控制原理   國防工業(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