XMPA7000三沖量控制(模式2)PID參數現場整定培訓教材
1. PID調節器的適用范圍
PID調節控制是一個傳統控制方法，它適用于溫度、壓力、流量、液位等幾乎所有現場，不同的現場，僅僅是PID參數應設置不同，只要參數設置得當均可以達到很好的效果。均可以達到0.1%，甚至更高的控制要求。
2. PID參數的意義和作用指標分析
P、I、D： y=yP+yi+ yd
2.1. P參數設置
名稱：比例帶參數，單位為(%)。
比例作用定義：比例作用控制輸出的大小與誤差的大小成正比，當誤差占量程的百分比達到P值時，比例作用的輸出=99%，這P就定義為比例帶參數。即
yp= ×99% = ×99% = Kp · Err (1)
（其中：yP=KP·Δ、Δ=SP-PV，取0-99%）
KP=1/（FS·P）
也可以理解成，當誤差達到量程乘以P(%)時，比例作用的輸出達99%。
例：對于量程為0-1300℃的溫控系統，當P設置為10%時，FS乘以P等于130℃，說明當誤差達到130℃時，比例作用的輸出等于99%，誤差每變化1℃，比例作用輸出變化0.79%，若需加大比例作用的調節能力，則需把P參數設置小些，或把量程設置小些。具體多少可依據上述方法進行定量計算。
P=輸出全開值/FS·99%
P參數越小比例作用越強，動態響應越快，消除誤差的能力越強。但實際系統是有慣性的，控制輸出變化后，實際PV值變化還需等待一段時間才會緩慢變化。由于實際系統是有慣性的，比例作用不宜太強，比例作用太強會引起系統振蕩不穩定。P參數的大小應在以上定量計算的基礎上根據系統響應情況，現場調試決定，通常將P參數由大向小調，以能達到*快響應又無超調(或無大的超調)為*佳參數。
2.2. I參數設置
名稱：積分時間，單位為秒。
積分作用定義：對某一恒定的誤差進行積分，令其積分“I"秒后，其積分輸出應與比例作用等同，這I就定義為積分時間。即：
Ki∫I O Errdt = Ki · I · Err = Kp · Err (2 )
Ki = Kp /I (3 )
yi = Ki ∫t o Err (t)dt (4 )
為什么要引進積分作用呢？
前面已經分析過，比例作用的輸出與誤差的大小成正比，誤差越大，輸出越大，誤差越小，輸出越小，誤差為零，輸出為零。由于時輸出為零，因此比例調節不可能消除誤差，不可能使被控的PV值達到給定值。必須存在一個穩定的誤差，以維持一個穩定的輸出，才能使系統的PV值保持穩定。這就是通常所說的比例作用是有差調節，是有靜差的，加強比例作用只能減少靜差，不能消除靜差(靜差：即靜態誤差，也稱穩態誤差)。
為了消除靜差必須引入積分作用，積分作用可以消除靜差，以使被控的PV值*后與給定值一致。引進積分作用的目的也就是為了消除靜差，使PV值達到給定值，并保持一致。
積分作用消除靜差的原理是，只要有誤差存在，就對誤差進行積分，使輸出繼續增大或減小，一直到誤差為零，積分停止，輸出不再變化，系統的PV值保持穩定，PV值等于SP值，達到無差調節的效果。
但由于實際系統是有慣性的，輸出變化后，PV值不會馬上變化，須等待一段時間才緩慢變化，因此積分的快慢必須與實際系統的慣性相匹配，慣性大、積分作用就應該弱，積分時間I就應該大些，反之而然。如果積分作用太強，積分輸出變化過快，就會引起積分過頭的現象，產生積分超調和振蕩。通常I參數也是由大往小調，即積分作用由小往大調，觀察系統響應以能達到快速消除誤差，達到給定值，又不引起振蕩為準。
3. D參數設置
名稱：微分時間，單位為秒
定義：D是指微分作用的持續時間，是指從微分作用產生時刻起到微分作用衰減到零(接近零)所花的時間。如下圖所示。
為什么要引進微分作用呢？
前面已經分析過，不論比例調節作用，還是積分調節作用都是建立在產生誤差后才進行調節以消除誤差，都是事后調節，因此這種調節對穩態來說是無差的，對動態來說肯定是有差的，因為對于負載變化或給定值變化所產生的擾動，必須等待產生誤差以后，然后再來慢慢調節予以消除。
但一般的控制系統，不僅對穩定控制有要求，而且對動態指標也有要求，通常都要求負載變化或給定調整等引起擾動后，恢復到穩態的速度要快，因此光有比例和積分調節作用還不能滿足要求，必須引入微分作用。比例作用和積分作用是事后調節(即發生誤差后才進行調節)，而微分作用則是事前預防控制，即一發現PV有變大或變小的趨勢，馬上就輸出一個阻止其變化的控制信號，以防止出現過沖或超調等。
D越大，微分作用越強，D越小，微分作用越弱。系統調試時通常把D從小往大調，具體參數由試驗決定。
如：由于給定值調整或負載擾動引起PV變化，比例作用和微分作用一定等到PV值變化后才進行調節，并且誤差小時，產生的比例和積分調節作用也小，糾正誤差的能力也小，誤差大時，產生的比例和積分作用才增大。因為是事后調節動態指標不會很理想。而微分作用可以在產生誤差之前一發現有產生誤差的趨勢就開始調節，是提前控制，所以及時性更好，可以*大限度地減少動態誤差，使整體效果更好。但微分作用只能作為比例和積分控制的一種補充，不能起主導作用，微分作用不能太強，太強也會引起系統不穩定，產生振蕩，微分作用只能在P和I調好后再由小往大調，一點一點試著加上去。
4. PID綜合調試
比例作用，積分作用和微分作用的關系是：比例作用是主要調節作用，起主導作用。
積分作用是輔助調節作用；微分作用是補償作用。
在實際調試時可按以下步驟進行。
1) 關掉積分作用和微分作用，先調P。即令I>3600秒，D = 0秒，將P由大往小調以達到能快速響應，又不產生振蕩為好。并需結合量程進行定量估算。
2) P調好后再調I，I由大往小調，以能快速響應，消除靜差，又不產生超調為好，或有少量超調也可以。I應考慮與系統慣性時間常數相匹配。一般I值和慣性時間差不多。
3) P、I調好后，再調D。一般的系統D =0，1或2。只有部分滯后較大的系統，D值才可能調大些。
4) PID參數修改后，可以少量修改給定值，觀察系統的跟蹤響應，以判斷PID參數是否合適。
5) P值太小，I值太小或D值太大均會引起系統超調振蕩。
6) 對于個別系統，如加溫快降溫慢，或升壓快降壓慢，或液位升得快降得慢等不平衡系統是很難控制的，更難兼顧動態指標，只能將P調大些，I值也調大些，犧牲動態指標來保證穩態指標。這是由系統的不可控制特性所決定的，而與PID調節器的性能無關。
5、三沖量控制使用范例：
假設： 一個75 t/h鍋爐,汽包水位采用帶前饋三沖量控制。
蒸汽流量 : 4 ~ 20mA信號對應 0 ~ 100 t/h
給水流量 : 4 ~ 20mA信號對應 0 ~ 100 t/h
汽包水位 : 4 ~ 20mA信號對應 -300 ~ 300 mm
5.1
5.1.1 按這種情況，選用模式2。
5.1.2 在這種模式下IN5不用，將IN5分度號設為0~10mA，接線端子可空著。
5.1.3 將汽包水位信號接到IN1，給水流量信號接到IN2，蒸汽流量信號接到IN3。
5.1.4 輸出接后備操作器。DI1接操作器手動狀態繼電器輸出信號，IN4接操作器閥位反饋輸出信號。用于后備操作器的手/自動無擾切換。
5.2 儀表接線：
汽包水位 : 4 ~ 20mA信號，接3,4端子。
給水流量 : 4 ~ 20mA信號，接7、8端子。
蒸汽流量 : 4 ~ 20mA信號，接10、13端子。
控制輸出 ： 4 ~ 20mA信號，接18、19端子
5.3 儀表菜單設置：
5.3.1 在模式選擇菜單中，將模式設為2(見C. 模式參數設置)。
5.3.2 在控制參數菜單中，將PID1的前饋系數及前饋偏值設為0(見B.控制參數設置框圖)。
5.3.3 在量程設置菜單中，
將 IN1 分度號設為4~20mA，量程下限設為-300，量程上限設為300。
將 IN2 分度號設為4~20mA，量程下限設為0，量程上限設為100.0。
將 IN3 分度號設為4~20mA，量程下限設為0，量程上限設為100.0。
5.4 儀表參數設置：
5.4.1 PID參數人工整定。(注意事項：在調試過程中，出現汽包水位偏離正常值過多時，應先用手動改變輸出使汽包水位恢復正常值，以免影響系統正常運行。)
a. 手動調整后備操作器輸出使系統大致穩定，觀察此時閥門開度值mv與給水流量值。
b. 按LOOP鍵，使L1燈亮，L2燈滅(切換到顯示回路1)，按A/M鍵，使MAN1燈亮，再把附屏顯示設為顯示PID1控制輸出（E. 附屏設置），按Ñ或D鍵使PID1控制輸出為mv值。
c. 按LOOP鍵，使L1燈滅，L2燈亮(切換到顯示回路2)。
d. 按A/M鍵，使MAN2燈亮，按Ñ或D鍵使PID2控制輸出為mv值，待給水流量值穩定后。
e. 調整PID2的P、I、D三個參數(在調節流量/壓力/液位時通常D參數設為0)；當調整了P或I的參數后需要觀察PID參數是否適當時，按A/M鍵，MAN2燈滅，在工作態，再按下LOOP鍵使L1燈亮，L2燈滅(切換到顯示回路1)，按Ñ或D鍵改變PID1控制輸出值(給水流量給定值)，看給水流量是否能夠快速跟蹤到PID1的控制輸出值(給水流量給定值)，并且沒有超調過大及振蕩現象。
f. 若有上述現象則重復d. e.步驟重新調整PI參數，直致能夠快速穩定地到給定值。
g. 按LOOP鍵，使L1燈滅，L2燈亮(切換到顯示回路2)。 按A/M鍵，使MAN2燈亮，按Ñ或D鍵使PID2控制輸出為mv值，待給水流量值穩定后。
h. 調整PID1的P、I、D三個參數(在調節流量/壓力/液位時通常D參數設為0)；當調整了P或I的參數后需要觀察PID參數是否適當時，按A/M鍵，MAN2燈滅，在工作態，再按下LOOP鍵使L1燈亮，L2燈滅(切換到顯示回路1)，按A/M鍵，使MAN1燈滅，進入工作態，按Ñ或D鍵改變PID1給定輸出值(汽包水位給定值)，看汽包水位否能夠快速跟蹤到PID1的給定值，并且沒有超調過大及振蕩現象。
i. 若有上述現象則重復g. h.步驟重新調整PI參數，直致能夠快速穩定地到給定值。
j. 按下LOOP鍵使L1燈亮，L2燈滅(切換到顯示回路1)。
5.4.2 蒸汽流量前饋加法整定： 將附屏設為In3（詳見E.附屏顯示設置），系統投運在正常額定負載下，系統工作穩定后，讀出附屏前饋輸入值(即蒸汽流量值)，假設為75.0，計算出此時前饋量百分比值FFS=75.0/(100.0-0)=75%,設計前饋輸入擾動(根據現場情況判定) =15%，前饋加法作用(經驗值、在三沖量控制時取值較小) =10%。前饋系數FFS.K=10%/15%=0.67，前饋偏值FFS.B=-FFS.K*FFS=-0.67*75%=-50.25%。
則在控制參數菜單中，將PID1的前饋系數FFS.K設置為0.67，前饋偏值FFS.B設為-50.3。
附錄：自備電廠20T煤氣鍋爐三沖量調試有感：
觀察在手動調節時，負荷（蒸汽流量）值，以及給水流量的值，一般情況下，常用蒸汽流量值作為一個參照數（如在本例調試中為40T）；此時將手操器打到手動，回路2打到自動，回路1打到手動，并將回路1的手動輸出調到40%（對應0－100T的量程，即為常用流量40T）
此時調整回路2的PID參數，將手操器打到自動，觀察調節效果，注意：為觀察調節效果而進行的人為給定（即回路1的輸出）的擾動*好在20%范圍內，以免造成劇烈振蕩；同時還應該注意兼顧此時的液位值應該在允許范圍內，若液位值偏高，則將給水流量的給定值（即回路1的輸出）調到小于蒸汽流量值（具體值，根據液位偏高的程度越大，給水流量的給定值就應該越小）。
若回路2的PID參數能作到振蕩幅度較小，并在2分鐘內趨于穩定則認為參數基本適合，一般P＝（50～200）；I＝（10～80），D＝0；
在調整回路2的PID參數時還要注意：若輸出值變化過快會導致執行機構動作頻繁，發熱，導致執行機構觸發自保護，不動作了。出現這種情況，可暫停調試，將手操器打到手動。此時，給水用旁通閥，加大流量，用停給水泵下調液位，以保證生產正常運行。
因此，回路2 的輸出閥位變化率應調到3%以下。
