THJ_3型过程控制装置中流量控制系统算法的研究与改进

定值 ｗ＇ 时，开始出现负偏差，但由于积分项的累积值很大，还
要经过一段时间后控制变量ｕ才能脱离饱和区，这样就使系统出
现了明显的超调。显然，这种超调是由积分项引起的，称为“积
分饱和效应”。
为了克服上述积分饱和的效应，采用消除积分饱和的方法
进行改进。
方法一：以比例控制器为主，减小积分控制器的作用。
采用下面算式
)
（１－６）
T
其中：参数 Ｋｐ＝３０，Ｋｉ＝５０ ，Ｋｄ＝２， Ｔ＝５００ｍｓ
但效果不理想，系统的超调量很大，产生了等幅震荡，系统
不稳定。系统响应曲线如下图２ 所示。
图３ 削弱积分器作用后的流量控制系统响应曲线
增大比例系数Ｋｐ，将加快系统的响应，有利于减少静差。但 Ｋｐ 不宜过大，过大容易造成超调，并产生振荡，使系统性能变 坏。增大积分时间 Ｋｉ，有利于减少超调，使系统更加稳定，系统 的静差消除，但过大的 Ｋｉ 使积分项饱和，导致系统的不稳定。所 以选取适当的参数可得到满意的控制效果。
收稿日期：２００６－０４－０７
Techniques of Automation & Applications | 45
《自 动 化 技 术 与 应 用 》２ ０ ０ ６ 年 第 ２ ５ 卷 第 １ ０ 期
工业控制与应用
Industry Control and applications
３ 智能调节仪 ＰＩＤ 控制算法：
流量控制系统对扰动非常敏感，所以去掉 Ｄ 调节器。采用 ＰＩ 调
节方法效果有所改善，但系统的超调仍然存在且有时系统处在临
介稳定状态。所以控制算法需进一步调整。
对采用ＰＩ控制方法出现大的超调或处在临介稳定状态的效
果分析：
由于在开始阶段，偏差信号ｅ（ｋ）非常大，且算式中的Ｋｉ 也
取得比较大，导致积分作用过大，使得积分项迅速饱和。当给定
如式 １－６ 所式：
∆u( +K
k
D
)=K [(e(k
p)[−e2(ke)(−k −e(1k)+−1e)(]k+−KT2)i ]e(k
)
（１－６）
T
采用采用积分分离的方法，即可利用积分作用消除静态误
差，又不至于进入积分饱和状态，产生过大超调影响系统平衡。
积分分离法的实验效果如图 ４ 所示 。
其算式的流程图如图５所示：
图５ 积分分离控制算法流程图
５ 结论
在本文中引入了两种改进的控制算法：以比例控制器为主， 减小积分控制器的作用的方法；积分分离的控制方法。通过实验证 明了上述方法可以很好的改善控制系统中的不稳定因素是可行的。
参考文献
［ １ ］ 陶永华． 新型 Ｐ Ｉ Ｄ 控制及其应用［ Ｍ ］ ． 北京： 机械工业出版 社． １ ９ ９ ８ ．
式（１－５）称为增量式ＰＩＤ控制算法。
（１－５）
增量式ＰＩＤ控制算法克服了以上所述位置式算法的缺点，输
出ｕ（ｋ）不直接对应执行机构的位置，而是将控制增量传递给某些
具有积分作用的硬件，如电动调节阀等，再由硬件对应执行机构
图２ 常规控制方法流量控制系统响应曲线
微分时间 Ｋｄ，有利于增大系统的响应，减少超调量，但在
分分离方法，即在控制量开始跟踪时，取消积分作用，当被控量
接近给定值时，才采用积分作用。
积分作用是不是在控制开始就用，而是当偏差小于某一阈
值时积分控制器才作用。
设积分分离的阈值为 Ｅ０ 当 e(k) ≥ E0 为 ＰＤ 控制，可使超调量大幅度降低。 当 e(k) < E0 为 ＰＩＤ 控制，可降低系统地稳态误差，提高 控制精度。
１ 引言
在工业生产过程中，常常采用比例，积分，微分控制方式即 ＰＩＤ控制方式。模拟ＰＩＤ 控制算法是一种非常成熟的且极为广泛 的控制算法。在长期生产实践中模拟ＰＩＤ被广泛的应用于微机控 制系统中，形成了数字 ＰＩＤ 控制方式。
其控制过程是将被控参数（如温度、压力、液位、流量等）， 由反馈回路中的传感器转变成统一的、标准的电信号输入到控制 器中，在控制器中与给定值进行比较再把比较后的差值经过ＰＩＤ 运算后送到执行机构，改变输出量以达到自动调节的目的。
University, Harbin 150001,China) Abstract:This paper presents two modified algorithms to reduce the overshoot in the flow control system. The first method is
∆u(k )
=
K
p [e(k)
−
e(k
−1)] +
T Ki
e(k)
（１－７）
u(k) = u(k −1) + ∆u(k) （１－８）
其中：设定参数 Ｋｐ＝８０，Ｋｉ＝３０ ，Ｋｄ＝０， Ｔ＝５００ｍｓ
改进控制参数后的效果如图 ３ 所示：
=
k p[e(t)
+
1 Ti
t 0
e(t )dt
+
Td de(t)] （１－１）
Gc (S)
=
U (S) E(S)
=
Kp
+
Kp Ti S
+
K pTd S
（１－２）
e(t) = r(t) − c(t)
（１－３）
其中：Ｋｐ —比例增益， Ｔｉ—积分时间， Ｔｄ —微分时间， ｒ（ｔ）—输入量，
工业控制中常采用智能调节仪ＰＩＤ算法，它是按偏差的比例
（Ｐ），积分（Ｉ）、微分（Ｄ）组合而成的控制规律。比例控制简单易行，
积分的加入能消除静差，微分项则能提高快速性，改善系统的动
态性能。合理的调节ＰＩＤ控制器的参数就能获得满意的控制效果。
模拟 ＰＩＤ 控制器的理想算式和相应的传递函数为：
∫ u(t)
工业控制与应用
Industry Control and applications
《 自 动 化 技 术 与 应 用 》２ ０ ０ ６ 年 第 ２ ５ 卷 第 １ ０ 期
ＴＨＪ－３ 型过程控制装置中流量控制 系统算法的研究与改进
宋 洋 １ ， 曾 薄 文 ２ ， 米 伟 哲 １ ， 刘 海 滨 １
本研究仅仅是在文献［６］基础上进行的初步研究，为了使该改 进微分算法更具实用性，还必须进行进一步的深入研究。
图４ 二阶惯性加时滞系统响应曲线
从结果来看，用 ＰＩＤＥＳ 算法使得控制系统超调量显著减小， 且其过渡过程时间要比 ＰＩＤ 的少得多。
４ 结论
从上面的分析及仿真结果可以看出，与常规微分算法相比， 采用本文研究的改进微分算法的 ＰＩＤ 控制器有如下优点：
SONG Yang1, ZENG Bo-wen2, MI Wei-zhe1, LIU Hai-bin1 (1.HRB Engineering University Engineering Training Center, Harbin 150001,China;2. College of Automation, HRB Engineering
［ ２ ］ 何克忠，李伟． 计算机控制系统［ Ｍ ］ ． 北京： 清华大学出版 社．２００２．
［ ３ ］ 李友善． 自动控制原理［ Ｍ ］ ． 北京： 国防工业出版社． １ ９ ８ ９ ．
图４ 积分分离作用后流量控制系统的相应曲线
（上接第 ４４ 页） ｋｕｅｓ＝０．５６）。
作者简介： 宋洋（１ ９ ７ ９ －），女，助教，研究方向：控制理 论与控制工程。
的位置。这样一旦计算机现故障，只会影响控制增量，不会产生
执行机构的位置突变 。因此，在实际应用时，增量式算法要比
位置式算法应用更广泛。
４ 流量控制算法的研究
在本系统中采用的 ＰＩＤ 控制算法如下式：
∆u(k + KD
)=K [(e(k
p)[−e2(ke)(k−−e(1k)+−1e)(]k+−KT2)i ]e(k
ｃ（ｔ）—输出量。
当采用反向差分近似得到ＰＩＤ 的计算机离散控制算式 。
∑ u(k )
=
K p{e(k) +
T Ti
n e(k) + Td
k =0
T
[e(k) − e(k
− 1)]} （１－４）
其中：ｅ（ｋ）—第ｋ次采样时的偏差，
ｅ（ｋ－１）—第 ｋ－１ 次采样时的偏差，
（１－４）式称为位置式ＰＩＤ控制算法。其输出ｕ（ｋ）直接对应执
其优点是结构灵活，不仅可以作为常规的ＰＩＤ 调节，而且还 可以根据系统的需要做各种 ＰＩＤ 的变形；不需要建立数学模型， 尤其对工业控制对象得不到或很难得到精确的数学模型的系统更 能体现其优点；控制效果好。
２ ＴＨＪ－３型过程控制装置中流量控制系统 的介绍
图１ 流量控制系统框图 图中虚线部分即为智能调节器，内有 ５１ 单片机和 １０ 位的Ａ／ Ｄ 转换器以及Ｄ／Ａ 转换器组成；变送器４１００ 将传感器ＩｎＰｒｏ ６０５０ 测量得来的信号处理后按照一定的比例关系转换为 ４－２０ｍＡ 电 流，并将这个电流信号送给智能调节仪的内的模拟量输入端，由 高精度的取向电阻变为 １－５Ｖ 的电压信号由 Ａ／Ｄ 转换后输入到 控制器中。
［２］ 王春呜， 陈刚， 张素贞． 专家 ＰＩＤ 控制器［Ｊ］．石油化工自动 化，２００２，（５）：２５－２７．
行机构的位置。位置式ＰＩＤ 控制算法有不安全因素，如果计算机
出故障，ｕ（ｋ）的突变会造成电动调节阀机构的突变，使得达不到
其预期效果，在某些场合容易造成生产事故。 将上式（１－４）可进
一步改写为
+∆uT(Dk[)(e=(Kk )p−{e2(ek()k−−e1()k+−e1()k+−TT2i )e](}k) T
based on the proportional controller in addition with the integral controller. The second is of integral separation. Keywords:PID; overshoot; integral separation