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李振勝

1  概述

    露點式濕熱箱可供各種產(chǎn)品和材料進(jìn)行不同規(guī)范的潮熱試驗和干熱試驗。廣東江門精細(xì)化工廠有一臺20世紀(jì)70年代初設(shè)計、90年初代生產(chǎn)，現(xiàn)在還在使用的Y61320溫?zé)嵩囼炏?，雖然它的溫度控制精度較高（誤差不超過±0.5℃,溫度不均勻性不大于1℃），但由于是采用模擬電子電路設(shè)計，電路較復(fù)雜，在元器件老化及發(fā)生溫控故障時很難找到替代品維修，并且試驗箱的溫度測量不是數(shù)字顯示，顯得很不直觀，有必要進(jìn)行技術(shù)改造，應(yīng)用智能PID調(diào)節(jié)儀可解決這些問題。近年來，智能調(diào)節(jié)儀以其功能強大、性能價格高等優(yōu)點在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高等優(yōu)點，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過程控制領(lǐng)域仍有90%的回路在應(yīng)用PID控制策略。將智能控制和常規(guī)PID控制方法融合在一起而形成的智能PID控制器，它吸收了兩者的優(yōu)點，因而具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織的能力能夠自動辨識被控過程參數(shù)的變化，它又具備常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強、可靠性高、為現(xiàn)場工程人員所熟悉等特點。正是這兩大優(yōu)勢，使得智能PID控制成為眾多過程控制的一種較理想的裝置。根據(jù)這個設(shè)想，將試驗箱的后熱器、熱套和水箱的加熱器的溫度控制改用智能自整定PID調(diào)節(jié)儀控制。這種儀表具有以下的特點：(1) 采用萬能輸入裝置，使每塊儀表僅通過簡單快捷的菜單選擇，即可實現(xiàn)儀表的各種分度號、標(biāo)準(zhǔn)信號及遠(yuǎn)傳壓力信號、毫伏信號的輸入。(2) 采用模塊化通用電路結(jié)構(gòu)，通過簡單的模塊組合，即可實現(xiàn)儀表的各種功能變換，通用性和靈活性顯著增強。(3) 采用了集成度更高的IC芯片和先進(jìn)的SMT表面元件貼裝工藝以及獨特的電路屏蔽技術(shù)，從而具備超強的抗干擾力和可靠性，可在十分嚴(yán)酷的電磁干擾環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。

2  原理

    原有濕溫箱電路的溫控原理如圖1所示。先把空氣加濕到飽和狀態(tài)或接近飽和狀態(tài)，然后把濕空氣加熱，降低空氣的相對濕度達(dá)到所需的濕度值。箱內(nèi)的空氣經(jīng)螺殼通風(fēng)機進(jìn)入加濕通道噴霧加濕后，空氣達(dá)到或接近所需的飽和狀態(tài)，再經(jīng)后熱器加熱，空氣達(dá)到所需的空氣狀態(tài)。只要適當(dāng)?shù)乜刂坪鬅崞骷八渌臏囟?，就能達(dá)到所需要的濕度和溫度。采用智能PID控制儀分別控制后熱器、熱套和水箱的加熱器的溫度。在實際應(yīng)用中，當(dāng)箱內(nèi)實際溫度小于設(shè)定溫度時，由感溫元件熱敏電阻將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，測溫直流電橋的不平衡輸出經(jīng)差動放大和相敏檢波后，產(chǎn)生頻率不同的觸發(fā)脈沖，加到可控硅的控制極上，使其導(dǎo)電角變化，從而獲得升溫過程所需的功率。當(dāng)實際溫度和設(shè)定溫度相等時，測量電橋平衡，只有頻率較低的觸發(fā)脈沖輸出，使可控硅以很少的導(dǎo)電角開啟，提供一個小功率以彌補自然散發(fā)的熱量而維持恒溫。當(dāng)實際溫度高于設(shè)定溫度時，觸發(fā)電路無脈沖輸出，可控硅完全關(guān)斷，加熱器兩端無電壓供給，試驗箱停止加熱。

圖1  原濕溫箱電路溫控原理圖

圖2  改進(jìn)后控制加熱應(yīng)用電路圖

    應(yīng)用智能PID調(diào)節(jié)儀后的控制加熱應(yīng)用電路如圖2所示，采用Pt100作為測溫元件輸入到控制儀中，和改進(jìn)前電路不同的是加熱功率的大小是由智能PID調(diào)節(jié)器輸出信號控制雙向可控硅的控制極上，控溫更加準(zhǔn)確和直觀。

3  算法、整定和操作

3.1  系統(tǒng)控制算法
    本系統(tǒng)控制算法采用積分分離的PID算式，因溫度系統(tǒng)屬于變化比較緩慢的控制對象，當(dāng)偏差較大時，系統(tǒng)在升溫、停止升溫或溫度在大幅度升降時，由于積分項的作用，將會產(chǎn)生一個很大的超調(diào)量，使系統(tǒng)不停地振蕩。為了消除這一現(xiàn)象，采用了積分分離的方法，即在控制量開始跟隨時取消積分分離作用，直至被調(diào)量接近給定值，才產(chǎn)生積分作用。采用積分分離使調(diào)節(jié)器性能得到改善。

3.2  PID自整定原理
    當(dāng)用戶啟動儀表的自整定功能后，調(diào)節(jié)器自動轉(zhuǎn)換成位式調(diào)節(jié)狀態(tài)，即當(dāng)測量值小于設(shè)定值時調(diào)節(jié)器輸出為滿程，反之為零，使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，振蕩過程中調(diào)節(jié)器自動提取被控對象的特征參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)振蕩一個半周期后，調(diào)節(jié)器算出最佳PID整定參數(shù)再轉(zhuǎn)換成PID自動調(diào)節(jié)。

3.3  PID參數(shù)自整定操作
    以XMA511620A智能調(diào)節(jié)儀為例具體說明自整定操作。
(1)  按常規(guī)設(shè)定各參數(shù)，用手動調(diào)節(jié)方式證實系統(tǒng)工作正常。
(2)  將{PID}菜單中的{Pr}參數(shù)設(shè)定為≤0，將{CdA0}參數(shù)設(shè)定為調(diào)節(jié)器輸出0％時的PV穩(wěn)態(tài)值，并確認(rèn)退出。此時，儀表副屏顯示<AT>（小數(shù)點常亮）表示儀表處于自整定準(zhǔn)備狀態(tài)。
(3)  按下“ENT”鍵儀表進(jìn)入自整定狀態(tài)。此時儀表副屏顯示<AT>（小數(shù)點閃爍）表示儀表處于自整定狀態(tài)。
(4)  自整定結(jié)束后，儀表進(jìn)入PID調(diào)節(jié)。在｛PID｝菜單中可查P_r、T_i、T_d經(jīng)整定后的數(shù)值。
若自整定失敗，儀表副屏顯示的<AT>閃爍。

    在自整定過程中或自整定失敗后都可以按“ENT”鍵退回自整定準(zhǔn)備狀態(tài)，重新進(jìn)行自整定。
自整定過程一般為1～180分鐘，需要進(jìn)行1～2次被調(diào)參數(shù)的上下循環(huán)。自整定參數(shù)設(shè)置錯誤、中途斷電、輸入信號斷線、輸入信號超量或自整定時間超過3小時都可以導(dǎo)致自整定失敗。

4  結(jié)語

    基于傳統(tǒng)的PID控制結(jié)合智能儀器的智能PID控制器，由于具有良好的性能，在工業(yè)過程控制中應(yīng)得到廣泛的應(yīng)用。