供稿| 牛海軍，何宇龍，趙錦澤

PID控制基礎(chǔ)知識(shí)及傳感器布置位置改造經(jīng)驗(yàn)

供稿| 牛海軍，何宇龍，趙錦澤

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章介紹了有關(guān)PID控制的基礎(chǔ)知識(shí)，針對(duì)某鋼廠粗軋機(jī)工作輥平衡系統(tǒng)中傳感器元件的工作環(huán)境惡劣，極易損壞，并且原設(shè)計(jì)位置使得傳感器元件更換不方便，影響生產(chǎn)效率的問(wèn)題，對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的改造，嘗試了兩種傳感器元件位置方案，指出：在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮環(huán)境對(duì)元件的影響，還要考慮元件布局在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性中的因素。點(diǎn)滴改造經(jīng)驗(yàn)，僅供同行參考。

在現(xiàn)代工程應(yīng)用中，PID控制以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)一直處于主導(dǎo)地位。而控制系統(tǒng)不同的設(shè)計(jì)包括硬件的安裝、執(zhí)行元件和檢測(cè)元件的布局等，對(duì)PID系統(tǒng)的控制品質(zhì)有很大的影響。本文針對(duì)某鋼廠粗軋機(jī)工作輥平衡系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的傳感器布置位置問(wèn)題，進(jìn)行了改造實(shí)踐。

PID控制基礎(chǔ)知識(shí)

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即，當(dāng)不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。工程實(shí)際中也有簡(jiǎn)單的PI和PD控制。PID控制器是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。

比例（P）控制

比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。

微分（D）控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì) 出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。

問(wèn)題分析

壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，檢測(cè)元件（壓力傳感器）應(yīng)盡可能靠近執(zhí)行元件（液壓缸），以保證實(shí)際壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性。某鋼廠粗軋機(jī)原設(shè)計(jì)的工作輥平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，壓力傳感器安裝在軋機(jī)工作輥下方的管路上，能夠保證測(cè)量要求，但實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件存在幾個(gè)方面的問(wèn)題：一是環(huán)境惡劣，在工作輥冷卻水、高壓除鱗水、油液滲漏等影響下，傳感器使用壽命嚴(yán)重縮短，極易損壞；二是傳感器安裝位置在軋機(jī)下方，管路眾多，維護(hù)、更換極為不便。在一年多的使用過(guò)程中，3次發(fā)生傳感器損壞事故，每次更換備件的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2.5 h。

改造過(guò)程

改造方案首先考慮將傳感器改裝到閥臺(tái)上。此方案的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，傳感器環(huán)境良好，易于維護(hù)和更換。在完成傳感器移位改造后進(jìn)行參數(shù)調(diào)試時(shí)，實(shí)際情況并不能滿意，盡管靜態(tài)誤差可以控制在要求的范圍之內(nèi)，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，擺動(dòng)次數(shù)多。原因?yàn)閴毫鞲衅骶o鄰伺服閥出口，伺服閥調(diào)節(jié)時(shí)壓力沖擊過(guò)大，即使調(diào)節(jié)反饋值的平滑時(shí)間也不能達(dá)到良好的效果。

然后，考慮在液壓缸附近的液壓管路上增加連接頭，將壓力傳感器安裝在外延管路末端，使其脫離狹小、潮濕、高溫的環(huán)境。在隨后的調(diào)試中，取得了良好的效果。通過(guò)對(duì)傳感器的移位和參數(shù)調(diào)節(jié)，在隨后的使用中，傳感器使用壽命延長(zhǎng)了5倍，更換元件時(shí)間僅為原先的1/4。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)改造實(shí)踐得出：在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮環(huán)境對(duì)元件的影響，還要考慮元件布局在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性中的因素。

[1] 胡壽松.自動(dòng)控制原理.北京：科學(xué)出版社，2007

Basic Knowledge of PID Control and Reconstructing Experience on Sensor Placement

NIU Hai-jun, HE Yu-long,ZHAO Jin-ze

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