温度控制简介和PID控制器-外文翻译

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外文资料翻译译文外文出处：SpecializedEnglishForArchitecturalElectricalEngineeringandAutomation温度控制简介和PID控制器过程控制系统自动过程控制系统是指将被控量为温度、压.力、流量、成份等类型的过程变量保持在理想的运行值的系统。实际上过程是动态的。变化总是会出现，此时如果不采取相应的措施，那些与安全、产品质量和生产率有关的重要变量就不能满足设计要求。为了说明问题，计我们来看一下热交换器。流体在这个过程中被压缩的过热蒸汽加热，如图1所示。图1热交换器这一装置的主要目的是将流体由入口温度Ti(t).加热到某一期望的出口温度T(t)。如前所述，加热介质是压缩的过热蒸汽。 只要周围没有热损耗，过程流体获得的热量就等于蒸汽释放的热量，即热交换器和管道问的隔热性很好。很多变量在这个过程中会发生变化，继而导致出日温度偏离期望值。如果出现这种情况，就该采取一些措施来校正偏差，其目的是保持出日温度为期望值。实现该目的的一种方法是首先测量r(0)，然后与期望值相比较，由比较结果决定如何校正偏差。蒸汽的流量可用于偏差的校.正。就是说，如果温度高于期望值，就关小蒸汽阀来减小进入换热器的蒸汽流量；:若温度低于期望值，就开大蒸汽阀，以增加进入换热器的蒸汽流量。所有这些操作都可由操作员手工实现，操作很简单，不会出现什么问题。但是，由于多数过程对象都有很多变量需要保持为某一期望值，就需要许多的操作员来进行校正。因此，我们想自动完成这种控制。就是说，我们想利用无需操作人员介入就可以控制变量的设备。这就是所谓自动化的过程控制。为达到上述日标，就需要设计并实现一个系统。图2所示为一个可行的控制系统及其基本构件。图2热交换器控制循环首先要做的是测量过程流体的出口温度，这一任务由传感器(热电偶、热电阻等)完成。将传感器连接到变送器上，由变送器将传感器的输出信号转换为足够大的信号传送给控制器。控制器接收与温度相关的信号并与期望值比较。根据 比较的结果，控制器确定保持温度为期望值的控制作用。基于这一结果，控制器再发一信号给执行机构来控制蒸汽流量。下面介绍控制系统中的4种基本元件，分别是:(1)传感器，也称为一次元件。(2)变送器，也称二次元件。(3)调节器，控制系统的“大脑”。(4)执行机构，通常是一个控制阀，但并不全是。其他常用的执行机构有变速泵、传送装置和电动机。这些元件的重要性在于它们执行每个控制系统中都必不可少的3个基本操作，即:(1)测量：被控量的测量通常由传感器和变送器共同完成。(2)决策：根据测量结果，为了维持输出为期望值，控制器必须决定如何操作。(3)操作：根据控器的处理，系统必须执行某种操作，这通常由执行机构来完成如上所述，侮个控制系统都有M，D和A这3种操作.有些系统的决策任务简单，而有些很复杂.设计控制系统的工程师必须确保所采取的操作能影响被控变量，也就是说，该操作要影响测量值.否则，系统是不可控的，还会带来许多危害。PID控制器可以是独立控制器(也可以叫做单回路控制器)，可编程控制器(PLCs)中的控制器，嵌入式控制器或者是用Vb或c#编写的计算机程序软件。PID控制器是过程控制器，它具有如下特征:连续过程控制；模拟输入(也被称为“测量量”或“过程变量”或“PV”)；模拟输出(简称为“输出”)；基准点(SP)；比例、积分以及/或者微分常数；“连续过程控制”的例子有温度、压力、流量及水位控制。例如:控制一个容器的热量。对于简单的控制，你使用两个具有温度限定功能的传感器(一个限定低温，一个限定高温)。当低温限定传感器接通时就会打开加热器，当温度升高 到高温限定传感器时就会关加热器。这类似于大多数家庭使用的空调及供暖系统的温度自动调节器。反过来，PID控制器能够接受像实际温度这样的输入，控制阀门，这个阀门能够控制进入加热器的气体流量。PID控制器自动地找到加热器中气体的合适流量，这样就保持了温度在基准点稳定。温度稳定了，就不会在高低两点间上下跳动了。如果基准点降低，PID控制器就会自动降低加热器中气体的流量。如果基准点升高，PID控制器就会自动的增加加热器中气体的流量。同样地，对于高温，晴朗的天气(当外界温度高于加热器时)及阴冷，多云的天气，PID控制器都会自动调节。模拟输入(测量量)也叫做“过程变量”或“PV”。你希望PV能够达到你所控制过程参数的高精确度。例如，如果我们想要保持温度为+1度或-1度，我们至少要为此努力，使其精度保持在0.1度。如果是一个12位的模拟输入，传感器的温度范围是从0度到400度，我们计算的理论精确度就是4096除以400度=0.097656度。我们之所以说这是理论上因为我们假定温度传感器，电线及模拟转换器上没有噪音和误差。还有其他的假定。例如，线性等等。即使是有大量的噪音和其他问题，按理论精确度的1/10计算，1度精确度的数值应该很容易得到的。模拟输出经常被简称为“输出”。经常在0%到100%之间给出。在这个热量的例子中阀门完全关闭(0%)，完全打开(100%)。基准点(SP)很简单，即你想要什么样的过程量。在这个例子中你想要过程处于怎样的温度。PID控制器的任务是维持输出在一个程度上，这样在过程变量(PV)和基准点(SP)上就没有偏差(误差)。在图3中，阀门用来控制进入加热器的气体，冷却器的制冷，水管的压力，水管的流量，容器的水位或其他的过程控制系统。 图3PID控制PID控制器所观察的是PV和SP之间的偏差(或误差)。它观察绝对偏差和偏差变换率。绝对偏差就是——PV和SP之间偏差大还是小。偏差变换率就是——PV和SP之间的偏差随着时间的变化是越来越小还是越来越大。如果存在过.程扰动，即过程变量或基准点变化时，PID控制器就要迅速改变输出，这样过程变量就返回到基准点。如果你有一个PTD控制的可进入的冷冻装置，某个人打开门进入，温度(过程变量)将会迅速升高。因此，PID控制器不得不提高冷度(输出)来补偿这个温度的升高。一旦过程变量等同于基准点，一个好的PTD控制器就不会改变输出。你所要的输出就会稳定(不改变)。如果阀门(发动机或其他控制元件)不断改变，而不是维持恒量，这将造成控制元件更多的磨损。这样就有了两个矛盾的目标。当有“过程扰动”时能够快速反应(快速改变输出)。当PV接近基准点时就缓慢反应（平稳输出)。我们注意到输出量经常超过稳定状态输出使过程变量回到基准点。比如，一个制冷器通常于打开它的制冷阀门的34%，就可以维持在零度(在制冷器关闭和温度降低后)。如果某人打开制冷器，走进去，四处走，找东西，然后再走出来，再关上制冷器的门——PID控制器会非常活跃，因为温度可能将上升20度。这 样制冷阀门就可能打开50%，75%甚至100%——目的是赶快降低制冷器的温度——然后慢慢关闭制冷阀门到它的34%。让我们思考一下如何设计一个PID控制器。我们主要集中在过程变量(PV)和基准点(SP)之问的偏差(误差)上-。有三种定义误差的方式。绝对偏差他说明的是PV和SP之间的偏差有多大;。如果PV和SP之间的偏差小——那我们就在输出时作一个小的改变。如果PV和SP之间偏差大—那我们就在输出时作一个大的改变。绝对偏差就是PID控制器的比例环节。累积误差给我们点儿时问，我们将会明白为什么仅仅简单地观察绝对偏差(比例环节)是一个问题。累积误差是很重要的，我们把它称为是PID控制器的积分环节。每次我们运行I'ID算法时，我们总会把最近的误差添加到误差总和中。换句话说，累积误差=误差1+误差2+误差3十误差4+...。滞后时间滞后时间指的是PV引起的变化由发现到改变之间的延时。典型的例一子就是调整你的烤炉在合适的温度。当你刚刚加热的时候，烤炉热起来需要一定时间。这就是滞后时问。如果你设置一个初始温度，等待烤炉达到这个初始温度，然后你认为你设定了错误的温度，烤炉达到这个新的温度基准点还需要一段时问。这也就被认为是PID控制器的微分环节。这就抑制了某些将来的变化因为输出值已经发生了改变，但并不是受过程变量的影响。绝对偏差/比例环节有关设计自动过程控制器，人们最初想法之一是设计比例环节。意思就是，如果PV和SP之间的偏差很小——那么我们就在输出处作一个小的修改；如果PV和SP之间的偏差很大——那么我们就在输出处作一个大的修改。当然这个想法是有意义的。我们在MicrosoftExcel仅对比例控制器进行仿真。图4是显示首次仿真结果的表格。(滞后时间等于0，只含比例环节) 图4仿真表格比例、积分控制器PID控制器中的积分环节是用来负责纯比例控制器中的补偿问题的。我们有另外一个Excel的扩展表格，表格上仿真的是一个具有比例积分功能的PID控制器。这里(图5)是比例积分控制器最初的仿真表格(滞后时间等于0，比例常数等于0.4)。图5仿真表格众所周知，比例积分控制器要比仅有比例功能的比例控制器好得多，但是等于0的滞后时间并不常见。;微分控制微分控制器考虑的是:如果你改变输出，那么要在输入(PV)处反映这个改变就 需要些时间。比如，让我们拿烤炉的加热为例。如果我们增大气体的流量，那么从产生热量，热量分布烤炉的四周，到温度传感器检测升高的温度都将需要时间。PID控制器中微分环节具有抑制功能，因为有些温度增量会在以后不需要的情况下产生了。正确地设置微分系数有利于你对比例系数和积分系数的确定。 附件2外文原文IntroductionstotemperaturecontrolandPIDcontrollersProcesscontrolsystemAutomaticprocesscontrolisconcernedwithmaintainingprocessvariablestemperaturespressuresflowscompositions,andthelikeatsomedesiredoperationvalue.Processaredynamicinnature.Changearealwaysoccurring,andifactionsarenottaken,theimportantprocessvariables-thoserelatedtosafety,productquality,andproductionrates-willnotachievedesignconditions.Inordertofixideas,letusconsideraheatexchangeinwhichaprocessstreamisheatedbycondensingsteam.TheprocessissketchedinFig.1. Thepurposeofthisunitistoheattheprocessfluidfromsomeinlettemperature,Ti(t),uptoacertaindesiredoutlettemperature,T(t).Asmentioned,theheatingmediumiscondensingstream.Theenergygainedbytheprocessfluidisequaltotheheatreleasedbythesteam,providedtherearenoheatlossestosurroundings,thatis,theheatexchangerandpipingarewellinsulated.Inthisprocesstherearemanyvariablesthatcanchange,causingtheoutlettemperaturetodeviatefromitsdesiredvalue.Ifthishappens,someactionmustbetakentocorrectforthisdeviation.Thatis,theobjectiveistocntroltheoutletprocesstemperaturetomaintainitsdesiredvalue.OnewaytoaccomplishthisobjectiveisbyfirstmeasuringthetemperatureT(t),thencompareingittoitsdesiredvalue,and,basedonthiscomparison,decidingwhattodotocorrectforanydeviation.Theflowofsteamcanbeusedtocorrectforthedeviation.Thisis,ifthetemperatureisaboveitsdesiredvalue,thenthesteamvaluecanbethrottledbacktocutthestearrflow(energy)totheheatexchange.Ifthetemperatureisbelowitsdesiredvalue,thenthesteamvaluecouldbeopenedsomemoretoincreasethesteamflow(energy)totheexchanger.Allofthesecanbedonemanuallybytheoperator,andsiincetheprocedureisfairlystraightforward,itshouldpresentnoproblem.However,sinceinmostprocessplantstherearehundredsofvariablesthatmustbemaintainedatsomedesiredvalue,thiscorrectionprocedurewouldrequiredatremendousnumberofoperators.Consequently,wewouldliketoaccomplishthiscontrolautomatically.Thatis,wewanttohaveinstnnnentsthatcontrolthevariablesrequringinterventionfromtheoperator.Sothisisdwhatwemeanbyautomaticprocesscontrol.Toaccomplishhisobjectiveacontrolsystemmustbedesignedandimplemented.ApossiblecontrolsysatemanditsbasiccomponentsareshowninFig.2. Thefirstthingtodoistomeasuretheoutlettemperatureoftheprocessstream.Asensor(thermocouple,thermistors,etc)dosethis.Thissensorisconnectedphysicallytoatransmitter,whichtakestheoutputfromthesensorandconvertsittoasignalstrongenoughtobetransmittertoacontroller.Thecontrollerthenreceivesthesignal,whichisrelatedtothetemperature,andcomparesitwithdesiredvalue.Dependingonthiscomparison,thecontrollerdecideswhattodomaintainthetemperatureatitsdesiredvalue.Baseonthisdecision,thecontrollerthensendsanothersignaltofiinalcontrolelement,whichinturnmainpulatesthesteamflow.Theprecedingparagraphprsentsthefourbasiccomponentsofallcontrolsystems.Theyare(1)sensor,alsooftencalledtheprimaryelement.(2)Transmitter,alsooftencalledthesecondaryelement.(3)Controller,the“brain”ofthecontrolsystem.(4)Finalcontrolsystem,oftenacoontrolvaluebutnotalways.Othercommonfinalcontrolelementsarevariablespeedpumps,conveyors,andelectricmotors. Theimportantofthesecomponentsisthattheyperformthethreebasicoperationthatmustbepersentineverycontrolsystem.Theseoperationsare(1)Measurement(M):measuringthevariabletobecontrolledisusuallydonebythecombinationofsensorandtransmitter.(2)Decision(D):Basedonthemeasurement,thecontrollermustthendecidewhattodotomaintainthevariableatitsdesiredvalue.(3)Action(A):Asaresultofthecontroller’sdecision,thesystemmustthentakeanaction.Thisisusuallyaccomplishedbythefinalcontrolelement.Asmentioned,thesethreeoperations,M,D,andA,mustbepresentineverycontrolsystem.PIDcontrollerscanbestand-alonecontrollers(alsocalledsingleloopcontrollers),controllersinPLCs,embededcontrollers,orsoftwareinVisualBasicorC#computerprograms.PIDcontrollersareprocesscontrollerswiththefollowingcharacteristics:ContinuousprocesscontrolAnaloginput(alsoknownas“measuremem”or“ProcessVariavle”or“PV”)Analogoutput(referredtosimplyas“output”)Setpoint(SP)Proportional(P),Integral(I),and/orDerivative(D)constants.Exampleof“continuousprocesscontrol”aretemperature,pressure,flow,andlevelcontrol.Forexample,controllingtheheatingofatank.Forsimplecontrol,youhavetwotemperaturelimitsensors(onelowandonehigh)andthenswitchtheheateronwhenthelowtemperaturelimitsensortumsonandthentheheateroffwhenthetemperaturerisestothehightemperaturelimitsensor.Thisissimilartomosthomeairconditioning&heatingthermostats.Incontrast,thePIDcontrollerwouldreceiveinputastheactualtemperatureandcontrolavaluethatregulatestheflowofgastotheheater.ThePIDcontrollerautomaticallyfindsthecorrect(constant)flowofgastotheheaterthatkeepsthetemperaturebouncingbackandforthbetweentwopoints,thetemperatureisheldsteady.Ifthesetpointislowered,thenthePIDcontrollerautomaticallyreducesthe amountofgasflowingtotheheater.Ifthesetpointisraised,thenthePIDcontrollerautomaticallyincreasestheamountofgasflowingtotheheater.LikewisethePIDcontrollerwouldautomaticallyforhot,sunnydays(whenitishotteroutsidetheheater)andforcold,cloudydays.Theanaloginput(measurement)iscalledthe“processvariable”or“PV”.YouwantthePVtobeahighlyaccurateindicationoftheprocessparameteryouaretryingtocontrol.Forexample,ifyouwanttomaintainatemperatureofor–onedegreethenwetypicallystriveforatleasttentimesthatorone–tenthofadegree.Iftheanalogyinputisa12bitanaloginputandthetemperaturerangsforthesensoris0to400degreesthenour“theoretical”accuracyiscalculatedtobe400degreesdividedby4,096(12bits)=0.09765625degrees.Wesay“theoratical”becauseitwouldassumetherewasnonoiseanderrorinourtemperaturesenor,wiring,andanalogconverter.Thereareotherassumptionssuchaslinearity,etc…Thepointbeing--with1/10ofadegree“theoretical”accuracy–evenwiththeusualamountofnoiseandotherproblems–onedegreeofaccuracyshouldeasilybeattainable.Theanalogoutputisoftensimplyreferredtoas“output”.Oftenthisisgivenas0~100percent.Inthisheatingexample,itwouldmeanthevalueistotallyclosed(0%)ortotallyopen(100%).Thesetpoint(SP)issimply–whatprocessvaluedoyouwant.Inthisexample–whattemperaturedoyouwanttheprocessat?ThePIDcontroller’sjobistomaintaintheoutputatalevelsothatthereisnodifferent(error)betweentheprocessvariable(PV)andthesetpoint(SP).InFig.3,thevaluecouldbecontorllingthegasgoingtoaheater,thechillingofacooler,thepressureinapipe,theflowthroughapipe,thelevelinatank,oranyotherprocesscontrolsystem.WhatthePIDcontrollerislookingatisthedifference(or“error”)betweenthePVandtheSP. Itlooksattheabsoluteerrorandtherateofchangeoferror.Absoluteerrormeans–isthereabigdifferenceinthePVandSPoralittledifference?Rateofchangeoferrormeans–isthedifferencebetweenthePVorSPgettingsmallerorlargerastimegoeson.Whenthereisa“processupset”,meaning,whentheprocessvariableorthesetpointquicklychanges–thePIDcontrollerhastoquicklychangetheoutputtogettheprocessvariablebackequaltothesetpoint.Ifyouhaveawalk–incoolerwithaPIDcontrollerandsomeoneopensthedoorandwalksin,thetemperature(processvariable)couldriseevryquickly.ThereforethePIDcontrollerhastoincreasethecooling(output)tocompensateforthisriseintemperature.OncethePIDcontrollerhastheprocessvariableequaltothesetpoint,agoodPIDcontrollerwillnotvarytheoutput.Youwanttheoutputtobeevrysteady(notchanging).Ifthevalve(motor,orothercontrolelement)isconstantlychanging, insteadofmaintainingaconstantvalue,thiscouldcausemorewearonthecontrolelement..Sotherearethesetwocontrsdictorygoals.Fastresponse(fastchangeinoutput)whenthereisa“processupset”,butslowresponse(steadyoutput)whenthePVisclosetothesetpoint.Notethattheoutputoftengoespast(overshoots)thesteady—stateoutputtogettheprocessbacktothesetpoint.Forexample,acoolermaynormallyhaveitscoolingvalveopen34%tomaintainzerodegrees(afterthecoolerhasbeenclosedupandthetemperaturesettleddown).Ifsomeoneopensthecooler,walksin,walksaroundtofindsomething,thenwalksbackout,andthenclosesthecoolerdoor—thePIDcontrollerisfreakingoutbecausethetemperaturemayhaveraised20degrees!Soitmaycrankthecoolingvalveopento50,75,oreven100percent—tohurryupandcoolthecoolerbackdown—beforeslowlyclosingthecoolingvalvebackdownto34percent.Let’sthinkabouthowtodesignaPIDcontroller.Wefocusonthedifference(error)betwwentheprocessvariable(PV)andthesetpoint(SP).Therearethreewayswecanviewtheerror.TheabsoluteerrorThismeanshowbigisthedifferencebetweenthePVandSP.IFthereisasmalldifferencebetweenthePVandtheSP–thenlet’smakeasmallchangeintheoutput.IfthereisalargedifferenceinthePVandtheSP—thenlet’smakealargechangeintheoutput.Absoluteerroristhe“proportional”(P)componentofthePIDcontroller.ThesumoferrorovertimeGiveusaminuteandwewillshowwhysimplylookingattheabsoluteerror(proportional)onlyisaproblem.Thesumoferrorsovertimeisimportantandiscalledthe“integral”(I)componentofthePIDcontroller.EverytimewerunthePIDalgorithmweaddthelatesterrortothesumoferrors.InotherwordsSumofErrors=Error1+Error2+Error3+Error4+….ThedeadtimeDeadtimereferstothedelaybetwwenmakingachangeintheoutputandseeing thevhangereflectedinthePV.Theclassicalexampleisgettingyourovenattherighttemperature.Whenyoufirstmmontheheat,ittakesawhilefortheovento“heatup”.Thisisthedeadtime.Ifyousetaninitialtemperature,waitfortheoventoreachtheinitialtemperature,andthenyoudeterminethatyousetthewrongtemperature–thenitwilltakeawhilefortheoventoreachthenewtemperatureSetpoint.Thisisalsoreferredtoasthe“derivative”(D)componentofthePIDcontroller.Thisholdssomefuturechangesbackbecausethechangesintheoutputhavebeenmadebutarenotreflectedintheprocessvariableyet.AbsoluteError/ProportionalOneofthefirstideasppeopleusuallyhaveaboutdesigninganautomaticprocesscontrolleriswhatwecall“proportional”.Meaning,ifthedifferencebetweenthePVandtheSPissmall–thenlet’smakeasmallcorrectiontotheoutput.IfthedifferencebetweenthePVandtheSPislarge—thenlet’smakealargercorrectiontotheoutput.Thisideacertainlymakessense.WesimulatedaproportionalonlycontrollerinMicrosoftExcel.Fig.4isthechartshowingtheresultsofthefirstsimulation(DEADTIME=0,proportionalonly).ProportionalandIntergralControllersTheintegralprotionofthePIDcontrolleraccountsfortheoffsetprobleminaproportionalonlycontroller.WehaveanotherExcelspreadsheetthatsimulatesaPIDcontrollerwithproportionalandintegralcontrol.Here(Fig.5)isachartofthefirstsimulationwithproportionalandintegral(DEADTIMe=0,,proportional=0.4).Asyoucantell,thePIcontrollerismuchbettetthanjustthePcontroller.However,deadtimeofthezero(asshowninthegraph)isnotcommon. DerivativeControlDerivativecontroltakesintoconsiderationthatifyouchangeyheoutput,thenittakestimeforthatchangetobereflectedintheinput(PV).Forexample,let’stakeheatingoftheoven.Ifwestartturningupthegasflow,itwilltaketimefortheheattobeproduced,theheattoflowaroundtheoven,andforthetemperaturesensortodetecttheincreasedheat.Derivativecontrolsortof“holdsback”thePIDcontrollerbecausesomeincreaseintemperaturewilloccurwithoutneedingtoincreasetheoutput further.SettingthederivativeconstantcorrectlyallowsyoutobecomemoreaggressivewiththeP&Iconstants.