AI型PID调节器在氢氮自动配比系统中的应用

作者：孔令昌    单位名称：江苏省苏州市创新净化有限公司

摘要：分析自适应PID控制在气体行业中应用的理论依据，阐述宇电仪表PID调节器成功应用于氢氮自动配比系统中的案例，着重讲述PID调节器的工作过程及操作方法。

关键词：氢氮自动配比  智能工业调节器   自整定PID控制

前言

    随着现代工业的高速发展，气体设备逐渐应用到化工、电子、钢铁等行业中；传统的手动配气装置已经达不到后续用气的纯度、流量和压力等技术指标，灵活性显然也达不到用气的要求。自动配比装置应运而生，然而目前气体行业中使用控制方式也是传统的模糊控制方式，目前市场上多数的工业调节器满足不了配气系统中的精度要求。宇电公司的AI人工智能工业调节器在氢氮自动配比系统中的应用是气体行业自动控制实现的少有的成功案例。AI型人工智能工业调节器的输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线形校正表格，测量精度高达0.2级；采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格；关键是采用了先进的自整定PID算法。

采用自整定PID控制方式的理论依据

    目前的大多数工业控制回路中采用的各种形式的PID控制算法。PID即是Proportion(比例)、Intergral(积分)和Differential(微分)的简称，PID的控制规律即是指控制器的输出信号是由输入偏差按比例、积分和微分的数字关系组合成的函数。PID的控制规律形式如下所示：

u(k)=kp[e(k)++TD]

其中kp为比例系数；T1为积分时间常数；TD为微分时间常数；u(k)为采样时刻k时的输出值；e(k)为采样k的偏差值；e(k-1)为采样时刻k-1时的偏差值。
    PID调节是比例调节、积分调节和微分调节三种作用的综合，它的比例作用能使偏差较快地得到校正；积分作用能最终消除余差，而微分作用在有偏差时出现时，能立刻产生幅度的校正偏差的作用，从而缩短了调节时间，提高了调节效率和精度。尽管普通的PID调节相对手动调节和位式调节其精度已有明显的提高，波动已大大减少，但普通PID控制不适用于大时间滞后的控制对象以及参数变化较大的控制对象。自整定PID控制方式是在普通PID控制方式的基础上发展而来的，其根据滞后时间和偏差大小选择P、I、D值并有效地使用PI、PD或PID控制，这种方式有效地缩短了滞后时间和提高精度。

AI型调节器在应用中的工作过程和操作过程
⑴氢氮自动配比系统概述
    氢氮自动配比系统的结构由N2管道、3H2+N2管道、混合罐、截止阀、流量计、压力表、器分析仪、电动阀门、PID调节器和电控系统组成。系统工艺流程图如图1所示。
图1
    N2、3H2+N2进入混合罐混合后由出口处取样经氢分析仪中传感器采样显示纯度并把纯度采样模拟量转换成4-20mA电流模拟量传送给PID调节器，经PID调节器中微处理器分析处理后输4-20mA电流传送给电动调节阀控制电动调节阀控制3H2+N2的流量，从而控制混合气中氢气混合比例的目的。自动控制电气系统电气原理图如图2。
图2
由以上分析总结出氢氮自动配比系统自动控制原理框图如图3。

图3
⑵PID调节器自整定过程实例分析
    华达微电子有限公司氢氮自动配比系统要求纯度15%，根据记录数据绘制的自整定控制的变化过程图如图4。

图4
PID设定值为15%，偏差用E来表示，β=1-2%，ε=0.2%；
    当纯度在a 以下时，即E〈-1时，阀门全开，不需要进行PID控制；
    当纯度在ab之间时，即-1〈E〈-0.2时，用PD控制，这是因为在一般PID控制中，当阀门有大幅度的改变时，由于此时偏差较大，以及阀门有机械惯性和氢分析仪有采样滞后性，故在积分项作用下，往往产生较大超调和长时间波动；
    当纯度在bc之间变化时，即|E|〈0.2时，用PID调节控制；
    当纯度在ce之间时，阀门开度减小；
    当纯度在ef之间时，又回到PID调节控制；
    当纯度在fg之间时，回到PD调节控制。
    经过三个整定周期，纯度会稳定在15±0.2%。根据实际调试记录，AI型PID调节器完全能够满足系统控制精度控制要求。

⑶AI型PID调节器的性能优越性
    AI型PID调节仪兼容热电偶、热电阻、线形电压、线形电流和线形电阻等规格的输入；测量范围宽、精度高、温度漂移小、响应时间短；输出规格包括了继电器触点开关输出、可控硅无触点开关输出，SSR电压输出、可控硅触发输出和线形电流输出。仪表硬件采用了先进的模块化设计，具备5个功能模块插座：辅助输入（MIO）、主输出（OUTP）、报警（ALM）、辅助输出（AUX）及通讯（COMM）模块。
    在氢氮自动配比系统中，我们选用了AI-808功能增强型人工智能工业调节器，因其在AI-708基础上增加了手动/自动无扰动切换，阀门电机控制等功能。选择安装I4辅助输入模块，可扩充0-20mA或4-20mA电流信号输入，并且内置24VDC电源输出，可直接连接2线制变送器；输出选择光电隔离型线形电流输出模块，支持0-20mA及4-20mA输出，占用仪表内部12VDC电源。如果需要报警系统还可选择一路报警或两路报警模块。
⑷AI型PID调节器在系统应用中参数设置和操作方法
    AI型PID调节器 具有丰富的参数来定义仪表的输入、输出、报警、通讯及控制方式。关系到系统正常使用的输入参数务必提前设置好，输入规格SN设置为15（4-20mA输入）；输出规格OPT设置为4（4-20mA线形电流输出）；控制方式设置为1，采用PID调节，允许从面板启动执行自整定功能。
    氢氮自动配比设备安装就续条件具备后启动电气系统电源，先通过调节器手动调节阀门开度大小达到要求配气的纯度，调节器设定值为要求值（比如15%），等纯度稳定后从调节器面板上启动自整定功能，显示窗口闪动AT字样即进入自整定功能，PV显示窗口会出现纯度值波动，因为此时仪表执行位式调节，仪表内部微处理器根据位式控制产生振，分析其周期、幅度及波形来自动计算出M5、P、t等控制参数，经2-3次振荡（大概需要20-30分钟）后显示器停止闪动“AT”字样，自整定结束。此时系统已经处于正常工作的状态，如果纯度有波动可适当手动调节M5、P、t参数。M5是保持参数，与PID调节的积分时间起相同的作用，其值越小，系统积分作用越强；其值越大，积分时间越短；P为速率参数，类似PID调节的比例带，但变化相反，P值越大，比例、微分作用成正比增强，P值越小，比例、微分作用相应减弱；t为滞后时间，被控系统的滞后效应是影响控制效果的主要原因，系统滞后时间越大，要获得理想的控制效果就越困难。只要选择精度高、响应速度快的氢分析仪和电动阀门与之相适应，最后系统工作状态就很理想。

结语

    综上所述，使用AI型调节器控制氢氮自动配比系统比手动、位式调节及普通调节都要好的多。AI型人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，能在调节中自动学习记忆被控对象的部分特征使效果更优化的智能工业调节器。
 
参考文献：
⑴ 王划一 主编 自动控制原理   国防工业出版社
⑵ 孙立博 主编 自适应PID控制实验研究   机电工程技术期刊