王鸿钰，陆 虹（极东神港自控工程有限公司，上海 200333）
摘 要：在介绍微分先行PID、2自由度PID的基础上，较具体地介绍了BCx2系列调理仪在热剖析温控体系中的运用和2自由度PID系数的设定。介绍的内容可供相关的工程技能人员参阅。
关键词：2自由度PID；调理仪；热剖析；温控体系
0 导言
PID调理技能已在工业主动化范畴广泛运用。不 过，传统的PID操控技能只能设定一组PID参数，故又可称为1自由度PID。实践的操控体系中，既要求按捺外扰，又对盯梢目标值有必定要求，而2种工况对应的进程不同，所以需求2组不同的参数。1自由度PID操控体系的操控呼应见图1（a）、（b），不行能使外扰按捺特性和目标值盯梢特性一起最佳。参数的设定不得不在两者之间进行折衷。图1（c）是2自由度PID的操控呼应，操控作用明显提高。
表1是日本神港公司经过调理PID参数使外扰按捺特性最佳和目标值盯梢特性最佳的试验成果。为了进一步改进体系的操控质量，有必要独立设定两组参数。
1 微分先行PID
大多数工业进程可用一阶或二阶惯性加滞后描绘，PID操控是这类体系中广泛运用的卓有成效的操控技能。它的输出 u 与输入 e 的时域表达式为
式中, Kp,Ti,Td, 分别为份额系数、积分时刻、微分时刻；e =SV-PV，SV-设定值，PV-进程变量。上式的传递函数为
为使操控作用更好，防止设定值调整时微分给进程形成的冲击，故实践运用的操控算法一般都对原算法加以改进，微分先行PID算法是很常见的一种。日本神港公司运用的微分先行算法的原理框图见图2。它的拉氏改换式为
其间 η 一般取0.1；微分部分为不完全微分，表达式中添加了一阶惯性环节 
，使微分作用时刻延伸。上式的微分动作仅作用于丈量值。
2 2自由度PID
图3是日本神港公司2自由度PID操控技能的原理框图，它是在微分先行算法的原理框图上添加了目标值滤波器构成的。其间α是份额增益2自由度系数、β是积分2自由度系数、γ是表内现已设定的参数。α、β、γ是与PID独立的另一组参数。目标值SV作阶跃改变，经目标值滤波器滤波，输出推迟上升。操控作用见图4，其间SV作 200°C 阶跃改变，图4（b）的目标值盯梢特性比图4（a）明显提高。
3 调理仪在热剖析温控体系中的运用
3.1 BCx2调理仪在热剖析温控体系中的运用
BCx2系列调理仪是神港公司推出的具有2自由度PID调理功用的高性价比5位显现外表，适合在很多工业范畴运用。它正在替代现已广泛运用的JC系列调理仪；并且，还能够在一起要求外扰按捺特性最佳和目标值盯梢特性最佳的环境中运用。BCx2调理仪在热剖析中的运用便是典型的一类运用。
热剖析可分为差热剖析（DTA）、示差扫描量热剖析（DSC）、热重剖析（TG）和热剖析联用技能等多种办法。其间差热剖析（DTA），它是在程序操控温度（以必定速度升温或降温、恒温）下，丈量试样和在测定条件下不产生热效应的参比物之间的温度差ΔT和温度T联系的剖析技能，ΔT =f（ T ）。示差扫描量热剖析（DSC），它是在程序操控温度下，丈量为使试样和参比物温度共同所需的能量差ΔE和温度T的联系， ΔE =f（ T ）。DSC和DTA的剖析曲线相似，但更精确。热重剖析（TG）也是在程序操控温度下进行的，丈量试样的质量改变与温度的联系。
以差热剖析仪为例，它的原理示意图见图5。BCx2调理仪的输入接测温热电偶，丈量加热炉的温度；它的输出经过加热器加热放在电炉内2个坩埚中的参比物和试样。参比物的温度与加热炉的程序温度共同，试样温度随吸热和放热进程的产生而违背程序温度，如图6所 示。试样热电偶和参比热电偶反向串接，经扩展器扩展后接记录仪ΔT 端，记录仪的T 端接参比热电偶（反映程序温度）。温控体系使用BCx2调理仪的2自由度PID调理功用，使得等速升温（如15℃/min）进程中的温度与时刻之间出现非常好的线性联系（最佳的盯梢特性），便于精确确认样品反响改变时的温度和取得杰出的差热曲线；与此一起，试验中的程序温度还具有很好的外扰按捺特性。
为了取得精确的剖析成果或扩展剖析内容，对一个试样的剖析常常一起联用多种热剖析技能或许联用热剖析技能与其他剖析技能。以热剖析与质谱联用为例，在程序控温下，丈量试样在热进程中质量热焓和分出气体组成的改变，剖析物质的组成、结构及研讨热分化或热合成机理。
3.2 2 自由度PID系数的设定由目标值滤波器
知，份额增益2自由度系数α=1时，此环节的输出等于目标值（阶跃）；α→0，此环节输出挨近目标值的速度变慢，外表的出厂值设为0.4。积分2自由度系数β=0，此环节的输出等于目标值（阶跃）；β→10，此环节输出挨近目标值的速度变慢，外表的出厂值设为1.35。α=0.4，β=1.35，可满足大部分被控目标的需求。
α、β坚持出厂值，调理仪的PID参数可在有外扰的情况下经过自整定主动设定，使按捺外扰特性最佳；若还不满足，还可按P、I、D在调整中的作用稍作修正。此刻，目标值盯梢特性也基本上最佳。若要进一步改进盯梢特性，可在α=0.00～1.00，β=0.00～10.00之间调整，使目标值盯梢特性更佳。由2自由度PID操控技能的原理框图（图3）知，调整α、β时，对已调整好的使按捺外扰特性最佳的PID参数没有影响。
4 定论
2自由度PID操控技能已成功地运用在定值操控、程序操控、串级操控、程序操控+串级操控等许多场合。 在1自由度PID操控的基础上添加目标值滤波器即可构成2自由度PID操控电路，结构简略易懂；2自由度PID操控既改进了操控功能，又简单进行调整；对串级操控而言，级数越多作用越好。本文介绍的BCx2调理仪在热剖析温控体系中的运用仅是很多运用中的一个比如。因这种热剖析技能能快速精确地测定物质的质量改变、相相改变、熔融、提高、吸附、脱水、分化等，因而，对无机、有机及高分子材料的物理及化学功能都是重要的测验手法。
参阅文献
[1] 神港テクノス株式会社技術部. 2自由度PID制御説明資料[Z].神港テクノス株式会社,2016.
[2] 姜忠良等.温度的丈量与操控[M].北京:清华大学出版社,2005.
[3] 王鸿钰,陆 虹. BCx2调理仪在操控发动机排液温度中的运用[J].北京:电子产品世界,2016.
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第02期第42页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
