2自由度PID调节仪在温控系统中的应用

　　王鸿钰，陆  虹（极东神港自控工程有限公司，上海 200333）
　　摘  要：在介绍微分先行PID、2自由度PID的基础上，较详细地介绍了BCx2系列调节仪在热分析温控系统中的应用和2自由度PID系数的设定。介绍的内容可供相关的工程技术人员参考。
　　关键词：2自由度PID；调节仪；热分析；温控系统

　　0 引言

　　PID调节技术已在工业自动化领域广泛应用。不 过，传统的PID控制技术只能设定一组PID参数，故又可称为1自由度PID。实际的控制系统中，既要求抑制外扰，又对跟踪目标值有一定要求，而2种工况对应的过程不同，所以需要2组不同的参数。1自由度PID控制系统的控制响应见图1（a）、（b），不可能使外扰抑制特性和目标值跟踪特性同时最佳。参数的设定不得不在两者之间进行折衷。图1（c）是2自由度PID的控制响应，控制效果明显提高。

　　表1是日本神港公司通过调节PID参数使外扰抑制特性最佳和目标值跟踪特性最佳的试验结果。为了进一步改善系统的控制品质，有必要独立设定两组参数。
　　1 微分先行PID

　　大多数工业过程可用一阶或二阶惯性加滞后描述，PID控制是这类系统中广泛使用的行之有效的控制技术。它的输出 u 与输入 e 的时域表达式为

　　式中, K_p,T_i,T_d, 分别为比例系数、积分时间、微分时间；e =SV-PV，SV-设定值，PV-过程变量。上式的传递函数为

　　为使控制效果更好，避免设定值调整时微分给过程造成的冲击，故实际使用的控制算法一般都对原算法加以改进，微分先行PID算法是很常见的一种。日本神港公司使用的微分先行算法的原理框图见图2。它的拉氏变换式为

　　其中 η 一般取0.1；微分部分为不完全微分，表达式中增加了一阶惯性环节 ，使微分作用时间延长。上式的微分动作仅作用于测量值。

　　2 2自由度PID

　　图3是日本神港公司2自由度PID控制技术的原理框图，它是在微分先行算法的原理框图上增加了目标值滤波器构成的。其中α是比例增益2自由度系数、β是积分2自由度系数、γ是表内已经设定的参数。α、β、γ是与PID独立的另一组参数。目标值SV作阶跃变化，经目标值滤波器滤波，输出延迟上升。控制效果见图4，其中SV作 200°C 阶跃变化，图4（b）的目标值跟踪特性比图4（a）明显提高。

　　3 调节仪在热分析温控系统中的应用

　　3.1 BCx2调节仪在热分析温控系统中的应用

　　BCx2系列调节仪是神港公司推出的具有2自由度PID调节功能的高性价比5位显示仪表，适合在众多工业领域应用。它正在取代已经广泛使用的JC系列调节仪；而且，还可以在同时要求外扰抑制特性最佳和目标值跟踪特性最佳的环境中使用。BCx2调节仪在热分析中的应用就是典型的一类应用。
　　热分析可分为差热分析（DTA）、示差扫描量热分析（DSC）、热重分析（TG）和热分析联用技术等多种方法。其中差热分析（DTA），它是在程序控制温度（以一定速度升温或降温、恒温）下，测量试样和在测定条件下不产生热效应的参比物之间的温度差ΔT和温度T关系的分析技术，ΔT =f（ T ）。示差扫描量热分析（DSC），它是在程序控制温度下，测量为使试样和参比物温度一致所需的能量差ΔE和温度T的关系， ΔE =f（ T ）。DSC和DTA的分析曲线类似，但更准确。热重分析（TG）也是在程序控制温度下进行的，测量试样的质量变化与温度的关系。
　　以差热分析仪为例，它的原理示意图见图5。BCx2调节仪的输入接测温热电偶，测量加热炉的温度；它的输出通过加热器加热放在电炉内2个坩埚中的参比物和试样。参比物的温度与加热炉的程序温度一致，试样温度随吸热和放热过程的发生而偏离程序温度，如图6所 示。试样热电偶和参比热电偶反向串接，经放大器放大后接记录仪ΔT 端，记录仪的T 端接参比热电偶（反映程序温度）。温控系统利用BCx2调节仪的2自由度PID调节功能，使得等速升温（如15℃/min）过程中的温度与时间之间呈现非常好的线性关系（最佳的跟踪特性），便于准确确定样品反应变化时的温度和获得良好的差热曲线；与此同时，实验中的程序温度还具有很好的外扰抑制特性。
　　为了获得准确的分析结果或扩大分析内容，对一个试样的分析常常同时联用多种热分析技术或者联用热分析技术与其他分析技术。以热分析与质谱联用为例，在程序控温下，测量试样在热过程中质量热焓和析出气体组成的变化，剖析物质的组成、结构及研究热分解或热合成机理。

　　3.2 2 自由度PID系数的设定由目标值滤波器知，比例增益2自由度系数α=1时，此环节的输出等于目标值（阶跃）；α→0，此环节输出接近目标值的速度变慢，仪表的出厂值设为0.4。积分2自由度系数β=0，此环节的输出等于目标值（阶跃）；β→10，此环节输出接近目标值的速度变慢，仪表的出厂值设为1.35。α=0.4，β=1.35，可满足大部分被控对象的需要。 

　　α、β保持出厂值，调节仪的PID参数可在有外扰的情况下通过自整定自动设定，使抑制外扰特性最佳；若还不满意，还可按P、I、D在调整中的作用稍作修改。此时，目标值跟踪特性也基本上最佳。若要进一步改善跟踪特性，可在α=0.00～1.00，β=0.00～10.00之间调整，使目标值跟踪特性更佳。由2自由度PID控制技术的原理框图（图3）知，调整α、β时，对已调整好的使抑制外扰特性最佳的PID参数没有影响。
　　4 结论

　　2自由度PID控制技术已成功地应用在定值控制、程序控制、串级控制、程序控制+串级控制等诸多场合。 在1自由度PID控制的基础上增加目标值滤波器即可构成2自由度PID控制电路，结构简单易懂；2自由度PID控制既改善了控制性能，又容易进行调整；对串级控制而言，级数越多效果越好。本文介绍的BCx2调节仪在热分析温控系统中的应用仅是众多应用中的一个例子。因这种热分析技术能快速准确地测定物质的质量变化、相相转变、熔融、升华、吸附、脱水、分解等，因此，对无机、有机及高分子材料的物理及化学性能都是重要的测试手段。
　　参考文献

　　[1] 神港テクノス株式会社技術部. 2自由度PID制御説明資料[Z].神港テクノス株式会社,2016.
　　[2] 姜忠良等.温度的测量与控制[M].北京:清华大学出版社,2005.
　　[3] 王鸿钰,陆 虹. BCx2调节仪在控制发动机排液温度中的应用[J].北京:电子产品世界,2016.

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第02期第42页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。