民用建筑轻质隔墙板生产线设备智能控制的关键参数整定方法探讨

孙小鸥

(成都建工工业化建筑有限公司, 四川成都 610000)

蒸压加气混凝土隔墙板具有质量轻、保温好、易加工和不燃烧等优点。近年来在民用建筑的围护填充墙中得到较多使用，已成为大力推广和发展的一种新型建筑材料。成都建工工业化建筑有限公司拟投入一条年产20×104m3蒸压加气混凝土板材生产线，将填补西南地区蒸压加气混凝土隔墙板生产的不足。其采用的核心控制设备是西门子PLC。为了在生产中精准地控制好温度、压力、流量这一类连续变化的关键工艺参数，笔者根据多年使用自控设备的经验，对整定这一类参数的方法作出探讨。

1 PLC及PID的基本概念及课题研究方向

PLC简称可编程逻辑控制器，在大多数设备中担任智能控制的大脑。PID是比例﹑积分﹑微分的缩写。在工业生产中，一般用PLC运行闭环PID控制程序来控制温度、压力、流量等这一类连续变化的模拟量。具体控制过程大致为：传感器检测到的测量值输入到PLC的AI(模拟量输入)模块，经过AD(模拟量转换为数字量)转换，进入PLC进行PID运算，运算结果通过DA(数字量转换为模拟量)转换，转换后的值通过PLC的AO(模拟量输出)模块输出来控制执行机构动作，比如阀门开关程度等，来达到控制这些模拟量的目的。

生产优质的蒸压加气混凝土，控制好关键的工艺参数起了至关重要的作用。在产品制作过程中的配料工序、静停养护工序、蒸压养护工序涉及到一系列的温度、压力、流量的控制。在生产中，如何精准地控制这一系列连续变化的模拟量成了电气工程师的一大难题。本文简要地介绍了笔者在PID参数整定中的一些个人经验，结合实验截图，给出了比较精准控制这一类连续变化量的方法以供参考。

2 PID参数的物理意义

2.1 闭环控制的主要性能指标

模拟量PID控制器的输出表达式为:

式中等号右边前三项分别是比例、积分、微分部分，其中控制器的输入量(误差信号ev(t))为：

ev(t)=sp(t)-pv(t)

sp(t)为设定值，pv(t)为过程变量(反馈值)；mv(t)是控制器的输出信号，KP为比例系数，TI和TD分别是积分时间和微分时间，M是积分部分的初始值。不管是何种的PLC，在编程PID控制功能时，编程软件要么就提供了已有的内部固化好的PID控制模块或指令，要么就提供了配置PID功能的使用向导，按照向导一步步做下去就可以使用PID功能了。所以说PID控制的难点不是编写或阅读控制程序，而是整定控制器的参数。实际应用中使用到的参数有：

(1) 给定值：即想要达到的设定值。

(2) 反馈值：即传感器通过AI模块输入进来的实际测量值。实际运用中这里应填写此AI通道的地址(如PIW288)。

(3) 采样时间TS：PID控制程序是周期性执行的，执行的周期称为采样时间TS。

(4) 输出值：即PID运算好的结果值，经AO模块输送给执行机构。实际应用中这里应填写此AO通道的地址(如PQW304)。

(5) 比例增益KP：即PID运算的比例增益。

(6) 积分时间TI：即PID运算的积分部分的积分时间。

(7) 微分时间TD：即PID运算的微分部分的微分时间。

2.2 对PID控制作用的理解

为了形象的说明PID的作用，我们以手动控制炉温为例。

(1)比例P(增益KP)的作用就是调节电位器的大小，增益越大，代表人工大角度的转动电位器，炉温就迅速得以升高。但升高后温度有可能继续提升以至于超过设定值，也就是说的调节过头，可能使温度忽高忽低，来回振荡。增益小，代表人工小角度的调整电位器，炉温提升的就很慢。温度到达设定值就需要较长时间。

(2)积分I(积分部分的积分时间TI)，相当于根据当时的误差值，周期性的微调电位器角度。温度低于预设值时误差为正，积分项增大一点点，使加热电流增加；反之积分项减小一点点。只要误差不为零，积分项就会向减小误差方向变化，最终使误差趋近于零。如果积分时间设置的不好，其负面作用很难通过积分作用本身迅速地修正。如果积分作用太强，相当于每次微调电位器的角度值过大，其累积的作用与增益过大相同，会使系统的动态性能变差，超调量(被控对象的最大值与预设值的差除以预设值)增大，甚至使系统不稳定。积分作用太弱，则消除误差的速度太慢。

(3)微分D(微分部分的微分时间TD)，有经验的操作人员在温度上升过快，但尚未达到设定值时，根据温度变化的趋势，预感温度将会超过设定值，出现超调。于是调节电位器的转角，提前减小加热的电流。微分作用也是这样，具有超前和预测的特性，在温度尚未超过稳态值之前，根据被控量变化的趋势，微分作用就能提前采取措施，以减小超调量。适当的微分控制作用可以使超调量减小，调节时间缩短，增加系统的稳定性。微分时间TD与微分作用的强弱成正比。如果微分作用太强(TD太大)，对误差的变化压抑过度，将会使响应曲线变化迟缓，超调量反而可能增大。微分作用太弱则作用不大。

3 具体的PID参数整定步骤

3.1 采样周期TS

采样周期越小，采样值越能反映模拟量的变化情况。但是TS太小会增加CPU的运算量，被控量变化缓慢时，也没必要将TS取的过小。确定采样周期时，应保证在被控量迅速变化的区段能有足够多的采样点，以保证不会因为采样点过少而丢失被采集的模拟量中的重要信息。将各采样点的测量值PVn连接起来，应能基本上复现模拟量测量值pv(t)曲线。

表1中给出了过程控制中采样周期的经验数据以供参考。实际的采样周期需要经过现场调试后确定。

表1 过程控制采样周期

3.2 比例环节

为了减少需要整定的参数，首先采用比例(P)控制，即暂时取消积分和微分环节。观察过程变量pv(t)的波形，由此获得系统性能的信息，如超调量和调节时间等。本人做了一个模拟实验，取比例增益KP=5.0，积分时间TI=0.0S，微分时间TD=0.0S，得到的控制阶跃响应曲线见图1(不停波动的是实际温度线，方波是设定值)。

图1 KP=5.0、TI=0.0S、TD=0.0S的控制响应曲线

可以看到，实际温度线在设定值方波上来回振荡，稳定性不好。接下来把KP降到3.0，积分和微分时间依然为0.0S，得到的控制阶跃响应曲线见图2。

图2 KP=3.0、TI=0.0S、TD=0.0S的控制响应曲线

这一次振荡次数少了很多，但实际值花了很长时间都没达到设定值，控制效果也不好。接下来引入积分环节来消除误差。

3.3 积分环节

在纯比例环节中不停调节KP到一定效果后，引入积分环节。先可以把TI值设置大点，即使积分作用比较弱，然后慢慢减小TI值(增大积分作用)，观察观察过程变量pv(t)的波形。实验中，先设定的参数为：KP=2.0，积分时间TI=20.0S，微分时间TD=0.0S，得到的控制阶跃响应曲线如图3。

图3 KP=2.0、TI=20.0S、TD=0.0S的控制响应曲线

可以看到，这次响应曲线比上一次又好了很多，但到达稳态的时间还是长了一些，仍需进一步改进。接下来增大积分作用，设定参数为：KP=2.0，积分时间TI=6.0S，微分时间TD=0.0S，得到的控制阶跃响应曲线见图4。

图4 KP=2.0、TI=6.0S、TD=0.0S的控制响应曲线

这次只经过3次振荡就到达稳态，但超调量(峰值)有点过高。接下来引入微分环节来提前抑制过高的超调量。

3.4 微分环节

在比例和积分参数确定后，如果控制阶跃响应曲线还不够理想，就要引入微分环节，特别是针对控制对象的惯性滞后较大的情况。先可以把TD值设置的小一些，即使微分作用比较弱，然后慢慢增大TD值(增大微分作用)，观察观察过程变量pv(t)的波形。实验中，先设定的参数为：KP=2.0，积分时间TI=6.0S，微分时间TD=0.2S，得到的控制阶跃响应曲线见图5。

图5 KP=2.0、TI=6.0S、TD=0.2S的控制响应曲线

引入微分环节后，可以看到曲线在设定值上后期的振荡次数少了一些，但是超调量未有明显好转。接下来增大微分作用，这次的参数为KP=2.0，积分时间TI=6.0S，微分时间TD=1.0S，得到的控制阶跃响应曲线见图6。

图6 KP=2.0、TI=6.0S、TD=1.0S的控制响应曲线

这次可以看到，实际值曲线只经过一次振荡就进入稳态，而且超调量也很好，得到的PID控制阶跃响应曲线很完美。

4 结束语

PID参数的整定是一个综合的﹑各参数相互影响的过程，实际调试过程中的多次尝试是非常重要的，也是必需的。

(1)如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能进入稳态或者根本不稳定，应减小控制器的比例增益KP或增大积分时间TI。

(2)如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡时间太长，应按相反的方向调整上述参数。

(3)如果消除误差的速度较慢，应适当减小积分时间，增强积分作用。

(4)反复调节比例增益和积分时间，如果超调量仍然较大，可以加入微分作用。微分时间从0逐渐增大，反复调节KP﹑TI﹑TD，直到满足要求。需要注意的是在调节比例增益KP时，同时会影响到积分分量和微分分量的值，而不是仅仅影响到比例分量。

精准的控制温度、压力、流量等这一系列变化的参数，使得蒸压加气混凝土在生产的开始到结尾一直处于良好的可控条件下。