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几种主流DCS系统PID调节的比较!

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学社贴贴学历认证 发表于 2019-10-7 16:35 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
1.吃透PID
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; r5 G1 G7 t+ h1 J; W4 m今天,我们来认识一下和利时M6、新华(上海和GE)、南京科远NT600、浙大中控ECS700、艾默生Ovation这五种DCS系统在PID 运算中的思路。PID在自动化控制中处于技术层面的顶层,PID参数的整定对于任何自控人来说都是需要攻克的难题。* L9 s* a* E3 r4 t2 K9 L+ h' Z  Q) N2tech.cn
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目前,火电机组使用PID控制的执行器(执行系统)主要包括主给水调节(汽包水位调节)、汽包压力调节、除氧器水位调节、除氧器压力调节、高低加水位调节、凝汽器水位调节、(过热器、再热器)减温水调节、汽轮机转速调节(转速控制)、发电机负荷调节(功率控制)、汽轮机阀门调节(阀位控制)、CCS调节(锅炉主控制器、汽机主控制器、燃料主控制器)、炉膛压力调节等等!而这些PID调节,组合在一起,就构成了一台火电机组的模拟量控制系统。
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) O. K& R+ u# PPID调节诞生的目的是提高调节的稳定性、精确度和速率,降低运行人员的劳动强度。而一套合格的PID控制系统,最重要的是正确的控制策略以及参数整定。一般情况下,不管你使用的哪家DCS,基本的控制策略是相同的,比如汽包水位调节一般使用主给水调节阀或者给水泵控制进水流量,蒸汽量作为前馈,汽包水位作为被调量,这样构成一个完整的三冲量串级闭环调节。在这个闭环调节中,有两套PID系统构成,一个在外回路,我们称之为主调,一个在内回路,我们称之为副调。大体的控制策略如下:- L7 y! g  k) a" M2tech.cn
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我们简单分析一下这个双PID的控制逻辑,在汽包水位的调节中,水位肯定是被调量,它处于整个调节回路的中心,作为主调的过程值。主调调节的参考值是给水流量,作为跟踪值,而蒸汽流量作为整个调节回路的补偿量,也就是前馈值。副调直接与执行器相关联,主调的输出作为副调的设定值,而执行器的反馈作为副调的跟踪量。
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先说主调节器,当汽包水位实际值与设定值的偏差为0或者允许范围内时,主调节器保持当前的输出,给水流量也就保持当前的输出。此时,副调给水流量的实际值与设定值偏差为0,那么执行器的指令保持当前输出。也就是说,这是个反馈调节,也是个闭环调节。
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$ A( R4 a9 N' R& g; |2 o# _在这个过程中,PID参数的设定,影响了调节器调节的幅度、快慢和精度,也就是前文我们所说的稳定性、精确度和速率。至于PID参数是如何影响这几个要素的,我们按照日常使用的几套DCS系统PID的计算公式来简单分析!
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2.和利时M6系统
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AV(K)=AV(K-1)+du+OC+dk
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+ F! U) P1 L5 X5 E9 z# _  {) d, |# v7 t式中du=(100/PT )*∆E(k)+(1/TI)*E(k)
  u+ }1 g- h6 X0 _& \       dk=[TD/(CP+TD)]*[dk_1+KD*∆(∆E(K))]
0 x8 {0 R& t- ~8 l) y1 a       du:本次计算得到的比例+积分项: @/ U9 `, M8 S& }* s' W$ F2tech.cn
       dk:本次计算得到的微分项9 D: ?: G; L7 P% X0 M2tech.cn
      OC:输出补偿项
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根据这个公式,每个周期的输出值=上个周期输出值+PID运算值。式中PT是比例带,我们可以看出,当PT越大时,(100/PT )将越小,此时作用于偏差变化值∆E(k)上的系数越小,比例作用则越强。根据这一步,我们知道,比例作用是作用于偏差变化值上的,E(K)是输入值与设定值的偏差,∆E(k)是两个周期偏差的差值。
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我们可以想一下,当水位实际值与设定值偏差逐渐变小的时候,那么(100/PT )*∆E(k)值也必将逐渐变小,当两个周期没有偏差变化的时候,比例作用的输出将保持不变。所以说,两个周期的偏差值越大,比例作用输出就越大,比例作用越强。根据这个分析,我们可以得出比例作用的一个特点,只要是水位变化,那么输出就会发生变化,水位如果不变化,不管水位实际值和设定值偏差多大,输出都不变化。6 V( C4 O/ b1 u7 D6 V1 u2tech.cn

) b( E7 z! R& }- `) i我们再分析积分作用,(1/TI)*E(k)是积分的计算输出公式,式中TI是积分时间,根据公式,当积分时间越长的时候,积分作用是越弱的。E(K)是被调量实际值与设定值的偏差。这样,我们可以很好的得出,只要实际值与设定值存在偏差,(1/TI)*E(k)计算项就不会为0,积分作用就会始终有输出。我们平常说的积分作用能消除静差,怎么消除的,就是在存在偏差时始终有输出消除的。9 l8 K7 i, K( a* v2tech.cn
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我们在分析微分作用,微分对于很多人来说了解的不如比例和积分多。那么微分作用是什么?我们平常说微分是用来超前调节,怎么超前调节呢?, r: x" r. C3 k% z; |3 _  z3 ^  e2tech.cn
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dk=[TD/(CP+TD)]*[dk_1+KD*∆(∆E(K))]是微分的计算输出公式,这个公式比较复杂,我们进行详细分解。
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TD是微分时间,KD是微分增益(部分DCS的PID参数设置只有微分时间,增益是个常数)。& C( E. t) R/ y3 K; g4 m2tech.cn
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首先,当TD越大,[TD/(CP+TD)]这个计算结果越趋近于1,这个值的范围也是(0~1),因此,当微分时间越长的时候,我们可以认为微分作用越强。+ k9 W4 U6 c' M) r, F2 }2tech.cn

$ I) j) U. f0 g/ j, {6 j5 W" H[dk_1+KD*∆(∆E(K))]是微分增益作用,在这个公式中,微分增益是作用于∆(∆E(K)。之前我们分析了,E(K)是被调量实际值与设定值的偏差,∆E(K)则是两个周期偏差的差值,那么∆(∆E(K)则是偏差差值的比较,也就是偏差的一种变化速率。( |! a" L* g' ?* J, i2tech.cn

0 Y( i+ J. t5 D所以说微分与被调量的大小没有关系,只是与被调量的变化速率有关系。微分时间是微分作用的时间长短,微分增益代表的是微分作用输出的强弱,这一点已经很明确了。+ @! }' K: I, p' W2 s5 _9 }2tech.cn
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3.南京科远NT6000系统% A7 k9 e3 K8 ~2tech.cn

& J' m7 E) s5 ]. P' ?7 f计算公式
; \+ o- D; z+ Q; s' R1 G" g+ s
, R; }# l7 ~: o* vOP(n)=OP(n-1)+Kp*(error(n)-error(n-1))+Ki(error(n)+Kd*[(error(n)-error(n-1))-(error(n)-error(n-1))]*(HROP-HLOP)+(FF(n)-FF(n-1))7 ~, `- A3 Z' |2tech.cn

7 a; \/ R. R; @; A根据这个公式,可以更清楚的看出,比例是作用于两个周期的偏差,积分是作用于偏差,而微分是作用于两个周期偏差的偏差。这一点与和利时是相同的,不同的是NT6000的比例为比例系数,微分只有微分时间。
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. J% R3 U+ @$ ^1 p  T- V$ H4.新华(上海或GE)DCS
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计算公式+ K: X* @/ O  t5 C* p2tech.cn

' N5 w3 V( R  M; }( |2 W7 f8 J, iY(S)=[Kp+1/(Ti*S)+Kd*Td*S/(Td*S+1)]*E(s)+FF(s)。" i7 Y6 D/ y  U' a% D/ L" K, J2tech.cn
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公式中E(s)是某一周期的输入偏差,S我们可以把它当作计算周期,这个公式稍微不明确,但是可以得出的是,他的比例是比例增益,存在微分时间和微分增益。
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5.浙大中控ECS700
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8 N/ h9 r+ e% A5 S: s! O& i: q计算公式
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根据公式,我们可以得出,中控的比例作用是通过设置比例带来实现,而与其他DCS不同的是,他的比例作用是作用在整个系统之上的,也就是说比例作用是作用于积分和微分叠加后的输出值上。这一点,与其他DCS完全不同,当然中控也提供了其他种类的PID控制策略,这是它的标注策略。
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6.艾默生Ovation系统
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计算公式
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Ovation与其他DCS基本相同,比例是一种增益或者系数,然后它的微分设置的微分增益和时间,这一点也需要注意。1 f% T) T8 p" ]. ~2tech.cn
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7.总结7 V  D! u3 g; g' W- t5 j6 Y" G2tech.cn

6 ^3 a/ f! L: p. v关于PID的文章之前也发过很多了,具体调节还需要现场多实践。很多人问某个系统的PID参数设置多少,可以肯定的回答是,这个是没有定数的。一般设置比例带的话,我们以100为起点进行设置,比例系数或者增益就在1上下设置;积分时间可以在10左右进行调整,微分时间我们在10以内进行调整,微分增益尽量在1以内。这是个大体的参数范围,具体的参数大家在调节自动的时候可以参考一下厂家意见,然后再按照自己的思路进行整定。
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