一起PID調(diào)節(jié)器故障

朱 飛

NAKAKITA氣動(dòng)PID調(diào)節(jié)器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)節(jié)器）廣泛應(yīng)用于船舶，常用于主機(jī)缸套水溫、主機(jī)滑油溫度、燃油粘度等參數(shù)的控制。其PID參數(shù)設(shè)置是否正確，影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

一次，主機(jī)起動(dòng)運(yùn)行加速時(shí)，主機(jī)缸套水溫度從85℃升至90℃（控制單元的紅色指針設(shè)定值為85℃），調(diào)節(jié)器的控制單元一直沒(méi)有輸出信號(hào)，直到93℃左右才開(kāi)始有輸出。如果主機(jī)加速過(guò)快，導(dǎo)致缸套水溫上升較快時(shí)，還需要人為調(diào)節(jié)設(shè)定值，拉大設(shè)定值與測(cè)量值之間的偏差，才能使控制單元有輸出，之后控制單元能夠根據(jù)偏差進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出，使主機(jī)缸套水溫保持在設(shè)定值。

故障分析與處理

根據(jù)故障現(xiàn)象，除了主機(jī)運(yùn)行加速使缸套水溫上升過(guò)快，調(diào)節(jié)器不能及時(shí)調(diào)節(jié)外，其他時(shí)間都是可以正常調(diào)節(jié)的，可以判斷出調(diào)節(jié)器控制單元的靈敏度不夠，有偏差時(shí)，控制單元無(wú)法立即輸出，導(dǎo)致調(diào)節(jié)不夠及時(shí)。

檢查控制面板上的PID旋鈕設(shè)置值：比例帶125%，Reset Time0.5分鐘，Rate Time0.15分鐘。比例帶在調(diào)節(jié)作用中起主導(dǎo)作用，比例帶越大，其調(diào)節(jié)作用就越小，所以比例帶設(shè)置成125%，其作用也比較小，將導(dǎo)致調(diào)節(jié)不夠及時(shí)，出現(xiàn)上述故障現(xiàn)象。

根據(jù)說(shuō)明書(shū)的調(diào)節(jié)方法，并按照控制對(duì)象為溫度時(shí)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，將比例帶設(shè)置在60%。因積分只是用來(lái)消除靜態(tài)偏差，作用不需要很強(qiáng)，將Reset Time設(shè)置為2分鐘。Rate Time設(shè)置為1分鐘。

主機(jī)再次啟動(dòng)運(yùn)行加速，主機(jī)缸套水溫有上升的趨勢(shì)時(shí)，調(diào)節(jié)器的控制單元立即有輸出，保持缸套水溫穩(wěn)定在設(shè)定值。在主機(jī)轉(zhuǎn)速恒定運(yùn)行時(shí)，主機(jī)缸套水溫也非常平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，說(shuō)明控制單元的PID旋鈕設(shè)定值正確。

通過(guò)正確設(shè)置調(diào)節(jié)器控制單元PID旋鈕的設(shè)定值，解決了主機(jī)缸套水溫調(diào)節(jié)器故障。

調(diào)節(jié)器的組成

1、調(diào)節(jié)器由四個(gè)基本單元組成：控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制對(duì)象、測(cè)量單元。將這四個(gè)單元組合起來(lái)就成了閉式反饋控制系統(tǒng)（如圖1所示）。

圖1 調(diào)節(jié)器的閉式反饋控制系統(tǒng)圖

調(diào)節(jié)器的控制單元與執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)物圖（如圖2所示）。

圖2 控制單元與執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

2、調(diào)節(jié)器的工作原理：當(dāng)測(cè)量單元的測(cè)量值與控制單元的設(shè)定值存在偏差時(shí)，控制單元將輸出一個(gè)信號(hào)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作后，使控制對(duì)象產(chǎn)生變化，從而使測(cè)量值與設(shè)定值一致。

3、在實(shí)際工作中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與測(cè)量單元發(fā)生故障的幾率很小，控制對(duì)象是固定的，所以調(diào)節(jié)器的維護(hù)保養(yǎng)主要在控制單元。

調(diào)節(jié)器的控制單元

1、控制單元組成（如圖3所示）：

圖3 控制單元實(shí)物圖

由噴嘴擋板、氣動(dòng)功率放大器、比例波紋管、積分波紋管、積分氣室、微分波紋管、微分氣室、各用途杠桿等部件組成，結(jié)構(gòu)緊湊而復(fù)雜。

控制單元左側(cè)有一黑一紅兩個(gè)指針，紅指針代表設(shè)定值，黑指針代表測(cè)量值。

控制單元上部的比例帶旋鈕中間有一個(gè)螺釘，拆出之后可以清通內(nèi)部噴嘴擋板。

控制單元的氣動(dòng)功率放大器左側(cè)有個(gè)小按鈕，按下之后用來(lái)清潔節(jié)流孔。

控制單元的右下角表盤(pán)有兩個(gè)指針，右側(cè)指針為氣源的輸入壓力，通過(guò)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力，保持壓力不變。左側(cè)指針為控制單元的輸出氣壓，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入信號(hào)。

控制單元上部有三個(gè)旋鈕，用來(lái)實(shí)現(xiàn)PID功能，最左側(cè)旋鈕為比例帶Proportional Band，中間旋鈕為Reset Time（即I積分時(shí)間），最右側(cè)旋鈕為Rate Time（即D微分時(shí)間）。

2、了解控制單元PID旋鈕的功能

（1）比例帶旋鈕：其作用是使控制單元的輸出與偏差同步變化，對(duì)系統(tǒng)的控制比較及時(shí)。缺點(diǎn)是當(dāng)控制對(duì)象受到擾動(dòng)后，測(cè)量值最后只能在設(shè)定值上下波動(dòng)，不能回到設(shè)定值上，存在靜態(tài)偏差。當(dāng)控制對(duì)象慣性大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)不夠及時(shí)。比例帶旋鈕可以在正作用與反作用之間進(jìn)行切換。比例帶在控制單元中的調(diào)節(jié)是起主導(dǎo)作用。比例帶越小，其作用就越強(qiáng)；越大，作用就越弱。

（2）Reset Time旋鈕：調(diào)節(jié)積分時(shí)間，其作用是消除靜態(tài)偏差。積分在控制單元中的調(diào)節(jié)起輔助作用。比例帶中加入積分，正好可以克服比例帶存在靜態(tài)偏差的缺點(diǎn)。積分時(shí)間越小，其作用就越強(qiáng)；越大，作用就越弱。

（3）Rate Time旋鈕：調(diào)節(jié)微分時(shí)間，其作用是提前控制。微分在控制單元中的調(diào)節(jié)也是起輔助作用。比例帶中加入積分，正好可以克服比例帶在調(diào)節(jié)慣性大的控制對(duì)象時(shí)，無(wú)法及時(shí)調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。微分時(shí)間越小，其作用就越弱；越大，作用就越強(qiáng)。

3、將控制單元PID旋鈕的設(shè)定值調(diào)至最優(yōu)的方法

（1）Reset Time調(diào)至最大20分鐘，Rate Time調(diào)至最小0.05分鐘。

（2）將比例帶從250%至10%方向調(diào)節(jié)，當(dāng)測(cè)量值開(kāi)始波動(dòng)時(shí)記下此時(shí)的比例帶大小，最優(yōu)的比例帶為該比例帶的2～4倍。比如比例帶在25%時(shí)，測(cè)量值開(kāi)始波動(dòng)，則最優(yōu)的比例帶為50%～100%。

（3）比例帶設(shè)置好以后，將Reset Time慢慢調(diào)小，測(cè)量值開(kāi)始波動(dòng)時(shí)，再將Reset Time往回調(diào)大一點(diǎn)點(diǎn)。

（4）Rate Time一 般 設(shè) 置為1/4至1/2的Reset Time。

（5）經(jīng)驗(yàn)設(shè)置

對(duì)于溫度及粘度的控制：比例帶50%，Reset Time 1分鐘，Rate Time 0.1分鐘。

對(duì)于壓力的控制：比例帶25%，Reset Time 0.5分鐘，Rate Time 0.05分鐘。

4、控制單元的維護(hù)

控制單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊復(fù)雜，可靠性高，維護(hù)簡(jiǎn)單。

（1） 需要注意的是避免控制單元受到震動(dòng)，防止內(nèi)部連接機(jī)構(gòu)、波紋管等受到損傷。

（2） 保證控制單元的氣源干燥，定期通過(guò)減壓閥下部的放殘閥進(jìn)行放殘，確保氣源無(wú)油、無(wú)水。

（3） 定期通過(guò)比例帶上的噴嘴擋板清潔孔進(jìn)行清潔。

（4） 定期按下氣動(dòng)功率放大器上的小按鈕，清潔節(jié)流孔。