2自由度PID調節儀在溫控系統中的應用

　　王鴻鈺，陸? 虹（極東神港自控工程有限公司，上海 200333）
　　摘? 要：在介紹微分先行PID、2自由度PID的基礎上，較詳細地介紹了BCx2系列調節儀在熱分析溫控系統中的應用和2自由度PID系數的設定。介紹的內容可供相關(guān)的工程技術(shù)人員參考。
　　關(guān)鍵詞：2自由度PID；調節儀；熱分析；溫控系統

　　0 引言

　　PID調節技術(shù)已在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛應用。不 過(guò)，傳統的PID控制技術(shù)只能設定一組PID參數，故又可稱(chēng)為1自由度PID。實(shí)際的控制系統中，既要求抑制外擾，又對跟蹤目標值有一定要求，而2種工況對應的過(guò)程不同，所以需要2組不同的參數。1自由度PID控制系統的控制響應見(jiàn)圖1（a）、（b），不可能使外擾抑制特性和目標值跟蹤特性同時(shí)最佳。參數的設定不得不在兩者之間進(jìn)行折衷。圖1（c）是2自由度PID的控制響應，控制效果明顯提高。

　　表1是日本神港公司通過(guò)調節PID參數使外擾抑制特性最佳和目標值跟蹤特性最佳的試驗結果。為了進(jìn)一步改善系統的控制品質(zhì)，有必要獨立設定兩組參數。
　　1 微分先行PID

　　大多數工業(yè)過(guò)程可用一階或二階慣性加滯后描述，PID控制是這類(lèi)系統中廣泛使用的行之有效的控制技術(shù)。它的輸出 u 與輸入 e 的時(shí)域表達式為

　　式中, K_p,T_i,T_d, 分別為比例系數、積分時(shí)間、微分時(shí)間；e =SV-PV，SV-設定值，PV-過(guò)程變量。上式的傳遞函數為

　　為使控制效果更好，避免設定值調整時(shí)微分給過(guò)程造成的沖擊，故實(shí)際使用的控制算法一般都對原算法加以改進(jìn)，微分先行PID算法是很常見(jiàn)的一種。日本神港公司使用的微分先行算法的原理框圖見(jiàn)圖2。它的拉氏變換式為

　　其中 η 一般取0.1；微分部分為不完全微分，表達式中增加了一階慣性環(huán)節 ，使微分作用時(shí)間延長(cháng)。上式的微分動(dòng)作僅作用于測量值。

　　2 2自由度PID

　　圖3是日本神港公司2自由度PID控制技術(shù)的原理框圖，它是在微分先行算法的原理框圖上增加了目標值濾波器構成的。其中α是比例增益2自由度系數、β是積分2自由度系數、γ是表內已經(jīng)設定的參數。α、β、γ是與PID獨立的另一組參數。目標值SV作階躍變化，經(jīng)目標值濾波器濾波，輸出延遲上升?？刂菩Ч?jiàn)圖4，其中SV作 200°C 階躍變化，圖4（b）的目標值跟蹤特性比圖4（a）明顯提高。

　　3 調節儀在熱分析溫控系統中的應用

　　3.1 BCx2調節儀在熱分析溫控系統中的應用

　　BCx2系列調節儀是神港公司推出的具有2自由度PID調節功能的高性?xún)r(jià)比5位顯示儀表，適合在眾多工業(yè)領(lǐng)域應用。它正在取代已經(jīng)廣泛使用的JC系列調節儀；而且，還可以在同時(shí)要求外擾抑制特性最佳和目標值跟蹤特性最佳的環(huán)境中使用。BCx2調節儀在熱分析中的應用就是典型的一類(lèi)應用。
　　熱分析可分為差熱分析（DTA）、示差掃描量熱分析（DSC）、熱重分析（TG）和熱分析聯(lián)用技術(shù)等多種方法。其中差熱分析（DTA），它是在程序控制溫度（以一定速度升溫或降溫、恒溫）下，測量試樣和在測定條件下不產(chǎn)生熱效應的參比物之間的溫度差ΔT和溫度T關(guān)系的分析技術(shù)，ΔT =f（ T ）。示差掃描量熱分析（DSC），它是在程序控制溫度下，測量為使試樣和參比物溫度一致所需的能量差ΔE和溫度T的關(guān)系， ΔE =f（ T ）。DSC和DTA的分析曲線(xiàn)類(lèi)似，但更準確。熱重分析（TG）也是在程序控制溫度下進(jìn)行的，測量試樣的質(zhì)量變化與溫度的關(guān)系。
　　以差熱分析儀為例，它的原理示意圖見(jiàn)圖5。BCx2調節儀的輸入接測溫熱電偶，測量加熱爐的溫度；它的輸出通過(guò)加熱器加熱放在電爐內2個(gè)坩堝中的參比物和試樣。參比物的溫度與加熱爐的程序溫度一致，試樣溫度隨吸熱和放熱過(guò)程的發(fā)生而偏離程序溫度，如圖6所 示。試樣熱電偶和參比熱電偶反向串接，經(jīng)放大器放大后接記錄儀ΔT 端，記錄儀的T 端接參比熱電偶（反映程序溫度）。溫控系統利用BCx2調節儀的2自由度PID調節功能，使得等速升溫（如15℃/min）過(guò)程中的溫度與時(shí)間之間呈現非常好的線(xiàn)性關(guān)系（最佳的跟蹤特性），便于準確確定樣品反應變化時(shí)的溫度和獲得良好的差熱曲線(xiàn)；與此同時(shí)，實(shí)驗中的程序溫度還具有很好的外擾抑制特性。
　　為了獲得準確的分析結果或擴大分析內容，對一個(gè)試樣的分析常常同時(shí)聯(lián)用多種熱分析技術(shù)或者聯(lián)用熱分析技術(shù)與其他分析技術(shù)。以熱分析與質(zhì)譜聯(lián)用為例，在程序控溫下，測量試樣在熱過(guò)程中質(zhì)量熱焓和析出氣體組成的變化，剖析物質(zhì)的組成、結構及研究熱分解或熱合成機理。

　　3.2 2 自由度PID系數的設定由目標值濾波器知，比例增益2自由度系數α=1時(shí)，此環(huán)節的輸出等于目標值（階躍）；α→0，此環(huán)節輸出接近目標值的速度變慢，儀表的出廠(chǎng)值設為0.4。積分2自由度系數β=0，此環(huán)節的輸出等于目標值（階躍）；β→10，此環(huán)節輸出接近目標值的速度變慢，儀表的出廠(chǎng)值設為1.35。α=0.4，β=1.35，可滿(mǎn)足大部分被控對象的需要。 

　　α、β保持出廠(chǎng)值，調節儀的PID參數可在有外擾的情況下通過(guò)自整定自動(dòng)設定，使抑制外擾特性最佳；若還不滿(mǎn)意，還可按P、I、D在調整中的作用稍作修改。此時(shí)，目標值跟蹤特性也基本上最佳。若要進(jìn)一步改善跟蹤特性，可在α=0.00～1.00，β=0.00～10.00之間調整，使目標值跟蹤特性更佳。由2自由度PID控制技術(shù)的原理框圖（圖3）知，調整α、β時(shí)，對已調整好的使抑制外擾特性最佳的PID參數沒(méi)有影響。
　　4 結論

　　2自由度PID控制技術(shù)已成功地應用在定值控制、程序控制、串級控制、程序控制+串級控制等諸多場(chǎng)合。 在1自由度PID控制的基礎上增加目標值濾波器即可構成2自由度PID控制電路，結構簡(jiǎn)單易懂；2自由度PID控制既改善了控制性能，又容易進(jìn)行調整；對串級控制而言，級數越多效果越好。本文介紹的BCx2調節儀在熱分析溫控系統中的應用僅是眾多應用中的一個(gè)例子。因這種熱分析技術(shù)能快速準確地測定物質(zhì)的質(zhì)量變化、相相轉變、熔融、升華、吸附、脫水、分解等，因此，對無(wú)機、有機及高分子材料的物理及化學(xué)性能都是重要的測試手段。
　　參考文獻

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　　[3] 王鴻鈺,陸 虹. BCx2調節儀在控制發(fā)動(dòng)機排液溫度中的應用[J].北京:電子產(chǎn)品世界,2016.

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第02期第42頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。