島電SR93的PID控制參數(shù)設(shè)置

楊智

（沈陽市市場監(jiān)管事務(wù)服務(wù)中心(沈陽市檢驗檢測中心)，遼寧 沈陽 110179）

熱工計量領(lǐng)域需要對熱電偶、熱電阻傳感器在規(guī)程指定的多個溫度點進行檢定，恒溫裝置和控溫器成為熱工測試系統(tǒng)重要的組成部分，以日本島電SR93 控溫器為例，介紹如何設(shè)置控制參數(shù)使恒溫裝置最快，最穩(wěn)的到達設(shè)定溫度點，實現(xiàn)最優(yōu)的控制效果。

一、PID 控制

PID 控制算法是最經(jīng)典的自動控制算法，其控制結(jié)構(gòu)與簡單的閾值控制系統(tǒng)基本相同，但PID 控制中被控對象的狀態(tài)與設(shè)定值的誤差很小，甚至可以忽略不計，如日本島電SR93 的控制精度就達到了0.3 級。PID 控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機構(gòu)是不斷的持續(xù)行工作，且工作強度可以調(diào)節(jié)，即可以從停止工作狀態(tài)調(diào)整到滿負荷工作狀態(tài)。PID 控制包括三個控制參數(shù)[1]。

1.比例控制P：根據(jù)當(dāng)前的誤差信息來計算輸出控制信號的大小，誤差越大，輸出的控制信號越大。KP 稱為比例常數(shù)，KP 的數(shù)值越大，控制系統(tǒng)的靈敏度越高，對誤差的反應(yīng)越強烈，使控制對象能夠較快的達到設(shè)定值，但也容易使系統(tǒng)不穩(wěn)定，控制過度。

2.積分控制 I：根據(jù)當(dāng)前的誤差微分信息來計算輸出控制信號的大小，誤差積分越大，輸出的控制信號也越大。KI 稱為積分常數(shù)，比例控制達到設(shè)置值之后，誤差值為零，這時需要持續(xù)的誤差反饋作為控制輸入量，此時的積分誤差值仍不為零，其仍然可以產(chǎn)生一個穩(wěn)定的輸出控制信號，維持誤差為零的控制效果。

3.微分控制 D：根據(jù)當(dāng)前的誤差微分信息來計算輸出控制信號的大小，微分誤差越大，輸出的控制信號也越大。KD 稱為微分常數(shù)，誤差微分值越大，預(yù)示著被控制對象將產(chǎn)生較大的變化，而微分控制則是專門對抗這種激烈的變化，產(chǎn)生超前控制的效果[2]。

上式就是PID 控制算法的總公式，只要合理的設(shè)置KP、KI 和KD 三個值，基本上就可以滿足各種自動控制系統(tǒng)的要求。

二、SR93 的PID 設(shè)置

SR93 是一種高性能的單回路調(diào)節(jié)器。0.3 級精度、四種外形尺寸、四位超大LED 顯示，帶手動和模擬變送、設(shè)定值偏移（SB）、雙輸出及兩組專家PID 參數(shù)、一組外部開關(guān)、兩路報警和事件輸出，以及通訊功能。

（一）AT 自動整定

調(diào)節(jié)輸出正/反作用設(shè)置，選擇調(diào)節(jié)輸出反作用(加熱)或正作用(致冷)。反作用rA是指PV測量值與SV設(shè)定值的正偏差越大，調(diào)節(jié)輸出越小(加熱系統(tǒng))。正作用dA 是指PV 測量值與SV 設(shè)定值的正偏差越大，調(diào)節(jié)輸出越大(致冷系統(tǒng))。在對熱電偶、熱電阻的計量檢定中需要多段的升溫過程以達到規(guī)程中指定的計量溫度點，因此，需要選擇反作用rA。

1.AT 自整定示意圖

如圖1 所示，在未知最佳PID 參數(shù)的情況下，窗口設(shè)置SV 溫度后，執(zhí)行AT 自整定，AT 自整定啟動on 后，AT 燈亮，在測量PV 值到達SV 設(shè)定值后，講自動造成對系統(tǒng)的二、三次擾動。SR93 根據(jù)超調(diào)震蕩的大小和恢復(fù)周期，自動計算出系統(tǒng)的PID參數(shù)值。當(dāng)AT整定完成，AT燈滅，系統(tǒng)恢復(fù)正?？刂啤?/p>

（二）多段PID 加載

常見溫控器的用法是針對一個控溫裝置設(shè)定一個固定的SV 溫度點，SR93 控溫器應(yīng)用AT 自整定得到的一組PID 參數(shù)值，一直進行操作調(diào)節(jié)。而在熱工計量領(lǐng)域，不同分度的熱電偶、熱電阻需要多個不同的檢定溫度點，這樣SR93 需要針對多段的A-＞B、B-＞C、C-＞D、D-＞E 等多個溫度點進行迅速的最優(yōu)調(diào)節(jié)。這樣就需要針對性的試驗出多組參數(shù)如PID(A-＞B)、PID(B-＞C)、PID(C-＞D)、PID(D-＞E)等。當(dāng)需要進行某段升溫時，可以將對應(yīng)此段AT 自整定得到的PID 參數(shù)值，遠程直接下載至島電SR93。

（三）手動整定

對于一般的恒溫裝置，SR93 自整定都能達到預(yù)期控制效果的PID 參數(shù)，但是如果多次整定后的效果仍不理想，可以采用人工手動調(diào)整PID 參數(shù)。

1）當(dāng)?shù)竭_穩(wěn)態(tài)前超調(diào)量過大，可以適當(dāng)增加P 值以抑制超調(diào)。2）如果要加快到達穩(wěn)態(tài)的時間，而允許少量超調(diào)時，可適當(dāng)減小比例P 值。3）當(dāng)測量值在設(shè)定值上下緩慢波動時，可以適當(dāng)增加I 值或P 值。4）當(dāng)測量值在設(shè)定值上下波動頻繁時，可以適當(dāng)減小D 值[3]。

2.shimaden_com 軟件界面圖島電SR93 附帶的上位機調(diào)試軟件shimaden_com（如圖2）可以根據(jù)用戶需要便捷的設(shè)置儀表配置參數(shù)。如圖3 所示，用戶可以根據(jù)控制經(jīng)驗手工下發(fā)P、I、D 配置參數(shù)及輸出上下限。

3.PID 參數(shù)設(shè)置界面圖

三、結(jié)論

在研究日本島電SR93 的PID 配置參數(shù)及PID 控制算法的基礎(chǔ)上，提出了分段AT 自整定及將分段整定得到的PID 參數(shù)值通過上位機下載至SR93 的控制方法，經(jīng)熱電偶檢定實驗，熱電偶檢定爐在選擇最優(yōu)PID 參數(shù)的情況下，可以更快更穩(wěn)的達到預(yù)設(shè)SV 溫度檢定點，達到了預(yù)期的控制效果，大大縮減的熱工檢定的操作時間.