【摘要】主要針對鍋爐控制系統的特點、控制策略的特點及使用方法、PID控制迴路的整定和無擾動切換等方面介紹了力控pStrategy控制策略在控制系統中的應用。
【關鍵字】控制策略 實時資料庫 演算法塊 PID 參數整定
一、前言
眾所周知，工業過程式控制制系統的安全性、穩定性、準確性和經濟性是企業考慮的重中之重，是衡量系統是否可行的重要指標。隨著工業自動化整體技術水平的提高，方案的選擇範圍增多，但據不同的要求和不同的側重點，最優方案始終是我們的首選。其中以三維力控自動化監控組態軟體為上位機的控制系統中，在保證系統的安全性、準確性和穩定性的同時，也保證了項目投資成本的最小化。
二、系統特點
在鍋爐控制系統中，鍋爐汽包水位的控制、過熱蒸汽的溫度控制、燃料量流量的控制和送風流量的控制是控制重點，下面就汽包水位控制過程進行分析，明確控制對象、操作量和被調量等參數，用類似方法可分析其它的控制過程。
鍋爐汽包水位控制：汽包水位調節系統的主要任務是使給水量與鍋爐蒸發量保持平衡，並維持汽包水位在工藝規定的範圍內。由此分析出鍋爐的受控變數為汽包水位，操縱變數是給水流量。汽包水位是鍋爐運行的主要指標，水位過高或過低都會帶來比較嚴重的後果。所以通常採用三衝量控制方案，即分別對給水流量、蒸汽流量和水位進行控制，控制系統結構.
三衝量控制實際上是前饋蒸汽流量和串級控制組成的複合控制系統.
三、方案設計
明確整個控制流程和控制對像，就可以開始設計方案了。在早的控制系統中多由模擬PID調節器、PLC和智能儀錶等完成PID控制；隨著工業自動化軟體的發展兼各種智能設備、通訊附件功能的完善，充分利用計算機的能力，使本來由硬體完成的功能慢慢轉移到計算機處理中，尤其表現在大量數據處理的系統中。目前，多個以力控控制策略為上位機的控制系統已成功運行.
優越性：在傳統的鍋爐控制系統的方案設計中，通常採用DCS、PLC或智能儀錶內部整合的控制演算法完成一系列的PID控制，但是仍有它們的不足之處。首先，這些控制設備內部的控制策略修改起來很不方便，有些控制策略在系統運行期間甚至是不允許修改的。其次，這些控制設備的控制能力與它的成本成正比率關係，低廉的設備只能完成一些簡單的常規控制，而且邏輯操作速度不高，控制演算法種類也偏少。這些缺陷嚴重製約著設備性能的發揮。而藉助力控控制策略豐富的演算法，就可以彌補這些設備在運算、控制能力上的不足。
特點：力控控制策略是應用工程運行中的進程之一，與力控實時資料庫、IO採集一起構成了整個控制系統，完成採集數據、處理數據及控制輸出。所以在系統的設計中實時資料庫和控制策略間是交互的，它們之間存在著如何建立連接的問題，即控制策略演算法塊需要以實時資料庫為輸入輸出，同時實時資料庫也需要取得演算法塊的參數，方便運行中動態修改，如PID控制迴路的整定。這樣才能確保系統穩定地運行。
四、軟體實現
力控控制策略編輯器採用了演算法塊圖的形式，設計簡單、操作方便、無需編寫腳本，根據系統控制流程就可快速地完成，下面以一個簡單的PID控制迴路從建立到運行的操作過程為例.
說明：
1． 左邊是個樹型列表
（1）“工具”下是分類的演算法塊
（2）“策略管理”下是策略窗口
2．右邊是當前策略編輯窗口
1．建立資料庫變數：運行力控開發系統或者實時資料庫開發系統，進入資料庫組態環境DbManage.說明：（1）．主要功能是將點與設備IO點建立一對一的關係、點參數設置、參數保存方式及其它處理方法；（2）．資料庫點可分區域、分單元及分組顯示，一方面方便自己區分、快速瀏覽；另一方面方便報警記錄查詢、總貌瀏覽和歷史曲線查詢。
2．建立PID控制迴路：進入控制策略編輯窗口，將PID控制器拉至右邊策略窗口，或者先點擊PID控制器，再點擊策略窗口欲繪製演算法塊的位置。
3．設置PID演算法塊屬性及參數.
4．PID控制器的信號輸入和輸出的連接，具體步驟如下：
4.1繪製PID功能模塊一樣，繪製資料庫輸入變數和資料庫輸出變數，也可以繪製“變數”下的其它的變數塊，方法類同，這裡僅以資料庫變數為例.
4.2 正確選擇資料庫輸入輸出變數及參數，這些變數都是在資料庫中已定義的點，點有很多的參數，變數就是點的某一參數值。
4.3 各演算法塊的連接方法：將滑鼠放在演算法塊端子處，稍停片刻，若為輸入端子，則滑鼠變成in，若為輸出端子，則滑鼠變成out，此時，雙擊滑鼠一次，再將滑鼠轉致另外演算法塊的端子，雙擊滑鼠，若成功，則兩端子間出現白色虛線，將滑鼠移致別處，則演算法塊間出現一條白色實線。
注意：
連完線后，檢查是否有虛接現象
4.4 簡單的單PID控制迴路已經完成，保存，編譯。
5．界面組態
5.1 雙擊PID點，可以查看PID點參數：
5.2 PID點的參數與PID控制器的屬性的對應關係.
6．編譯、運行
7．PID調節
PID調節的最終目標是使系統達到穩定狀態，使最大動態偏差儘可能小、調節時間最短、調節過程系統輸出的誤差積分值最小等等，綜合這些首先我們必須明確力控PID演算法原理和PID對系統調節的影響趨勢。
控制演算法公式如下：
比例項 = 比例 *（本次偏差 — 上次偏差）
積分項 = 比例 * 偏差 * 採集周期 / 積分時間常數
微分項 = 比例 *微分時間常數 *（本次偏差 - 2*上次偏差 + 上兩次偏差）/採集周期
如果是正動作，則：
輸出 = 上次輸出 + 比例項+ 積分項 + 微分項
如果是反作用，則：
輸出 = 上次輸出 — 比例項— 積分項 — 微分項
比例係數KP加大使系統的動作靈敏，速度加快，穩態誤差減小，KP偏大，振蕩次數加多，調節時間加長。KP太大時，系統會趨於不穩定。KP太小，又會使系統的動作緩慢。KP可以選負數，這主要是由執行機構、感測器以控制對象的特性決定的。如果KP的符號選擇不當,對象狀態(PV值)就會離控制目標的狀態(SP值)越來越遠，如果出現這樣的情況KP的符號就一定要取反；積分控制KI對系統性能的影響：積分作用使系統的穩定性下降，KI小（積分作用強）會使系統不穩定，但能消除穩態誤差，提高系統的控制精度；微分控制KD對系統性能的影響：微分作用可以改善動態特性，KD偏大時，超調量較大，調節時間較短。KD偏小時，超調量也較大，調節時間也較長。只有KD合適，才能使超調量偏小，減短調節時間。
8．單PID控制迴路的特點及無擾切換
8.1 PID控制迴路的特點：
手動控制方式：PID控制器的輸出由手動完成，SPL、SPC、SP、PV具有自動跟蹤功能目的是使手動到自動無擾動切換，最終穩定在OP值。
自動控制方式：SPL、SPC和SP由操作員設定，PID迴路完成PID演算法，OP最終穩定在SP值。
8.2 無擾切換方法：
由手動->自動無擾切換：將PID點參數MODE值由0設為1
由自動->手動無擾切換：將PID點參數MODE值由1設為0
9．串級控制迴路的特點及無擾切換
對一個PID控制器來講，有一個輸入端為SPC，懸空時構成為簡單的單迴路控制，若要完成更複雜的控制，如實現外給定或遠程給定等。本文以串級控制迴路為例，詳細說明力控串級控制系統的特點及各種無擾動切換過程，同時我們將更深入地了解PID控制器的幾個參數之間存在的相互制約關係。
首先，再建立一個PID控制迴路PID1，將PID1的輸出OP連接到PID0的SPC端，設置好PID1控制器的屬性，主副迴路都默認設置為手動方式和內給定，這樣就構成了以PID0為副迴路、以PID1為主迴路的串級控制系統。
補充說明：
系統中對於資料庫輸出變數演算法塊增加了一個輸出死區屬性，這個功能在一定程度上減緩了資料庫的變化頻率，減輕了系統的負荷，提高了系統的穩定性。
圖六 串級控制迴路
控制策略編輯好后，保存並編譯。為方便操作PID及無擾動切換，可以在力控開發環境下創建畫面窗口，連接主副迴路PID點。
9.1 串級控制迴路的特點：
副迴路沒有設置成外給定方式時（副迴路PID的CLC值為0），串級迴路的特點為：
①主迴路只能工作在手動方式：改變副迴路的OP值，主迴路自動跟蹤，使切換到自動為無擾動的，其中主迴路的OP值傳遞給副迴路。
②副迴路為自動方式時，副迴路完成PID演算法，主迴路的SP值和副迴路SPL、SPC和SP一致，處於不變狀態。需要一個新的穩定狀態時，改變副迴路OP值即可。
副迴路設置為外給定方式時（副迴路PID的CLC值為1），串級迴路的特點：
①副迴路不能在手動方式下工作
②主迴路可以工作在手動、自動控制方式，若有需要，也可將給定方式設定為外給定：
主迴路手動方式工作時，改變OP值來控制副迴路的給定；主迴路自動方式下工作時，設置副迴路為串級工作方式，就構成了串級控制迴路，主迴路的OP傳遞給副迴路的SPC，SPL和SP值自動跟蹤。需要建立新的動態平衡時，只需重新設定主迴路的SPL值即可
9.2無擾切換方法：
①手動->自動無擾動切換：副迴路MODE值由0變為1
②自動->手動無擾動切換：副迴路MODE值由1變為0
③自動->串級無擾動切換：副迴路CLC由0變為1，主迴路MODE由0變為1，副迴路MODE由1變為2
④串級->自動無擾動切換：副迴路MODE由2變為1，主迴路MODE由1變為0，副迴路CLC由1變為0。
⑤手動->串級無擾動切換：副迴路MODE由0變為1，副迴路CLC由0變為1，主迴路MODE由0變為1，副迴路MODE由1變為2
⑥串級->手動無擾動切換：副迴路MODE由2變為1，主迴路MODE由1變為0，副迴路CLC由1變為0,副迴路MODE由1變為0。
10．結束語
力控pStrategy控制策略將在成本、開放性、靈活性、功能和界面等方面給企業用戶提供了最佳的控制系統解決方案。
