作者：孔令昌    單位名稱：江蘇省蘇州市創新凈化有限公司

摘要：分析自適應PID控制在氣體行業中應用的理論依據，闡述宇電儀表PID調節器成功應用于氫氮自動配比系統中的案例，著重講述PID調節器的工作過程及操作方法。

關鍵詞：氫氮自動配比  智能工業調節器   自整定PID控制

前言

    隨著現代工業的高速發展，氣體設備逐漸應用到化工、電子、鋼鐵等行業中；傳統的手動配氣裝置已經達不到后續用氣的純度、流量和壓力等技術指標，靈活性顯然也達不到用氣的要求。自動配比裝置應運而生，然而目前氣體行業中使用控制方式也是傳統的模糊控制方式，目前市場上多數的工業調節器滿足不了配氣系統中的精度要求。宇電公司的AI人工智能工業調節器在氫氮自動配比系統中的應用是氣體行業自動控制實現的少有的成功案例。AI型人工智能工業調節器的輸入采用數字校正系統，內置常用熱電偶和熱電阻非線形校正表格，測量精度高達0.2級；采用先進的模塊化結構，提供豐富的輸出規格；關鍵是采用了先進的自整定PID算法。

采用自整定PID控制方式的理論依據

    目前的大多數工業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、積分和微分的數字關系組合成的函數。PID的控制規律形式如下所示：

u(k)=kp[e(k)++TD]

其中kp為比例系數；T1為積分時間常數；TD為微分時間常數；u(k)為采樣時刻k時的輸出值；e(k)為采樣k的偏差值；e(k-1)為采樣時刻k-1時的偏差值。
    PID調節是比例調節、積分調節和微分調節三種作用的綜合，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出現時，能立刻產生幅度的校正偏差的作用，從而縮短了調節時間，提高了調節效率和精度。盡管普通的PID調節相對手動調節和位式調節其精度已有明顯的提高，波動已大大減少，但普通PID控制不適用于大時間滯后的控制對象以及參數變化較大的控制對象。自整定PID控制方式是在普通PID控制方式的基礎上發展而來的，其根據滯后時間和偏差大小選擇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間和提高精度。

AI型調節器在應用中的工作過程和操作過程
⑴氫氮自動配比系統概述
    氫氮自動配比系統的結構由N2管道、3H2+N2管道、混合罐、截止閥、流量計、壓力表、器分析儀、電動閥門、PID調節器和電控系統組成。系統工藝流程圖如圖1所示。
圖1
    N2、3H2+N2進入混合罐混合后由出口處取樣經氫分析儀中傳感器采樣顯示純度并把純度采樣模擬量轉換成4-20mA電流模擬量傳送給PID調節器，經PID調節器中微處理器分析處理后輸4-20mA電流傳送給電動調節閥控制電動調節閥控制3H2+N2的流量，從而控制混合氣中氫氣混合比例的目的。自動控制電氣系統電氣原理圖如圖2。
圖2
由以上分析總結出氫氮自動配比系統自動控制原理框圖如圖3。

圖3
⑵PID調節器自整定過程實例分析
    華達微電子有限公司氫氮自動配比系統要求純度15%，根據記錄數據繪制的自整定控制的變化過程圖如圖4。

圖4
PID設定值為15%，偏差用E來表示，β=1-2%，ε=0.2%；
    當純度在a 以下時，即E〈-1時，閥門全開，不需要進行PID控制；
    當純度在ab之間時，即-1〈E〈-0.2時，用PD控制，這是因為在一般PID控制中，當閥門有大幅度的改變時，由于此時偏差較大，以及閥門有機械慣性和氫分析儀有采樣滯后性，故在積分項作用下，往往產生較大超調和長時間波動；
    當純度在bc之間變化時，即|E|〈0.2時，用PID調節控制；
    當純度在ce之間時，閥門開度減小；
    當純度在ef之間時，又回到PID調節控制；
    當純度在fg之間時，回到PD調節控制。
    經過三個整定周期，純度會穩定在15±0.2%。根據實際調試記錄，AI型PID調節器完全能夠滿足系統控制精度控制要求。

⑶AI型PID調節器的性能優越性
    AI型PID調節儀兼容熱電偶、熱電阻、線形電壓、線形電流和線形電阻等規格的輸入；測量范圍寬、精度高、溫度漂移小、響應時間短；輸出規格包括了繼電器觸點開關輸出、可控硅無觸點開關輸出，SSR電壓輸出、可控硅觸發輸出和線形電流輸出。儀表硬件采用了先進的模塊化設計，具備5個功能模塊插座：輔助輸入（MIO）、主輸出（OUTP）、報警（ALM）、輔助輸出（AUX）及通訊（COMM）模塊。
    在氫氮自動配比系統中，我們選用了AI-808功能增強型人工智能工業調節器，因其在AI-708基礎上增加了手動/自動無擾動切換，閥門電機控制等功能。選擇安裝I4輔助輸入模塊，可擴充0-20mA或4-20mA電流信號輸入，并且內置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，占用儀表內部12VDC電源。如果需要報警系統還可選擇一路報警或兩路報警模塊。
⑷AI型PID調節器在系統應用中參數設置和操作方法
    AI型PID調節器 具有豐富的參數來定義儀表的輸入、輸出、報警、通訊及控制方式。關系到系統正常使用的輸入參數務必提前設置好，輸入規格SN設置為15（4-20mA輸入）；輸出規格OPT設置為4（4-20mA線形電流輸出）；控制方式設置為1，采用PID調節，允許從面板啟動執行自整定功能。
    氫氮自動配比設備安裝就續條件具備后啟動電氣系統電源，先通過調節器手動調節閥門開度大小達到要求配氣的純度，調節器設定值為要求值（比如15%），等純度穩定后從調節器面板上啟動自整定功能，顯示窗口閃動AT字樣即進入自整定功能，PV顯示窗口會出現純度值波動，因為此時儀表執行位式調節，儀表內部微處理器根據位式控制產生振，分析其周期、幅度及波形來自動計算出M5、P、t等控制參數，經2-3次振蕩（大概需要20-30分鐘）后顯示器停止閃動“AT”字樣，自整定結束。此時系統已經處于正常工作的狀態，如果純度有波動可適當手動調節M5、P、t參數。M5是保持參數，與PID調節的積分時間起相同的作用，其值越小，系統積分作用越強；其值越大，積分時間越短；P為速率參數，類似PID調節的比例帶，但變化相反，P值越大，比例、微分作用成正比增強，P值越小，比例、微分作用相應減弱；t為滯后時間，被控系統的滯后效應是影響控制效果的主要原因，系統滯后時間越大，要獲得理想的控制效果就越困難。只要選擇精度高、響應速度快的氫分析儀和電動閥門與之相適應，最后系統工作狀態就很理想。

結語

    綜上所述，使用AI型調節器控制氫氮自動配比系統比手動、位式調節及普通調節都要好的多。AI型人工智能調節算法是采用模糊規則進行PID調節的一種新型算法，能在調節中自動學習記憶被控對象的部分特征使效果更優化的智能工業調節器。
 
參考文獻：
⑴ 王劃一 主編 自動控制原理   國防工業出版社
⑵ 孫立博 主編 自適應PID控制實驗研究   機電工程技術期刊