【摘要】主要針對鍋爐控制系統的特點、控制策略的特點及使用方法、PID控制回路的整定和無擾動切換等方面介紹了力控pStrategy控制策略在控制系統中的應用。
【關鍵字】控制策略 實時數據庫 算法塊 PID 參數整定

一、前言
眾所周知，工業過程控制系統的安全性、穩定性、準確性和經濟性是企業考慮的重中之重，是衡量系統是否可行的重要指標。隨著工業自動化整體技術水平的提高，方案的選擇范圍增多，但據不同的要求和不同的側重點，最優方案始終是我們的首選。其中以三維力控自動化監控組態軟件為上位機的控制系統中，在保證系統的安全性、準確性和穩定性的同時，也保證了項目投資成本的最小化。

二、系統特點
在鍋爐控制系統中，鍋爐汽包水位的控制、過熱蒸汽的溫度控制、燃料量流量的控制和送風流量的控制是控制重點，下面就汽包水位控制過程進行分析，明確控制對象、操作量和被調量等參數，用類似方法可分析其它的控制過程。
鍋爐汽包水位控制：汽包水位調節系統的主要任務是使給水量與鍋爐蒸發量保持平衡，并維持汽包水位在工藝規定的范圍內。由此分析出鍋爐的受控變量為汽包水位，操縱變量是給水流量。汽包水位是鍋爐運行的主要指標，水位過高或過低都會帶來比較嚴重的后果。所以通常采用三沖量控制方案，即分別對給水流量、蒸汽流量和水位進行控制，控制系統結構如圖一示:


圖一 汽包三沖量控制圖

三沖量控制實際上是前饋蒸汽流量和串級控制組成的復合控制系統，系統如圖二所示，

圖二 系統圖

三、方案設計
明確整個控制流程和控制對像，就可以開始設計方案了。在早的控制系統中多由模擬PID調節器、PLC和智能儀表等完成PID控制；隨著工業自動化軟件的發展兼各種智能設備、通訊附件功能的完善，充分利用計算機的能力，使本來由硬件完成的功能慢慢轉移到計算機處理中，尤其表現在大量數據處理的系統中。目前，多個以力控控制策略為上位機的控制系統已成功運行，系統的結構如圖三示：

圖三 系統結構圖
優越性：在傳統的鍋爐控制系統的方案設計中，通常采用DCS、PLC或智能儀表內部整合的控制算法完成一系列的PID控制，但是仍有它們的不足之處。首先，這些控制設備內部的控制策略修改起來很不方便，有些控制策略在系統運行期間甚至是不允許修改的。其次，這些控制設備的控制能力與它的成本成正比率關系，低廉的設備只能完成一些簡單的常規控制，而且邏輯操作速度不高，控制算法種類也偏少。這些缺陷嚴重制約著設備性能的發揮。而借助力控控制策略豐富的算法，就可以彌補這些設備在運算、控制能力上的不足。
特點：力控控制策略是應用工程運行中的進程之一，與力控實時數據庫、IO采集一起構成了整個控制系統，完成采集數據、處理數據及控制輸出。所以在系統的設計中實時數據庫和控制策略間是交互的，它們之間存在著如何建立連接的問題，即控制策略算法塊需要以實時數據庫為輸入輸出，同時實時數據庫也需要取得算法塊的參數，方便運行中動態修改，如PID控制回路的整定。這樣才能確保系統穩定地運行。

四、軟件實現
力控控制策略編輯器采用了算法塊圖的形式，設計簡單、操作方便、無需編寫腳本，根據系統控制流程就可快速地完成，下面以一個簡單的PID控制回路從建立到運行的操作過程為例，具體步驟如下：

圖四 控制策略編輯窗口說明：
1． 左邊是個樹型列表
（1）“工具”下是分類的算法塊
（2）“策略管理”下是策略窗口
2．右邊是當前策略編輯窗口

1．建立數據庫變量：運行力控開發系統或者實時數據庫開發系統，進入數據庫組態環境DbManage.說明：（1）．主要功能是將點與設備IO點建立一對一的關系、點參數設置、參數保存方式及其它處理方法；（2）．數據庫點可分區域、分單元及分組顯示，一方面方便自己區分、快速瀏覽；另一方面方便報警記錄查詢、總貌瀏覽和歷史曲線查詢。

2．建立PID控制回路：進入控制策略編輯窗口，將PID控制器拉至右邊策略窗口，或者先點擊PID控制器，再點擊策略窗口欲繪制算法塊的位置。

3．設置PID算法塊屬性及參數.

4．PID控制器的信號輸入和輸出的連接，具體步驟如下：
4.1繪制PID功能模塊一樣，繪制數據庫輸入變量和數據庫輸出變量，也可以繪制“變量”下的其它的變量塊，方法類同，這里僅以數據庫變量為例，如圖五所示：


圖五 繪制數據庫輸入輸出塊

4.2 正確選擇數據庫輸入輸出變量及參數，這些變量都是在數據庫中已定義的點，點有很多的參數，變量就是點的某一參數值。

4.3 各算法塊的連接方法：將鼠標放在算法塊端子處，稍停片刻，若為輸入端子，則鼠標變成in，若為輸出端子，則鼠標變成out，此時，雙擊鼠標一次，再將鼠標轉致另外算法塊的端子，雙擊鼠標，若成功，則兩端子間出現白色虛線，將鼠標移致別處，則算法塊間出現一條白色實線。

注意：
連完線后，檢查是否有虛接現象


4.4 簡單的單PID控制回路已經完成，保存，編譯。

5．界面組態

5.1 雙擊PID點，可以查看PID點參數：

5.2 PID點的參數與PID控制器的屬性的對應關系，如表一：


表一 PID點主要參數表


6．編譯、運行

7．PID調節
PID調節的最終目標是使系統達到穩定狀態，使最大動態偏差盡可能小、調節時間最短、調節過程系統輸出的誤差積分值最小等等，綜合這些首先我們必須明確力控PID算法原理和PID對系統調節的影響趨勢。
控制算法公式如下：
比例項 = 比例 *（本次偏差 —　上次偏差）
積分項 = 比例 * 偏差 * 采集周期 / 積分時間常數
微分項 = 比例 *微分時間常數 *（本次偏差 - 2*上次偏差 + 上兩次偏差）/采集周期
如果是正動作，則：
輸出 = 上次輸出 + 比例項+ 積分項 + 微分項
如果是反作用，則：
輸出 = 上次輸出 — 比例項— 積分項 — 微分項
比例系數KP加大使系統的動作靈敏，速度加快，穩態誤差減小，KP偏大，振蕩次數加多，調節時間加長。KP太大時，系統會趨于不穩定。KP太小，又會使系統的動作緩慢。KP可以選負數，這主要是由執行機構、傳感器以控制對象的特性決定的。如果KP的符號選擇不當,對象狀態(PV值)就會離控制目標的狀態(SP值)越來越遠，如果出現這樣的情況KP的符號就一定要取反；積分控制KI對系統性能的影響：積分作用使系統的穩定性下降，KI小（積分作用強）會使系統不穩定，但能消除穩態誤差，提高系統的控制精度；微分控制KD對系統性能的影響：微分作用可以改善動態特性，KD偏大時，超調量較大，調節時間較短。KD偏小時，超調量也較大，調節時間也較長。只有KD合適，才能使超調量偏小，減短調節時間。

8．單PID控制回路的特點及無擾切換
8.1 PID控制回路的特點：
手動控制方式：PID控制器的輸出由手動完成，SPL、SPC、SP、PV具有自動跟蹤功能目的是使手動到自動無擾動切換，最終穩定在OP值。
自動控制方式：SPL、SPC和SP由操作員設定，PID回路完成PID算法，OP最終穩定在SP值。
8.2 無擾切換方法：
由手動->自動無擾切換：將PID點參數MODE值由0設為1
由自動->手動無擾切換：將PID點參數MODE值由1設為0
9．串級控制回路的特點及無擾切換
對一個PID控制器來講，有一個輸入端為SPC，懸空時構成為簡單的單回路控制，若要完成更復雜的控制，如實現外給定或遠程給定等。本文以串級控制回路為例，詳細說明力控串級控制系統的特點及各種無擾動切換過程，同時我們將更深入地了解PID控制器的幾個參數之間存在的相互制約關系。
首先，再建立一個PID控制回路PID1，將PID1的輸出OP連接到PID0的SPC端，設置好PID1控制器的屬性，主副回路都默認設置為手動方式和內給定，這樣就構成了以PID0為副回路、以PID1為主回路的串級控制系統。
補充說明：
系統中對于數據庫輸出變量算法塊增加了一個輸出死區屬性，這個功能在一定程度上減緩了數據庫的變化頻率，減輕了系統的負荷，提高了系統的穩定性。

圖六 串級控制回路


控制策略編輯好后，保存并編譯。為方便操作PID及無擾動切換，可以在力控開發環境下創建畫面窗口，連接主副回路PID點。
9.1 串級控制回路的特點：
副回路沒有設置成外給定方式時（副回路PID的CLC值為0），串級回路的特點為：
①主回路只能工作在手動方式：改變副回路的OP值，主回路自動跟蹤，使切換到自動為無擾動的，其中主回路的OP值傳遞給副回路。
②副回路為自動方式時，副回路完成PID算法，主回路的SP值和副回路SPL、SPC和SP一致，處于不變狀態。需要一個新的穩定狀態時，改變副回路OP值即可。
副回路設置為外給定方式時（副回路PID的CLC值為1），串級回路的特點：
①副回路不能在手動方式下工作
②主回路可以工作在手動、自動控制方式