一、前言
    眾所周知，工業(yè)過(guò)程控制系統的安全性、穩定性、準確性和經(jīng)濟性是企業(yè)考慮的重中之重，是衡量系統是否可行的重要指標。隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化整體技術(shù)水平的提高，方案的選擇范圍增多，但據不同的要求和不同的側重點(diǎn)，最優(yōu)方案始終是我們的首選。其中以三維力控自動(dòng)化監控組態(tài)軟件為上位機的控制系統中，在保證系統的安全性、準確性和穩定性的同時(shí)，也保證了項目投資成本的最小化。
二、系統特點(diǎn)
    在鍋爐控制系統中，鍋爐汽包水位的控制、過(guò)熱蒸汽的溫度控制、燃料量流量的控制和送風(fēng)流量的控制是控制重點(diǎn)，下面就汽包水位控制過(guò)程進(jìn)行分析，明確控制對象、操作量和被調量等參數，用類(lèi)似方法可分析其它的控制過(guò)程。
    鍋爐汽包水位控制：汽包水位調節系統的主要任務(wù)是使給水量與鍋爐蒸發(fā)量保持平衡，并維持汽包水位在工藝規定的范圍內。由此分析出鍋爐的受控變量為汽包水位，操縱變量是給水流量。汽包水位是鍋爐運行的主要指標，水位過(guò)高或過(guò)低都會(huì )帶來(lái)比較嚴重的后果。所以通常采用三沖量控制方案，即分別對給水流量、蒸汽流量和水位進(jìn)行控制，控制系統結構如圖一示:

三沖量控制實(shí)際上是前饋蒸汽流量和串級控制組成的復合控制系統，系統如圖二所示，

三、方案設計
    明確整個(gè)控制流程和控制對像，就可以開(kāi)始設計方案了。在早的控制系統中多由模擬PID調節器、PLC和智能儀表等完成PID控制；隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化軟件的發(fā)展兼各種智能設備、通訊附件功能的完善，充分利用計算機的能力，使本來(lái)由硬件完成的功能慢慢轉移到計算機處理中，尤其表現在大量數據處理的系統中。目前，多個(gè)以力控控制策略為上位機的控制系統已成功運行，系統的結構如圖三示：

三 系統結構圖
    優(yōu)越性：在傳統的鍋爐控制系統的方案設計中，通常采用DCS、PLC或智能儀表內部整合的控制算法完成一系列的PID控制，但是仍有它們的不足之處。首先，這些控制設備內部的控制策略修改起來(lái)很不方便，有些控制策略在系統運行期間甚至是不允許修改的。其次，這些控制設備的控制能力與它的成本成正比率關(guān)系，低廉的設備只能完成一些簡(jiǎn)單的常規控制，而且邏輯操作速度不高，控制算法種類(lèi)也偏少。這些缺陷嚴重制約著(zhù)設備性能的發(fā)揮。而借助力控控制策略豐富的算法，就可以彌補這些設備在運算、控制能力上的不足。
    特點(diǎn)：力控控制策略是應用工程運行中的進(jìn)程之一，與力控實(shí)時(shí)數據庫、IO采集一起構成了整個(gè)控制系統，完成采集數據、處理數據及控制輸出。所以在系統的設計中實(shí)時(shí)數據庫和控制策略間是交互的，它們之間存在著(zhù)如何建立連接的問(wèn)題，即控制策略算法塊需要以實(shí)時(shí)數據庫為輸入輸出，同時(shí)實(shí)時(shí)數據庫也需要取得算法塊的參數，方便運行中動(dòng)態(tài)修改，如PID控制回路的整定。這樣才能確保系統穩定地運行。
四、軟件實(shí)現
    力控控制策略編輯器采用了算法塊圖的形式，設計簡(jiǎn)單、操作方便、無(wú)需編寫(xiě)腳本，根據系統控制流程就可快速地完成，下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的PID控制回路從建立到運行的操作過(guò)程為例，具體步驟如下：

    說(shuō)明：
    （1）．主要功能是將點(diǎn)與設備IO點(diǎn)建立一對一的關(guān)系、點(diǎn)參數設置、參數保存方式及其它處理方法；
    （2）．數據庫點(diǎn)可分區域、分單元及分組顯示，一方面方便自己區分、快速瀏覽；另一方面方便報警記錄查詢(xún)、總貌瀏覽和歷史曲線(xiàn)查詢(xún)。
2．建立PID控制回路：進(jìn)入控制策略編輯窗口，將PID控制器拉至右邊策略窗口，或者先點(diǎn)擊PID控制器，再點(diǎn)擊策略窗口欲繪制算法塊的位置。如圖六所示：

3．設置PID算法塊屬性及參數，PID算法塊的主要屬性列表如圖七所示：
4．PID控制器的信號輸入和輸出的連接，具體步驟如下：
4.1繪制PID功能模塊一樣，繪制數據庫輸入變量和數據庫輸出變量，也可以繪制“變量”下的其它的變量塊，方法類(lèi)同，這里僅以數據庫變量為例，如圖十三所示：

4.2 正確選擇數據庫輸入輸出變量及參數，這些變量都是在數據庫中已定義的點(diǎn)，點(diǎn)有很多的參數，變量就是點(diǎn)的某一參數值，選擇方法如圖十四所示：

4.3 各算法塊的連接方法：
    將鼠標放在算法塊端子處，稍停片刻，若為輸入端子，則鼠標變成in，若為輸出端子，則鼠標變成out，此時(shí)，雙擊鼠標一次，再將鼠標轉致另外算法塊的端子，雙擊鼠標，若成功，則兩端子間出現白色虛線(xiàn)，將鼠標移致別處，則算法塊間出現一條白色實(shí)線(xiàn)。如圖十五所示：

注意：
    連完線(xiàn)后，檢查是否有虛接現象
4.4 簡(jiǎn)單的單PID控制回路已經(jīng)完成，保存，編譯。
5．界面組態(tài)
    控制策略完成后，數據庫組態(tài)“DBManage”中發(fā)生了如下變化：

說(shuō)明：增加了以算法塊為變量點(diǎn)的控制策略區域
5.1 雙擊PID點(diǎn)，可以查看PID點(diǎn)參數：

5.2 PID點(diǎn)的參數與PID控制器的屬性的對應關(guān)系，如表一：

5.3 為方便PID回路的調節，畫(huà)面設計如下：

6．編譯、運行

7．PID調節
    PID調節的最終目標是使系統達到穩定狀態(tài)，使最大動(dòng)態(tài)偏差盡可能小、調節時(shí)間最短、調節過(guò)程系統輸出的誤差積分值最小等等，綜合這些首先我們必須明確力控PID算法原理和PID對系統調節的影響趨勢。
    控制算法公式如下：
    比例項 = 比例 *（本次偏差 ―　上次偏差）
    積分項 = 比例 * 偏差 * 采集周期 / 積分時(shí)間常數
    微分項 = 比例 *微分時(shí)間常數 *（本次偏差 - 2*上次偏差 + 上兩次偏差）/采集周期
    如果是正動(dòng)作，則：
    輸出 = 上次輸出 + 比例項+ 積分項 + 微分項
    如果是反作用，則：
    輸出 = 上次輸出 ― 比例項― 積分項 ― 微分項
    比例系數KP加大使系統的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩態(tài)誤差減小，KP偏大，振蕩次數加多，調節時(shí)間加長(cháng)。KP太大時(shí)，系統會(huì )趨于不穩定。KP太小，又會(huì )使系統的動(dòng)作緩慢。KP可以選負數，這主要是由執行機構、傳感器以控制對象的特性決定的。如果KP的符號選擇不當,對象狀態(tài)(PV值)就會(huì )離控制目標的狀態(tài)(SP值)越來(lái)越遠，如果出現這樣的情況KP的符號就一定要取反；積分控制KI對系統性能的影響：積分作用使系統的穩定性下降，KI?。ǚe分作用強）會(huì )使系統不穩定，但能消除穩態(tài)誤差，提高系統的控制精度；微分控制KD對系統性能的影響：微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，KD偏大時(shí)，超調量較大，調節時(shí)間較短。KD偏小時(shí)，超調量也較大，調節時(shí)間也較長(cháng)。只有KD合適，才能使超調量偏小，減短調節時(shí)間。
8．單PID控制回路的特點(diǎn)及無(wú)擾切換
8.1 PID控制回路的特點(diǎn)：
    手動(dòng)控制方式：PID控制器的輸出由手動(dòng)完成，SPL、SPC、SP、PV具有自動(dòng)跟蹤功能目的是使手動(dòng)到自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換，最終穩定在OP值。
    自動(dòng)控制方式：SPL、SPC和SP由操作員設定，PID回路完成PID算法，OP最終穩定在SP值。
8.2 無(wú)擾切換方法：
    由手動(dòng)->自動(dòng)無(wú)擾切換：將PID點(diǎn)參數MODE值由0設為1
    由自動(dòng)->手動(dòng)無(wú)擾切換：將PID點(diǎn)參數MODE值由1設為0
9．串級控制回路的特點(diǎn)及無(wú)擾切換
    對一個(gè)PID控制器來(lái)講，有一個(gè)輸入端為SPC，懸空時(shí)構成為簡(jiǎn)單的單回路控制，若要完成更復雜的控制，如實(shí)現外給定或遠程給定等。本文以串級控制回路為例，詳細說(shuō)明力控串級控制系統的特點(diǎn)及各種無(wú)擾動(dòng)切換過(guò)程，同時(shí)我們將更深入地了解PID控制器的幾個(gè)參數之間存在的相互制約關(guān)系。
    首先，再建立一個(gè)PID控制回路PID1，將PID1的輸出OP連接到PID0的SPC端，設置好PID1控制器的屬性，主副回路都默認設置為手動(dòng)方式和內給定，這樣就構成了以PID0為副回路、以PID1為主回路的串級控制系統。如圖十八示：
補充說(shuō)明：
    系統中對于數據庫輸出變量算法塊增加了一個(gè)輸出死區屬性，這個(gè)功能在一定程度上減緩了數據庫的變化頻率，減輕了系統的負荷，提高了系統的穩定性。

    控制策略編輯好后，保存并編譯。為方便操作PID及無(wú)擾動(dòng)切換，可以在力控開(kāi)發(fā)環(huán)境下創(chuàng )建畫(huà)面窗口，連接主副回路PID點(diǎn)。
9.1 串級控制回路的特點(diǎn)：
    副回路沒(méi)有設置成外給定方式時(shí)（副回路PID的CLC值為0），串級回路的特點(diǎn)為：
    ①主回路只能工作在手動(dòng)方式：改變副回路的OP值，主回路自動(dòng)跟蹤，使切換到自動(dòng)為無(wú)擾動(dòng)的，其中主回路的OP值傳遞給副回路。
    ②副回路為自動(dòng)方式時(shí)，副回路完成PID算法，主回路的SP值和副回路SPL、SPC和SP一致，處于不變狀態(tài)。需要一個(gè)新的穩定狀態(tài)時(shí)，改變副回路OP值即可。
    副回路設置為外給定方式時(shí)（副回路PID的CLC值為1），串級回路的特點(diǎn)：
    ①副回路不能在手動(dòng)方式下工作
    ②主回路可以工作在手動(dòng)、自動(dòng)控制方式，若有需要，也可將給定方式設定為外給定：
    主回路手動(dòng)方式工作時(shí)，改變OP值來(lái)控制副回路的給定；主回路自動(dòng)方式下工作時(shí)，設置副回路為串級工作方式，就構成了串級控制回路，主回路的OP傳遞給副回路的SPC，SPL和SP值自動(dòng)跟蹤。需要建立新的動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，只需重新設定主回路的SPL值即可
9.2無(wú)擾切換方法：
    ①手動(dòng)->自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換：副回路MODE值由0變?yōu)?
    ②自動(dòng)->手動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換：副回路MODE值由1變?yōu)?
    ③自動(dòng)->串級無(wú)擾動(dòng)切換：副回路CLC由0變?yōu)?，主回路MODE由0變?yōu)?，副回路MODE由1變?yōu)?
    ④串級->自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換：副回路MODE由2變?yōu)?，主回路MODE由1變?yōu)?，副回路CLC由1變?yōu)?。
    ⑤手動(dòng)->串級無(wú)擾動(dòng)切換：副回路MODE由0變?yōu)?，副回路CLC由0變?yōu)?，主回路MODE由0變?yōu)?，副回路MODE由1變?yōu)?
    ⑥串級->手動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換：副回路MODE由2變?yōu)?，主回路MODE由1變?yōu)?，副回路CLC由1變?yōu)?,副回路MODE由1變?yōu)?。
10．結束語(yǔ)
    力控控制策略將在成本、開(kāi)放性、靈活性、功能和界面等方面給企業(yè)用戶(hù)提供了最佳的控制系統解決方案。