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李振勝

1  概述

    露點式濕熱箱可供各種產品和材料進行不同規范的潮熱試驗和干熱試驗。廣東江門精細化工廠有一臺20世紀70年代初設計、90年初代生產，現在還在使用的Y61320溫熱試驗箱，雖然它的溫度控制精度較高（誤差不超過±0.5℃,溫度不均勻性不大于1℃），但由于是采用模擬電子電路設計，電路較復雜，在元器件老化及發生溫控故障時很難找到替代品維修，并且試驗箱的溫度測量不是數字顯示，顯得很不直觀，有必要進行技術改造，應用智能PID調節儀可解決這些問題。近年來，智能調節儀以其功能強大、性能價格高等優點在工業控制領域得到廣泛應用。PID控制具有結構簡單、穩定性能好、可靠性高等優點，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統。在控制理論和技術飛速發展的今天，工業過程控制領域仍有90%的回路在應用PID控制策略。將智能控制和常規PID控制方法融合在一起而形成的智能PID控制器，它吸收了兩者的優點，因而具備自學習、自適應、自組織的能力能夠自動辨識被控過程參數的變化，它又具備常規PID控制器結構簡單、魯棒性強、可靠性高、為現場工程人員所熟悉等特點。正是這兩大優勢，使得智能PID控制成為眾多過程控制的一種較理想的裝置。根據這個設想，將試驗箱的后熱器、熱套和水箱的加熱器的溫度控制改用智能自整定PID調節儀控制。這種儀表具有以下的特點：(1) 采用萬能輸入裝置，使每塊儀表僅通過簡單快捷的菜單選擇，即可實現儀表的各種分度號、標準信號及遠傳壓力信號、毫伏信號的輸入。(2) 采用模塊化通用電路結構，通過簡單的模塊組合，即可實現儀表的各種功能變換，通用性和靈活性顯著增強。(3) 采用了集成度更高的IC芯片和先進的SMT表面元件貼裝工藝以及獨特的電路屏蔽技術，從而具備超強的抗干擾力和可靠性，可在十分嚴酷的電磁干擾環境下長期穩定工作。

2  原理

    原有濕溫箱電路的溫控原理如圖1所示。先把空氣加濕到飽和狀態或接近飽和狀態，然后把濕空氣加熱，降低空氣的相對濕度達到所需的濕度值。箱內的空氣經螺殼通風機進入加濕通道噴霧加濕后，空氣達到或接近所需的飽和狀態，再經后熱器加熱，空氣達到所需的空氣狀態。只要適當地控制后熱器及水箱水的溫度，就能達到所需要的濕度和溫度。采用智能PID控制儀分別控制后熱器、熱套和水箱的加熱器的溫度。在實際應用中，當箱內實際溫度小于設定溫度時，由感溫元件熱敏電阻將溫度變化轉化為電阻值的變化，測溫直流電橋的不平衡輸出經差動放大和相敏檢波后，產生頻率不同的觸發脈沖，加到可控硅的控制極上，使其導電角變化，從而獲得升溫過程所需的功率。當實際溫度和設定溫度相等時，測量電橋平衡，只有頻率較低的觸發脈沖輸出，使可控硅以很少的導電角開啟，提供一個小功率以彌補自然散發的熱量而維持恒溫。當實際溫度高于設定溫度時，觸發電路無脈沖輸出，可控硅完全關斷，加熱器兩端無電壓供給，試驗箱停止加熱。

圖1  原濕溫箱電路溫控原理圖

圖2  改進后控制加熱應用電路圖

    應用智能PID調節儀后的控制加熱應用電路如圖2所示，采用Pt100作為測溫元件輸入到控制儀中，和改進前電路不同的是加熱功率的大小是由智能PID調節器輸出信號控制雙向可控硅的控制極上，控溫更加準確和直觀。

3  算法、整定和操作

3.1  系統控制算法
    本系統控制算法采用積分分離的PID算式，因溫度系統屬于變化比較緩慢的控制對象，當偏差較大時，系統在升溫、停止升溫或溫度在大幅度升降時，由于積分項的作用，將會產生一個很大的超調量，使系統不停地振蕩。為了消除這一現象，采用了積分分離的方法，即在控制量開始跟隨時取消積分分離作用，直至被調量接近給定值，才產生積分作用。采用積分分離使調節器性能得到改善。

3.2  PID自整定原理
    當用戶啟動儀表的自整定功能后，調節器自動轉換成位式調節狀態，即當測量值小于設定值時調節器輸出為滿程，反之為零，使系統產生振蕩，振蕩過程中調節器自動提取被控對象的特征參數。當系統振蕩一個半周期后，調節器算出最佳PID整定參數再轉換成PID自動調節。

3.3  PID參數自整定操作
    以XMA511620A智能調節儀為例具體說明自整定操作。
(1)  按常規設定各參數，用手動調節方式證實系統工作正常。
(2)  將{PID}菜單中的{Pr}參數設定為≤0，將{CdA0}參數設定為調節器輸出0％時的PV穩態值，并確認退出。此時，儀表副屏顯示<AT>（小數點常亮）表示儀表處于自整定準備狀態。
(3)  按下“ENT”鍵儀表進入自整定狀態。此時儀表副屏顯示<AT>（小數點閃爍）表示儀表處于自整定狀態。
(4)  自整定結束后，儀表進入PID調節。在｛PID｝菜單中可查P_r、T_i、T_d經整定后的數值。
若自整定失敗，儀表副屏顯示的<AT>閃爍。

    在自整定過程中或自整定失敗后都可以按“ENT”鍵退回自整定準備狀態，重新進行自整定。
自整定過程一般為1～180分鐘，需要進行1～2次被調參數的上下循環。自整定參數設置錯誤、中途斷電、輸入信號斷線、輸入信號超量或自整定時間超過3小時都可以導致自整定失敗。

4  結語

    基于傳統的PID控制結合智能儀器的智能PID控制器，由于具有良好的性能，在工業過程控制中應得到廣泛的應用。