一起PID调节器故障
2021-04-06朱飞
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。