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淺談工業自動化控制系統中的智慧控制


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自動化automation)不斷完善和發展的今天,自動化水平已經成為衡量企業現代化水平的一個重要標準,而自動化的一個重要分支——工業自動化,更是生產型企業提高生產效率,穩定產品質量的重要手段。我國的自動化發展歷程也經歷了以“觀測”為主的第一階段,以“觀測”並“人為反應”的第二階段,已經逐漸進入到“自動測量自動反應”的第三階段。這些進步,同時需要控制理論和實踐的完善,智慧控制intelligent controls)作為現代控制理論基礎上發展起來的新型控制理論,已經廣泛應用於各個自動化領域,全自動洗衣機就是典型的智慧控制自動化的例子。

一個控制系統包括控制器controller)、傳感器sensor)、變送器transmitter)、執行機構final controlling element)、輸入輸出接口I/0 interface)五部分組成。控制器的輸出經過輸出接口、執行機構,加到被控系統上;控制系統的被控量,經過傳感器,變送器,通過輸入接口送到控制器,這樣完成了一次正常的運算控制操作。

按照自動控制有無針對物件來劃分,自動控制可分為“開環控制”和“閉環控制”。區分“開環控制”和“閉環控制”最直接的辦法是看是否有最終物件的反饋,當然這個反饋不是人為直觀觀察的。例如向一個容器裡加水,有水位測量設備,水位到達設定的高度,水龍頭自動關斷,這就是“閉環控制”;如需人為的看水是否到了設定的高度,而去人為的關水龍頭,這就是“開環控制”。當然,智慧控制,標的是不需要人為干預,所以,我們可以簡單的認為“開環控制”是人為干預控制,不能完全體現智慧控制的特點,所以在這裡不去深究它。“閉環控制”按照執行機構的不同,可分為“狀態閉環控制”和“調節閉環控制”。區分“狀態閉環控制”和“調節閉環控制”的辦法是看對執行機構的作用方式,如上例中,如果水龍頭是開關兩位的,在水位到達設定的高度,自動關斷水龍頭,則此為“狀態閉環控制”;如果水龍頭是可調節的,根據水位高度的不同,調節水龍頭開度的大小,通過加水量的不同,讓水位保持平衡,此為“調節閉環控制”。

目前工業自動化控制中,“狀態閉環控制”多用於保護類控制,例如汽機的ETS,鍋爐的MFT,化工的ESD,水泵保護等等。其優點是反應比較快,控制器本身不需要複雜的計算,通過邏輯運算基本可以實現;其缺點是一旦收到的反饋信號為假信號,則按照假信號進行動作,工程上多稱之為“誤動”。由於動作迅速(一般是以“毫秒”為單位進行計算),所以一旦誤動產生,無法在執行之前或之中做出人為反應處理,只能事後補救,而一些重要的保護一旦產生誤動,其影響和損失都是比較大的。針對這個問題,根據現場“狀態閉環控制”的重要性和損失性,需要將反饋信號進行品質判斷處理,判斷出信號的真實性,如果是假信號,則保持原信號不變,不觸發執行機構工作,避免誤動。而且幾乎所有的“狀態閉環控制”都有是否允許執行的開關,即聯鎖按鈕。聯鎖按鈕可根據實際情況,屏蔽控制內容,這樣就可以部分的對其進行提前控制,把誤動的可能性減到最低。

“調節閉環控制”相對“狀態閉環控制”要複雜一些,需要控制器進行複雜的運算,計算出輸出的結果給執行機構,執行機構進而調節被調節物件。從時間上來講,“調節閉環控制”是不間斷的時時進行計算和輸出,其周期決定於控制器的運算周期。“調節閉環控制”需要人為或通過系統計算給定一個被控制物件的理想的狀態數值(給定值set value,簡寫為S),控制器會比較實際的被控制物件的數值(測量值practical value,簡寫P)與給定值之間的偏差,並計算出輸出到執行機構的值(輸出值output value,簡寫O)給執行機構,執行機構變化,使測量值改變,控制器再次比較測量值與給定值的偏差(以下簡稱偏差),進行下一迴圈的計算並輸出。“調節閉環控制”一般常用的控制方式是“比例積分微分控制”即“PID控制”或“PID調節”。PID控制器就是根據偏差,利用比例proportional)、積分integration)、微分differentiation)計算出控制量進行控制的。PID控制器問世至今已有近幾十年的歷史,它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。很多盤裝儀錶控制器就具備很好的帶有記憶功能的PID控制功能。“調節閉環控制”對控制系統中各個環節設備性能的要求比較高,如對執行機構,要求執行機構的線性度要高,不能是越階式執行。同時,“調節閉環控制”因為是時時調節控制,所以對執行機構的機械部分磨損比較大,部分的影響執行機構的壽命。

在“調節閉環控制”中,對控制系統的各個部分的工作狀態也有所要求,同例如執行機構,“調節閉環控制”要求執行機構是工作狀態是在“線性區域”工作,而不是死區。所謂死區dead zone),又稱儀錶不靈敏區,是指輸入量的變化不致引起該儀錶輸出量有任何可察覺的變化的有限區間。例如一個執行機構,接收4~20mA線性信號,輸出動作是0~100%的機械力,那麼當輸入的信號是4.0005mA的時候,執行機構是不動作的,此時4.0005mA是處於執行機構的死區內。閥門是最典型的執行機構,閥門的工作特性曲線圖(如圖01)表示出了閥門死區與工作線性區的特點。

圖中Y軸代表的是閥門輸出的機械動作,即實際開度;X軸代表接受到的執行命令大小,即要求開度。由圖可知,閥門在關閉時剛開始接收到開信號時閥門無實際動作,這段區域即是死區,然後在接受到一定的信號值後,閥門開始大幅度動作,然後進入到一個相對平緩的直線運行區域,這段相對平緩的直線即線性區linear zone)。然後再經過大幅度動作區,死區,到底滿開度。關閉亦然。實際中,很多閥門在實際中是不可能完全達到0%100%開度的,也就是說0%開度閥門一定或多或少有一些流量,而100%開度也不可能是0阻力流動的。

瞭解了“調節閉環控制”的執行機構特點,之後進行調節,方法多為PID調節。而PID調節有很多計算方法,實際應用卻多用“試湊法”,即先通過經驗預設一組PID引數值,再根據實際效果調節引數值,達到預期的目的。所以實際中主要調節什麼引數,如何去調節PID引數,是最直接需要掌握的內容。

首先要知道所除錯的調節系統的作用方式,即正作用還是反作用。如果被調節物件的測量值大於給定值,則增大執行機構輸出值,此為正作用。反之為反作用。同一個容器,即有進水閥,也有排水閥,被調節物件是水位,那麼如水位高於期望值,需減小進水閥的開度,進水閥為反作用;需增大排水閥開度,排水閥為正作用。正反作用是PID調節的基礎,是執行機構的方向問題,找對了方向,才有可能向好的調節效果上發展。

其次要瞭解的,就是PID的含義了。比例、積分、微分在PID調節的作用。

比例(P)控制是一種最簡單、最基礎的控制方式。其控制器的輸出與偏差信號成比例關係。比例控制的輸出曲線如圖02所示,其輸出是一條始於原點的直線,而直線的斜率是由比例增益確定的。

調節的一方面,測量值和給定值無限接近,即偏差值很小越好,從而滿足調節的精度:另一方面,調節需要具有一定的幅度,以保證調節的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將偏差信號進行放大。比例增益就是用來設置差值信號的放大繫數的。籠統的講比例增益就是放大倍數。一般在初次除錯時,比例增益可按中間偏大值預置.待設備運轉時再按實際情況細調。而系統當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差,其測量值曲線的表現是等幅振蕩。

積分(I)控制對比例控制有強烈的制約效應。對一個自動控制系統,如果在進入穩態後存在穩態誤差,則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統。為了消除穩態誤差,在控制器中必須引入積分。隨著時間的增加,積分作用會增大。這樣,即便偏差很小,積分也會隨著時間的增加而加大,它反向推動控制器的輸出,使穩態誤差減小,直到等於零。積分曲線如圖03所示,

其作用方式是只要有偏差,並且偏差在允許偏差範圍只外,積分就會起作用,反作用拉動比例增幅。反之如果無偏差或者偏差在允許範圍內,積分作用消失。調節積分的引數是積分時間,由比例控制可知,比例增益越大,由於慣性導致超調,然後反過來調整,再次超調,形成振蕩。引入積分的效果是,使經過比例增益放大後的差值信號在積分時間內逐漸增大,從而減緩其變化速度,防止振蕩。但積分時間太長,又會當反饋信號急劇變化時,被控物理量難以迅速恢復。因此,積分時間的取值與拖動系統的時間常數有關:拖動系統的時間常數和積分時間是成正比的。

微分(D)控制是在調節系統在進行比例控制和積分控制之前進行的超前控制,採用微分控制的主要原因是控制系統中有滯後性。系統在比例控制之後,被控物理量值未及時的變化,而是比例控制超調的時候開始變化,此時積分作用已不能對比例進行很好的反拉動作用,比例因為慣性在達到理想輸出時向反方向移動,無限制振動。這樣就需要微分提前控制,微分控制曲線如圖04

微分作用是在比例控制之前,提前輸出作用於被控物件,抵消滯後時間,而後比例控制和積分控制起作用,從而避免了被控量的嚴重超調。微分根據差值信號變化的速率,提前給出一個相應的調節動作,從而縮短了調節時間,剋服因積分時間過長而使恢復滯後的缺陷。微分控制引數主要是微分時間,微分時間的取值也與拖動系統的時間常數有關,拖動系統的時間常數與微分時間也是成正比關係。

PID控制是比例、積分、微分結合作用控制,目前比較常見的是PI控制和PID控制,根據實際的被控物件不同,選擇的控制組合方式也不同,但目的曲線是相同的,如圖05所示,

圖中Y軸代表測量值及給定刻度。X軸代表時間,給定值是固定的,所以是一條平行於X軸的直線,理論上,我們希望的曲線,是被控量直接向給定量靠近,進而重合,如曲線“理想狀態下的被調節物件測量值曲線”,但實際中並不能實現,客觀上比較理想的是圖中“調節較好的被調節物件測量值曲線”,被控量圍繞給定量振蕩幾個周期後,靠近給定量。實際中,被控量和給定量是不可能完全重合,存在動態的偏差。至於是否能穩定,或者經過幾個周期才平穩,要取決於引數的設置,各個控制環節的性能,還有外擾。


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