控制系统用PID调节器不易进行控制的主要原因

2017/4/14 20:40:01 人评论 次浏览 分类:过程控制  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/657.html

许多控制系统是以PID控制功能为中心构成的,这些过程控制都在调节器,系统获得良好控制效果跟PID参数设置、控制方案、PID调节器内部PID控制算法和被控系统自身特性等均有关系,昌晖仪表在本文着重分析控制系统用调节器不易控制的主要原因。

控制系统不易控制的主要原因

控制系统存在时滞时间长、响应慢、响应性发生变化、存在积分性(液位等)、多个回路间相互耦合、无超调、外部干扰大等因素,用PID调节器进行。

1、时滞时间长的过程
除时滞时间长之外,时间常数与时滞时间的比值也决定着控制的难易度。
时间常数与时滞时间的比值也决定着控制的难易度 

在PID控制中,L(时滞时间)/T(时间常数)的值在1以上时(时滞时间比时间常数大),很难进行控制。时滞时间不仅是指过程的时滞时间,还包括传感器及操作端的时滞时间。在分析仪中,采样装置的时滞时间会比较长。
 
2、存在积分性的过程
存在积分性的过程是指蓄积液体及热量等的过程。一旦开始蓄积就不能返回原来状态,无自调节性的液位的流入控制等就是典型的例子。自调节性是指像锅炉一样,通过加热和散热的平衡调节来决定温度的过程。
存在积分性的过程 
3、响应慢的过程
例如: PH(由搅拌、混合、反应引起的延迟)控制、热容量大的锅炉的温度控制等。
在PID控制中,达到稳定前需要几个控制周期,如果控制周期为1小时,达到稳定有时需要4-5小时,所以就需要尽量缩短达到目标值和稳定运行的时间。
 
4、响应性变化的过程
随着反应的进行而发生的黏度变化、发热(或者吸热)、催化剂活性变化、热交换器灰尘附着、品种改变引起的原料更换及混合比例变更等,都会导致响应性发生变化。通常,PID控制的稳定性足以克服这些响应性的变化,但并非所有的情况都能克服。
 
5、多个回路之间耦合强的过程
下图是典型的相互耦合的例子。PIC和FIC的PI常数基本相同时,回路之间会发生耦合,变得不稳定。通常,将FIC的PI常数取最佳值,降低PIC端的灵敏度,可以减少相互耦合产生的影响,使用解耦控制时,可以实现优异的控制。 
多个回路之间耦合强的过程 
6、无超调的过程
有时即使短时间地超过限制条件范围,也会对产品质量产生重大影响。
例如,在生物反应器中,即使温度一时过高,也会造成杆菌及酵母菌等死亡。在这种情况下使用批量调节器或采用模糊控制的调节器。

下图批量调节器的示例中,最初手动预设值1接近设定值SV,当测量值达到SV-ΔE时,将手动预设值2作为初始值,切换为AUTO,防止超调的发生。 
无超调的过程

在模糊控制中,温度上升时,傻瓜式模糊PID调节器自己计算并设定比实际目标温度低的设定值,防止超调的发生。
 
7、外部干扰大的过程
锅炉必须对蒸汽使用量的大幅度变化做出响应,是外部干扰大的过程的典型示例。在石油精炼厂中,更换油种(例如:阿拉伯原油和中国原油的组成有很大的区别)等也会造成很大的外部干扰。在蒸馏塔控制中,气温、风、直射阳光等造成的影响也是不能忽视的。热处理炉中的受热物质的装入/取出、排水处理中的排水流量及pH变化也是很大的外部干扰因素。因此,检测外部干扰量,并根据干扰量来改变操作量的前馈控制是很有效的。
 
外部干扰是指从控制回路外施加的变动因素,在流量控制回路中,调节阀的上游端及下游端的压力变动是主要的外部干扰。例如,调节阀的上游端压力上升时,即使阀的开度相同,流量也会增加。通过流量传感器检测出该流量变化,使用流量调节器将调节阀的开度减少,可消除压力上升的影响。
 
控制回路正是为了消除这些外部干扰的影响而存在的。 
 
高进控制
许多控制系统是以PI(D)控制功能为中心构成的,高级控制也称为优化控制或者先进控制,在仅使用PID控制器无法满足要求的情况下,可以考虑使用。

在选择控制方法时,要对包括控制的要求、经济性、过程的现状、传感器、操作端在内的整体系统进行全面的考虑。研究过程中,有时也会发现除改善控制方法以外的有效的解决方法。 

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