一起PID调节器故障

朱 飞

NAKAKITA气动PID调节器（以下简称调节器）广泛应用于船舶，常用于主机缸套水温、主机滑油温度、燃油粘度等参数的控制。其PID参数设置是否正确，影响到整个系统的稳定性。

一次，主机起动运行加速时，主机缸套水温度从85℃升至90℃（控制单元的红色指针设定值为85℃），调节器的控制单元一直没有输出信号，直到93℃左右才开始有输出。如果主机加速过快，导致缸套水温上升较快时，还需要人为调节设定值，拉大设定值与测量值之间的偏差，才能使控制单元有输出，之后控制单元能够根据偏差进行自动调节输出，使主机缸套水温保持在设定值。

故障分析与处理

根据故障现象，除了主机运行加速使缸套水温上升过快，调节器不能及时调节外，其他时间都是可以正常调节的，可以判断出调节器控制单元的灵敏度不够，有偏差时，控制单元无法立即输出，导致调节不够及时。

检查控制面板上的PID旋钮设置值：比例带125%，Reset Time0.5分钟，Rate Time0.15分钟。比例带在调节作用中起主导作用，比例带越大，其调节作用就越小，所以比例带设置成125%，其作用也比较小，将导致调节不够及时，出现上述故障现象。

根据说明书的调节方法，并按照控制对象为温度时的经验设置，将比例带设置在60%。因积分只是用来消除静态偏差，作用不需要很强，将Reset Time设置为2分钟。Rate Time设置为1分钟。

主机再次启动运行加速，主机缸套水温有上升的趋势时，调节器的控制单元立即有输出，保持缸套水温稳定在设定值。在主机转速恒定运行时，主机缸套水温也非常平稳，没有出现明显的波动，说明控制单元的PID旋钮设定值正确。

通过正确设置调节器控制单元PID旋钮的设定值，解决了主机缸套水温调节器故障。

调节器的组成

1、调节器由四个基本单元组成：控制单元、执行机构、控制对象、测量单元。将这四个单元组合起来就成了闭式反馈控制系统（如图1所示）。

图1 调节器的闭式反馈控制系统图

调节器的控制单元与执行机构实物图（如图2所示）。

图2 控制单元与执行机构实物图

2、调节器的工作原理：当测量单元的测量值与控制单元的设定值存在偏差时，控制单元将输出一个信号至执行机构，执行机构动作后，使控制对象产生变化，从而使测量值与设定值一致。

3、在实际工作中，执行机构与测量单元发生故障的几率很小，控制对象是固定的，所以调节器的维护保养主要在控制单元。

调节器的控制单元

1、控制单元组成（如图3所示）：

图3 控制单元实物图

由喷嘴挡板、气动功率放大器、比例波纹管、积分波纹管、积分气室、微分波纹管、微分气室、各用途杠杆等部件组成，结构紧凑而复杂。

控制单元左侧有一黑一红两个指针，红指针代表设定值，黑指针代表测量值。

控制单元上部的比例带旋钮中间有一个螺钉，拆出之后可以清通内部喷嘴挡板。

控制单元的气动功率放大器左侧有个小按钮，按下之后用来清洁节流孔。

控制单元的右下角表盘有两个指针，右侧指针为气源的输入压力，通过调压阀调节压力，保持压力不变。左侧指针为控制单元的输出气压，作为执行机构输入信号。

控制单元上部有三个旋钮，用来实现PID功能，最左侧旋钮为比例带Proportional Band，中间旋钮为Reset Time（即I积分时间），最右侧旋钮为Rate Time（即D微分时间）。

2、了解控制单元PID旋钮的功能

（1）比例带旋钮：其作用是使控制单元的输出与偏差同步变化，对系统的控制比较及时。缺点是当控制对象受到扰动后，测量值最后只能在设定值上下波动，不能回到设定值上，存在静态偏差。当控制对象惯性大时，会导致调节不够及时。比例带旋钮可以在正作用与反作用之间进行切换。比例带在控制单元中的调节是起主导作用。比例带越小，其作用就越强；越大，作用就越弱。

（2）Reset Time旋钮：调节积分时间，其作用是消除静态偏差。积分在控制单元中的调节起辅助作用。比例带中加入积分，正好可以克服比例带存在静态偏差的缺点。积分时间越小，其作用就越强；越大，作用就越弱。

（3）Rate Time旋钮：调节微分时间，其作用是提前控制。微分在控制单元中的调节也是起辅助作用。比例带中加入积分，正好可以克服比例带在调节惯性大的控制对象时，无法及时调节的缺点。微分时间越小，其作用就越弱；越大，作用就越强。

3、将控制单元PID旋钮的设定值调至最优的方法

（1）Reset Time调至最大20分钟，Rate Time调至最小0.05分钟。

（2）将比例带从250%至10%方向调节，当测量值开始波动时记下此时的比例带大小，最优的比例带为该比例带的2～4倍。比如比例带在25%时，测量值开始波动，则最优的比例带为50%～100%。

（3）比例带设置好以后，将Reset Time慢慢调小，测量值开始波动时，再将Reset Time往回调大一点点。

（4）Rate Time一 般 设 置为1/4至1/2的Reset Time。

（5）经验设置

对于温度及粘度的控制：比例带50%，Reset Time 1分钟，Rate Time 0.1分钟。

对于压力的控制：比例带25%，Reset Time 0.5分钟，Rate Time 0.05分钟。

4、控制单元的维护

控制单元内部结构紧凑复杂，可靠性高，维护简单。

（1） 需要注意的是避免控制单元受到震动，防止内部连接机构、波纹管等受到损伤。

（2） 保证控制单元的气源干燥，定期通过减压阀下部的放残阀进行放残，确保气源无油、无水。

（3） 定期通过比例带上的喷嘴挡板清洁孔进行清洁。

（4） 定期按下气动功率放大器上的小按钮，清洁节流孔。