关于2020西门子杯工业自动化线上赛总结（初赛过程控制篇）

初赛赛程回顾
PID控制器
三个基本实验
液位+温度？PID调参从入门到放弃
总结与感想

初赛赛程回顾

本来的确不想回顾这个比赛的，自己第一次个人独立参加西门子杯，今年由于疫情比赛采用了全线上比
赛的形式，前前后后也折腾了将近一个月，最后8月12日的初赛发挥得实在是羞愧不已。

资格赛的电梯仿真做的还不错，虽然当时出现了刁民反复横跳事件，但载重大家都扣分了，排名在资格赛晋级队伍里还算不错；但我对过程控制处于一片空白，资格赛后就是漫漫调试阶段，虽然线上赛实际降低了难度，但控制的过程还是碰到了各种各样的障碍，在办公室实习没事的时候就是没完没了的优化参数，摸索开车方式。

每次从遇到瓶颈、一筹莫展，甚至跑负分，到最后和老师交流、自己反复调试到90+分，都是一个个消灭包袱的过程。

比赛当日的赛题就是将之前发布的各实验糅合在一起，老实说结果就是我在比赛流程的安排上犯了错，导致工程二没跑完没有成绩，最终拿了不理想的奖。虽然十分沮丧，但我知道我在这次比赛收获了很多，总结如下，也算是对自己付出的另一种挽留，也欢迎和有经验的童鞋交流学习。

PID控制器

讲真整个比赛的核心就是PID控制，这也是模拟了当今工业自动化领域的实用场景。参加完这个比赛，我对PID控制的理解有了更为实际和通俗的理解。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的；想起很久之前在网站上偶然看到PID就像是现在、过去、未来，如今琢磨的确如此。

比例（P)控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系,即：
u=Kceu=K_ce u=Kce
比例调节是有差调节，余差会随着比例增益的增大而减小，但不能消除余差。用现在来解释就是说当下只要存在误差，比例调节就起作用，就会不断随比例去接近目标值。

积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
du/dt=Kiedu/dt=K_ie du/dt=Kie
u=Ki∫0tedtu=K_i\int_0^tedt u=Ki∫0tedt
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差

系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对

误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间

的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到接近于零。用过去来解释就

是说随着时间过去的误差会一直积累，积分则是致力于稳态误差的减小。

微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

u=Kd(de/dt)u=Kd(de/dt) u=Kd(de/dt)
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件

（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是

使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器

中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而需要增加的是“微分项”，它能预

测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为

负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器

能改善系统在调节过程中的动态特性。用未来来解释就是说微分有预判趋势、超前抑制误差的作

用，就像物理中加速度一样的存在。

三个基本实验

整个初赛实际上就是围绕物料生产的流量、浓度、温度、液位高低等一系列生产要素的自动控制展开的。前期的三个大实验也是最终比赛的基础，分别是：

1. 单回路控制系统

2. 串级控制系统

3. 比值控制

1. 单回路控制系统

单回路正如其名，一个控制器，是最简单的控制系统。首先，我们先介绍一下控制回路的基本组成：

（1）被控对象：被控对象是生产装置上的相关设备。如储水槽液位自动控制中为储水槽。

（2）检测装置：可以是各种液位传感器或液位变送器。

（3）控制器：控制器可以是智能控制器，集散系统（DCS）等具体设备，也可以是计算机中的一
个虚拟控制器。

（4）执行器：这里是一个自动控制阀。自动控制阀是根据作用其上的信号大小来改变流通能力的
阀门。

（5）各个部分之间的连线：这些连线表示的是各个部分之间的信息联系。

在三级液位仿真系统里L代表液位，F代表流量，I代表显示，V代表阀门。如FI101代表储罐的进/出口流量，是检测级；FV101代表调节阀，是执行机构。

整个三级液位仿真的工艺流程见下图：

第一个大实验包含两个内容，一是液位单回路控制系统实验，二是流量单回路控制系统实验，都很基础但是过控比赛的基本技能。

液位单回路

要求：1.实现储罐 V101 的液位系统的开车与液位单回路控制，时间为 15 分钟。结束时，液位控制在30%（允许上下 2%之内的波动），且稳定保持 180 秒以上。同时，开车过程中，液位上升到 25%后，到稳定后的时间不能大于 300 秒，且在 25%~35%之间波动，不能超限。稳态分值 80 分，调节时间 10 分，最大偏差 10 分。
　　　2. 开车开始后，液位大于 15%以后，液位不能超过 90%，不能低于 5%。否则将扣分。

控制要求实现 V101 的液位稳定，需要选择操作变量，对储罐液位最主要的影响就是储
罐入口流量和储罐出口流量，很容易组好态：

手动开车给阀门较大的流量，待接近期望值时（如27%）给控制回路投自动，则液位会逐渐趋于平稳。当然，这个过程里关键就是PID调参，参数好从投自动就可以迅速接近期望值并相对保持平稳。

初学的时候为了体会P,I,D各自的作用可以逐个添加他们的值，从纯比例开始慢慢给积分（、微分），可以体会积分消除余差（微分预判）的作用：

流量单回路

要求：实现工艺水（FT101 所在管线）的进料流量单回路控制，时间为 5 分钟。结束时，流量
FI101 控制在 1.2 kg/s（允许上下 0.1kg/s 之内的波动），且稳定保持 180 秒以上。分值 100
分。

和液位控制其实异曲同工，只是个人觉得摸索最佳PID参数的过程要比液位更细致一些，这从大后期复杂综合生产过控中也能感觉到。这里回顾一下4:1衰减曲线法：

在系统闭环情况下，将控制器积分时间Ti放在最大，微分时间TD放置为0 ，比例KC放于适当数值。然后使KC由大往小逐渐改变，并在每改变一次KC值时，通过改变给定值给系统施加一阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。
如果衰减比大于4：1， KC应继续减小，当衰减比小于4：1时KC应增大，直至过渡过程呈现4：1衰减时为止。4：1衰减振荡时的比例KC以及Ti、Td如下表所示：

总之多少次的调试都是为了最好的参数服务！

2. 串级控制系统

串级控制系统相对于单回路控制最本质的就是多了副回路。

当干扰作用于副环时，在还没影响到主被控变量之前，副控制器首先进行调整，相当于先进行“预调整”，

如果主被控变量还会受影响(不过这种影响比没有副控制器采取抑制措施要小得多)，那么将再由主控制器

进行“细调整”。由于对进入副环的干扰做了两级控制调整施，显然控制质量要比单回路控制系统的控制质

量要好。

干扰作用于主环，由于副回路的存在，使等效副对象的时间常数缩小了，被控对象对控制作用的反应变

得比较敏捷，因此控制质量也会比单回路控制系统高。

我们把液位调节器作为主调节器，流量调节器为副。开车方法依然是前期手动“灌水”，后期投自动投串

级，练习了多次之后大概对这类PID参数范围就有了感觉。

tips:需要注意的就是根据题意设置ＰＶ上限，还有关于控制器投正or反作用采取假设法，举一个简单的

例子，对于液位控制器，对于其输入阀，当当前值越来越大，假设是正作用的话则一直保持此趋势，结

果一定是离设定值SP越来越远，因此是反作用；同理可知对于输出阀则是正作用。

3. 比值控制

实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。由于过程工业中大部分物

料都是以流体形态在密闭管道、容器中进行能量传递与物质交换的，所以比值控制系统一般是指流量比

值控制系统。比值控制系统就是要实现副流量F2与主流量Fl成一定比值关系，满足如下关系式：

K＝F2/F1

式中K为副流量与主流量的流量比值。

大致要求：1. 实现双容液位系统开车、液位串级控制以及流量比值控制，时间为 25分钟。通过 V101 入口流量阀门 FV101 实现 V101 的液位串级控制。
　　　　2. 实现 V101 出口流量（FT104）与 V102 入口流量(FT102)的双闭环比值控制，要求1:1。其中 FT102 的控制回路为主，FT104 的控制回路为副。即 FT104 流量随 FT102流量变化而变化。
　　　3. 结束时，V101 液位控制在 35%（允许上下 1%之内的波动），且稳定保持 180 秒以上，分值 10 分。V101 出口流量（FT104）控制在 1.0 kg/s（允许上下 0.1kg 之内的波动），且稳定保持 180 秒以上，分值 30 分。V102 入口流量(FT102) 控制在 1.0kg/s（允许上下 0.1kg 之内的波动），且稳定保持 180 秒以上，分值 30 分。
　　　4. 时间到达 15 分钟时（900 秒），改变 V102 入口管线（FV102 所在管线）的输入压力，由 150000pa 增加至 200000pa，考查控制系统抗扰动的能力。

完成比值控制的基本操作就是加上一个数学模块乘法器，完成１:１的要求。

这三个实验虽然调试起来不难，但是操作熟练才能应对后面综合实验得心应手。

液位+温度？PID调参从入门到放弃

真正觉得有点棘手的实验是从三容液位+比值+扰动实验开始的，各个参数一下子汇集起来，三个容器都要求液位、各阀门也要求流量，很多参数需要实操修改到满意数值，对开车的技巧也有了一定要求。

直接上比赛前两个样题，更加接近实际工业生产。

1. 样题一：为下游工段提供摩尔分数 15%的甲醇/水混合溶液

从指定的甲醇摩尔分数可以看出，我们必须要能严格把控工艺水流量和甲醇流量，那么这个就要利用比

值控制，计算参照所给公示：

组态时注意用AI101即摩尔分数去控制工艺水阀门（FV102）开度，但一定注意正作用！！开车方法总是自己摸索着来，先将FI101和FI102都开到80%附近， AI101100会逐渐向着15%靠近，等罐1积累一会，给1投自动30，AI101投15自动，罐子2投自动30。

在这个实验里，参数的选择就尤其有其尤其重要，在尝试的基础上实践才是高分之母。。。
而且后面调着发现比值这个地方假如不按照公式计算所得，相应调整比值和摩尔分数15%，分数还可能跑的更高。。。在98左右
不过说回来，这个点也是我觉得后面比赛时候心痛的点，就是比值的选择，能尽快在复杂工序里得到要求的浓度。

样题2：为下游工段提供 35℃甲醇溶液

原料甲醇自界区输送到换热器 E101 进行预热，由 FI101 测量甲醇流量，由调节阀 FV101 控制甲醇流

量，界区会偶有扰动；进入到换热器 E101 的甲醇由锅炉水加热到一定温度指标后，送入下游工段，换

热后的甲醇由 TT101 测量温度；锅炉水由 FT102 测量流量，由调节阀 FV102 控制锅炉水流量。

对温度实现精确的控制是比较难的，因为换热过程比较慢，其时间常数比较大，容量滞后严重。

针对滞后的特点，那么之前稍被忽略的微分就一定要用好！！！

而且采用单回路控制系统对反应器进行控制的方案，难以达到生产要求，特别是反应温度控制精度要求高的时候更是如此。如果能够采取技术手段稳定夹套温度或者使夹套温度波动很小，这将对提高控制精度是非常有益的。

我查找到过控书上推荐的PID调参如图所示：

但其实。。还是那句话，一切以实际调参为准，TIC101的PID参数真的非常令人头疼，参数选的好不好结果其实天差地别，这个反复调试的过程是枯燥而煎熬的。

But！
后来我通过观察发现事实上当这个温度系统趋于平衡的时候FI102实际上也是趋于稳定的，这个数值是可观察记录的。这也算一种建立在试剂调试基础上的捷径吧，于是我就加了一条副环回路，这种不正经的串级控制组态确实帮助我很大，能够相对快速稳定温度。

先把FI101投1.5自动，打开FI102阀门50%，跑到差不多1.5稳定了，将其投0.36自动。因为温度的滞后性，待温度在23-24度即可将TIC101投35度自动。

对温度的控制也是那几天我最烦躁的事情，不留神可能就会超限，最后看着负分变成了99分也是觉得有些安慰的。

总结与感想

西门子的比赛其实就和工业自动化现实的比赛贴近很大了，在整个过程中，也加深了我对生产工艺的了解；
PID在自动化控制中应用广泛，但其实只有自己真正去调试，才能感受到每个参数不一样的影响以及对于不同对象参数最合适的范围究竟怎样，还是那句话，实践是检验真理的唯一标准；
真的是非常感谢我的指导老师初赛耐心给我解答，特别感动；
无论作为电院之子还是作为自控人都永远是枚菜鸡，要学的东西永远很多，不管对错，肝就完了。
谨以此作为小白的第一篇博客~

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