工业应用中0.1%超高精度PID控制器中实现及其关键指标分析检测方案(真空计)

‍‍‍工业应用中0.1%超高精度PID控制器的实现及其关键指标分析‍‍‍‍Realization of 0.1% Ultra-high Precision PID Controller in Industry and Analysis of Its KeyParameters‍‍摘要：本文主要针对在工业应用中使用的集成式PID控制器仪表，从工程实际应用角度，介绍实现优于0.1%的超高精度控制以及所涉及的几项关键技术指标，以此来帮助超高精度PID控制器的选型和工业应用中实现超高精度的工艺过程控制。~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~‍‍一、背景介绍‍‍‍在工业领域中，往往会需要对温度、真空压力和流量等工艺参数进行超高精度的控制。工业领域中的控制精度划分为高精度（1%）和超高精度（0.1%），而在高等级实验室和计量校准中往往会需要比0.05%更高的控制精度。对于一个完整的PID控制系统，典型的控制回路是一个闭环形式，如图1所示。图1 典型闭环形式PID控制系统结构及其PID控制器结构示意图如图1所示，在闭环形式的PID控制系统中，传感器和执行器基本都是外置形式，可根据不同的控制参量和精度要求进行选配。在工业应用中，基本都要求PID控制器是独立的控制仪表，即工业用PID控制器基本都集成了如图1所示的模数转换器ADC、微控制器MCU、数模转换器DAC和显示器等部件，并设有连接外置传感器、执行器和通讯等功能的接口。从工业应用中集成式的PID控制器结构可以看出，PID控制器的控制精度主要由ADC、MCU和DAC的精度所决定。在一些更高精度的测控场合，如计量校准领域，为了进一步提高PID控制器的精度，一般会采用分立结构的PID控制系统，即将图1中PID控制器的模数转换器ADC、微控制器MCU、数模转换器DAC采用更高精度的专用仪器来代替，如模数转换器ADC采用六位半（甚至七位半）数字电压表来代替、微控制器MCU采用计算机或单片机来代替、数模转换器DAC采用六位半的数控源表来代替。尽管这样构件的PID控制系统可以有效的提高控制精度，但整体造价和体积都大幅度的提升，并不适合工业应用中的控制。本文主要针对在工业应用中使用的集成式PID控制器仪表，从工程应用角度介绍实现0.1%超高精度控制所涉及的几项关键技术指标，以此有助于工业应用中超高精度工艺控制过程的实现和PID控制器的选型。‍‍二、超高精度PID控制器中的关键技术指标分析‍‍从图1所示的PID控制器结构可以看出，构成PID控制器的核心部件是ADC、MCU和DAC三部分。为了实现PID控制器具有优于0.1%的超高精度控制，必须要求这三个部件达到相应的技术指标和功能要求，以分别实现高精度的测量、运算和控制功能。（1）测量精度PID控制器的测量精度，主要是指控制器对外置传感器输出信号的采集精度，即模数转换器ADC的转换精度。一般ADC的精度分为8位、12位、16位和24位等几个档次，位数越高，采集精度越高。因此，PID控制器测量精度的关键技术指标，就是此ADC位数。我们以PID控制器信号输入量程为0~10V的直流电压为例，图2列出了不同ADC位数所对应的最小可测电压。图2 不同ADC位数对应的最小可测电压值（mV）图3 不同电压值达到0.1%测量精度所需的ADC位数根据图2所示的不同ADC位数所具有的最小可测电压能力，可计算出针对不同传感器信号电压值要实现0.1%测量精度需要配备的ADC位数，如图3所示。另外，ADC位数的选择，可以根据实际控制的精度要求来确定，满足技术要求极可，毕竟AD位数越高，精度越高，但PID控制器仪表的价格越贵，且相应的采集速度也就越慢（一般而言，精度和速度是一对矛盾）。（2）控制精度PID控制器的控制精度，主要是指控制器对外部执行器的模拟量输出精度，即数模转换器DAC的转换精度。与ADC一样，一般DAC的精度分为8位、12位和16位等几个档次，位数越高，采集精度越高。由此，DAC的位数也是PID控制器的关键技术指标。同样，图2所示的不同ADC位数对应的最小可测电压值同样可以用来描述不同DAC位数所能输出的最小控制电压值。（3）浮点运算精度测试精度和控制精度涉及的是PID控制器硬件部分的精度，要真正保证PID控制器整体控制精度，还包括控制器所用的微处理器单元MCU的软件计算精度，即所谓的浮点运算精度。如PID控制器中的输出百分比，还是以图2所示为例，8位浮点运算时的最小输出百分比为1%，10位和12位浮点运算的最小输出百分比为0.1%，如果要实现总的控制精度优于0.1%，势必要求采用14位和16位的浮点运算使得最小输出百分比为0.01%。也就是说，浮点运算位数越多，输出百分比越小，控制输出量越精细，相应的控制精度就越高。‍‍三、压力控制案例分析‍‍下面我们以一个压力控制案例来演示DAC控制精度对控制效果的影响。在此案例中，我们的实验目的是精密控制0~6bar（表压）范围内的压力，实现0.1%的控制精度。整个实验装置的结构如图4所示。图4 超高精度压力控制考核实验装置结构示意图为了实现0.1%的压力控制精度，我们在图4所示的压力控制实验装置中进行了以下配备：（1）压力传感器：精度0.05%，量程为绝压0.1~1MPa，对应电压输出为0~10V。（2）电气比例阀：精度0.25%，量程为绝压0.1~1MPa，控制电压为0~10V。（3）PID控制器：ADC为24位，DAC为12位，ADC量程为0~10V，DAC量程为0~10V。（4）多通道数据采集器：安捷伦34972A，五位半/六位半采集。基于以上配置，在图4所示的实验装置上对0.26、0.3、0.35和0.4 MPa的四个压力设定点进行了恒定控制试验。在进行PID自整定后，得到以上各个压力设定点下的控制试验曲线，如图5所示。图5 四个压力设定点的恒定控制试验曲线为了对控制精度的影响因素有直观的了解，采用高精度的34972A多通道数据采集器分别对PID控制器的ADC测量端和DAC控制端进行测量，以直观了解控制压力和控制信号的微小变化及其波动性。为了直观了解四个压力设定点下的压力控制精度，对图5所示的测量曲线进行局部放大，四个压力控制点处的放大结果如图6所示。图6 四个压力恒定控制和控制电压波动变化试验结果从上述短时间考核试验结果，可以发现以下现象：（1）在全量程范围内，压力恒定控制的波动性完全可以控制在±0.2%以内，但要将波动性控制在0.1%以内则非常勉强。（2）在大部分控制时间内，压力恒定波动性总是大于0.1%的主要原因是PID控制器12位DAC的控制精度还是偏低。在压力稳定后，PID控制器的输出百分比基本也趋于恒定，其恒定后的变化量为0.1%。而此0.1%的恒定控制输出百分比的变化量，对应不同控制压力点时呈现出的控制电压变化量为2~5mV。‍‍四、结论‍‍通过上述分析和压力控制案例的实验验证，工业用集成式PID控制器仪表要实现0.1%的控制精度，需要满足以下几方面的技术指标：（1）外置传感器要有0.1%以上的超高精度。（2）外置执行器也需要具有较高的精度，但不一定要求达到0.1%的超高精度。（3）PID控制器的ADC位数至少需要达到16位，最佳是24位。（4）PID控制器的浮点运算要保证输出百分比具有0.01%~0.05%的调节能力。（5）PID控制器的DAC位数至少需要达到14位，最佳是16位。~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~