PID控制基础知识及传感器布置位置改造经验

供稿| 牛海军，何宇龙，赵锦泽

PID控制基础知识及传感器布置位置改造经验

供稿| 牛海军，何宇龙，赵锦泽

内容导读

文章介绍了有关PID控制的基础知识，针对某钢厂粗轧机工作辊平衡系统中传感器元件的工作环境恶劣，极易损坏，并且原设计位置使得传感器元件更换不方便，影响生产效率的问题，对该控制系统进行了简单的改造，尝试了两种传感器元件位置方案，指出：在现场进行系统设计时，不仅要考虑环境对元件的影响，还要考虑元件布局在控制系统稳定性中的因素。点滴改造经验，仅供同行参考。

在现代工程应用中，PID控制以其结构简单、稳态无静差、鲁棒性强等优点一直处于主导地位。而控制系统不同的设计包括硬件的安装、执行元件和检测元件的布局等，对PID系统的控制品质有很大的影响。本文针对某钢厂粗轧机工作辊平衡系统应用过程中发现的传感器布置位置问题，进行了改造实践。

PID控制基础知识

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即，当不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。工程实际中也有简单的PI和PD控制。PID控制器是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会 出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

问题分析

压力控制系统设计中，检测元件（压力传感器）应尽可能靠近执行元件（液压缸），以保证实际压力测量的准确性。某钢厂粗轧机原设计的工作辊平衡系统设计中，压力传感器安装在轧机工作辊下方的管路上，能够保证测量要求，但实际现场条件存在几个方面的问题：一是环境恶劣，在工作辊冷却水、高压除鳞水、油液渗漏等影响下，传感器使用寿命严重缩短，极易损坏；二是传感器安装位置在轧机下方，管路众多，维护、更换极为不便。在一年多的使用过程中，3次发生传感器损坏事故，每次更换备件的时间长达2.5 h。

改造过程

改造方案首先考虑将传感器改装到阀台上。此方案的优点显而易见，传感器环境良好，易于维护和更换。在完成传感器移位改造后进行参数调试时，实际情况并不能满意，尽管静态误差可以控制在要求的范围之内，但持续时间长，摆动次数多。原因为压力传感器紧邻伺服阀出口，伺服阀调节时压力冲击过大，即使调节反馈值的平滑时间也不能达到良好的效果。

然后，考虑在液压缸附近的液压管路上增加连接头，将压力传感器安装在外延管路末端，使其脱离狭小、潮湿、高温的环境。在随后的调试中，取得了良好的效果。通过对传感器的移位和参数调节，在随后的使用中，传感器使用寿命延长了5倍，更换元件时间仅为原先的1/4。

结束语

通过改造实践得出：在现场进行系统设计时，不仅要考虑环境对元件的影响，还要考虑元件布局在控制系统稳定性中的因素。

[1] 胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社，2007

Basic Knowledge of PID Control and Reconstructing Experience on Sensor Placement

NIU Hai-jun, HE Yu-long,ZHAO Jin-ze

book=28,ebook=4

邯钢集团邯宝公司热轧厂，河北 邯郸 056015