PID参数的设定对调节型电动执行器的影响

李普新，张 斌

(晋中供水有限责任公司 天湖水厂, 山西 晋中 030600)

0 引言

随着计算机技术的发展，一些大中型PLC系统广泛应用于工业控制领域中，不但减少了人力，而且保证了生产工艺的可靠性，提高了产品质量的稳定性。很多PLC设备都提供了PID自整定模块，在满足周期采样的条件下进行参数自整定，用户可根据实际运行情况进行微调，在温度控制、压力控制、流量控制、液位控制等方面都取得了较好的效果。有些水厂的滤池滤后出水阀直径较大，考虑到设备成本等因素，采用调节型电动执行器来满足生产需求。电动执行器不需要稳定的气源、控制精度稍差、结构简单、不需要经常维护。某水厂采用Z30-18.IN.EPC电动执行器控制V型滤池的出水阀，工作过程中该调节型电动执行器故障较多、机械传动部分磨损较严重，为此，对发生故障的原因进行分析，提出了修改 PID参数来解决问题的办法。

1 V型过滤池滤后出水的外部设备和滤池恒液位的目的

某水厂的V型滤池过滤系统由4个石英砂滤池和4个活性炭滤池组成，石英砂滤池恒液位系统和活性炭滤池恒液位系统完全相同， V型过滤池PLC系统的PID控制结构框图如图1所示。

图1 V型过滤池PLC系统的PID控制结构框图

1.1 滤池外部设备

滤池外部设备主要由PLC、变频器、压力变送器、超声液位计、调节型电动执行器等组成。PLC系统选用西门子S7-315PLC，采用PID闭环控制方式对生产系统的液位、管网压力进行控制。压力变送器输出DC4 mA～DC20 mA电流反馈给PLC，与用户输入的设定值比较并输出DC4 mA ～DC20 mA偏差值，从而对变频器输出频率进行自动调节，变频器控制水泵的转速对管网压力进行调节，保证水压和流量恒定。石英砂滤池过滤后的水经中间水池和变频器恒压供水注入V型活性炭滤池再次过滤后进入清水池。

V型滤池的液位由超声液位计显示液位值，并输出DC4 mA ～DC20 mA电流反馈给PLC系统，与用户设定的液位(本系统恒液位值设成1 m)进行比较，输出DC4 mA～DC20 mA电流控制Z30-18.IN.EPC电动执行器动作，调整滤池出水阀开度来恒定滤池液位。超声液位计的设定和精度直接影响到滤池液位的准确度，PID参数的设定直接影响到系统恒液位功能的稳定性。

本V型滤池过滤系统中超声液位计的测量范围为0.4 m ～5 m，测量精度为±0.5%，电源电压为220 VAC，超声波频率为50 kHz，电流信号隔离输出范围为DC4 mA ～DC20 mA； Z30-18.IN.EPC电动执行器的电源电压为三相380 VAC，工作制式为短时10 min,动作次数≤10次/ min, 指示误差为±1%，延迟时间为1 s～3 s，伺服电机电流为2.2 A，远程控制方式输入信号为DC4 mA ～DC20 mA，输出信号为DC4 mA ～DC20 mA，输入通道阻抗为150 Ω，输出电流负载电阻≤750 Ω。

1.2 恒定滤池液位保证生产工艺

PID控制用于恒定滤池液位的目的是：使流过滤池的滤层(石英砂或活性炭)和池底过滤头的水压、水流量基本恒定，对水的滤阻没有明显大的变化，过滤后的水中杂质较少，可达到生产工艺要求(参照GB5749—2006)。滤池进水处采用开关型电动执行器，没有自动调节流量的功能。滤池使用一段时间后，滤池的过滤层、池底过滤头被水中杂质积累堵塞，对水的阻力发生变化，很难保证滤池进水和滤后出水流量恒定，滤池液位逐渐升高。滤池出水处采用Z30-18.IN.EPC电动执行器，滤池上装设超声液位计对滤池液位实时监测，并输出DC4 mA～DC20 mA电流反馈到PLC系统，经PID程序与设定恒液位值比较，PID程序输出DC4 mA ～DC20 mA电流控制Z30-18.IN.EPC电动执行器动作，调整滤池出水阀的开度，保证滤池液位恒定。为达到生产工艺要求，Z30-18.IN.EPC电动执行器每次调整幅度不能过大(调整幅度过大会使水流量和水压变化较大，把滤层、过滤头堵塞的杂质带入水中影响滤后出水的浊度)。

2 工作过程中出现的问题

原PLC系统中PID的比例系数为6，积分作用时间为100 ms,积分采样周期为2 s,微分作用时间为5 s。使用V型滤池工作过程中，数小时后滤池过滤层对水的滤阻会发生变化，滤后出水量逐渐减少，滤池液位逐渐升高；Z30-18.IN.EPC电动执行器动作次数较多，每次对滤池出水阀调整幅度较小，伺服电机温度较高，机械磨损较严重，滤池液位变化较大，滤池出水阀开度变化较大(由开始的30%增加到60%左右)，滤后出水浊度逐渐变大，经常出现滤池出水阀开或关过最大限位。修改PID参数前的数据统计如表1所示。

表1 修改PID参数前的数据统计

3 解决问题的方法及可行性

3.1 PID参数对调节型电动执行器工作状态的影响及整定方法

根据Z30-18.IN.EPC电动执行器的主要技术参数和表1中的数据统计分析发现，原PID参数设定不合理是导致Z30-18.IN.EPC电动执行器动作次数较多、伺服电机升温较快、机械磨损较严重的主要原因，重新设定PID参数才有可能解决问题。PID参数的设定一般有两种方法：①理论计算整定法，依据数学模型，经过理论计算确定参数，得到的数据须通过实际进行调整和修改；②工程整定法，主要是依据实践中积累的经验，直接在控制系统的实验中进行，方法简单易于掌握。本文采用临界比例法对PID参数进行整定，具体步骤如下：①选择一个足够短的采样周期让系统工作；②加入比例控制环节直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记录此时的比例放大系数和临界振荡周期；③在一定的控制度下利用公式计算得到PID控制的参数。

修改PID参数的主要目的是：①参考Z30-18.IN.EPC电动执行器主要技术参数使其工作在正常状态中；②使系统满足生产工艺要求。

3.2 解决问题的具体措施

3.2.1 减少Z30-18.IN.EPC电动执行器的动作次数

减少Z30-18.IN.EPC电动执行器动作次数的措施如下：

(1) 降低比例系数P。比例调节的作用是按比例反映滤池实际液位值与滤池设定液位值的偏差,滤池液位一旦出现偏差,比例调节立即产生调节作用减少偏差。比例系数大, 可以加快调节、减小误差,过大的比例系数使得滤后出水阀的调节次数较多, 影响设备的使用寿命。

(2) 加大积分时间常数I。积分调节的作用是消除滤池实际液位值与设定恒液位值的偏差,提高控制精度。如果有偏差,积分调节就进行,直至无偏差,积分调节停止,滤池恒液位系统处于稳定状态。积分作用的强弱取决于积分时间常数,数值越小, 积分作用就越强，反之积分作用弱,消除液位值偏差的速度减慢。

(3) 取消微分调节作用项D。微分调节的作用是反映滤池实际液位值与设定液位值偏差的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。

3.2.2 调整滤池液位

根据Z30-18.IN.EPC电动执行器的工作特点，当滤池液位较低(设定成0.8 m)时，PID程序计算输出的电流小于DC7 mA,一般情况可视为滤池已无进水,为减少Z30-18.IN.EPC电动执行器的动作次数, PID程序输出DC 4mA电流使Z30-18.IN.EPC电动执行器动作，控制滤池出水阀完全关闭。当滤池由于外部因素导致液位较高(设定成1.2 m)时，PID程序输出DC 20mA电流使Z30-18.IN.EPC电动执行器动作，控制滤池出水阀完全打开，避免发生滤池水溢流的事故。

原程序中比例系数为6，积分作用时间为100 ms,积分采样周期为2 s,微分作用时间为5 s,其主要目的是为了提高控制精度。当Z30-18.IN.EPC电动执行器停/启或液位随着滤池滤阻发生变化时，由于Z30-18.IN.EPC电动执行器的动作延迟时间为1 s～3 s，短时间内系统输出有了偏差，造成了PID运算的积分积累，引起系统较大的超调，滤后出水阀开度变化较大，Z30-18.IN.EPC电动执行器动作频繁，超过了技术参数每分钟允许的动作次数，导致伺服电机升温较快、故障较多、机械磨损较严重。

调整后比例系数为4，积分作用时间为300 ms，积分采样周期为30 s，修改PID参数后的数据统计如表

2所示。

表2 修改PID参数后的数据统计

对比表1和表2可看出：Z30-18.IN.EPC电动执行器动作次数减少很多，从原来的平均每分钟动作将近50次降低到平均每分钟动作不到1次；伺服电机温度降低很多，恒液位效果好于修改参数前，滤池滤后出水阀开度变化不大(由30%增加到38%)，滤后出水浊度好于修改参数前，达到工艺要求。修改PID参数后，使用一年多来滤池出水阀的8台Z30-18.IN.EPC电动执行器较少出现故障。需要注意的是：①滤池在正常使用中，要避免滤池进水量有较大变化，引起控制系统比例系数不适应，使PID系统产生振荡对Z30-18.IN.EPC电动执行器产生较大影响，遇到某个滤池维护或停止使用时，应及时调整总进水量，保证PID系统正常工作;②滤池连续使用24 h必须按照生产要求进行一次反冲洗，去除滤池滤层杂质。

4 结语

在应用PID控制方式控制外部设备时，应特别注意结合外部设备的主要技术参数选择合适的PID参数，只有熟悉外部设备的工作特性，在设备调试过程中仔细观察设备运行状况，才能调试出满足被控设备正常工作和生产工艺的控制程序。