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NXRJ-CZ8520单晶炉M-ADCPID凑调说明书单晶炉在拉制单晶棒期间直径的波动度、均匀度,尤其是波动度与其控制系统有着密切的关系,好的PID参数就可以拉制出完美的表面光洁度单晶棒。所以控制拉速PID参数在单晶炉设备中起着十分重要的作用。某台确定的单晶炉设备的均匀度主要由其内部的温度与拉速决定,而热场的参数一旦设计完成就是确定的值。但是要达到均匀度指标首先必须保证拉速在恒定状态,即波动度必须达到要求,所以单晶炉设备的使用操作者或者维修人员在使用或调试某台单晶炉设备时首先必须对控制系统中的PID控制器参数进行调整。我公司大部分单晶炉设备中的PID控制器都是采用由日本进口的三菱PLC控制,例如:Q06HCPU等。长期实践证明,这种PLC是可靠的精度高的产品,尤其是这些控制器的PID算法,具有简单、适用面广等特点。尽管如此,这些通用型PID控制参数在实际运用中仍然需要一些按现场需要进行调节参数,尤其是针对单晶棒直径控制精度高的要求,常常使操作人员感到困难。其难点就在于PID控制器参数的整定上,一方面人们希望系统不但能正常运行,而且还具有较高的控制精度,尽可能短的调试时间。另一方面控制参数的整定又主要依赖于熟练操作人员或调试人员的已有经验。虽然目前我公司出厂都具有标准参数,但标准参数毕竟是一种通用参数,适用面很广的算法,对于热场的不一致控制场合,自带参数往往不能达到要求,这一点在所有的单晶炉设备上的都需要根据现场情况进行调节。因此设备操作人员和调试人员掌握基本的PID参数整定方法是必须的。2控制器中的PID算法的基本原理从经典的数字PID控制器开始,现今的PID算法已经变得非常复杂、形式多样。作为操作和调试人员并不需要知道PID算法的各个具体过程,但却应该了解PID这三个参数在控制过程中的含义和所起的作用,从而做到有方向性的设置PID参数。无论某个控制器内部的PID算法怎样复杂,它面向操作者的仍是如框图1所示的线性调节器。图1PID控制器把设定值W与实际采样值Y相减,得到控制偏差e,e的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量u去对对象进行控制。2.1比例调节如果在图1的控制框图中只考虑P参数,那么PID调节器就是一种简单的比例调节器,如图2。图2其数学模型为:U=Ke+Uo(1-l)式中K为比例系数,Uo为控制常量,即误差为0时的输出量,从式(1-l)中可知比例调节器对误差e是即时响应的,误差一旦产生,调节器立即产生控制输出量,使被控的过程变量Y向减小误差的方向变化。由图3可以看到系统在to时刻产生了误差e’,此时比例调节器立即产生一个输出量U’,即U’=Ke’+Uo。图3一般来说比例调节器能使误差减小,但不能使误差减到0,即有残存的误差。当比例系数过大时,U=Ke+Uo中Ke项在e为正时变得很大,在e为负时变得很小,这样导致系统不稳定,产生振荡。2.2比例积分调节器如果在比例调节器中加上积分调节就构成了比例积分调节器如图4。图4其数学模型为U=K(e+1/Ti∫toedt)+Uo(2-1),其中Ti为积分常数。图5为比例积分调节器对误差e的阶跃响应图,由图中可以看到在to时刻系统产生了一个误差e’。此时比例积分调节器所产生的输出不单单是比例调节器所产生的输出,还要叠加上积分器所产生的输出。由图还可看到,在to时刻误差e不变但积分器的输出还在增大。从式(2-1)积分项1/Ti∫toedt中可以看到积分项的大小取决于对误差累积的结果,因此积分器能够消除残存的误差,相当于能自动调节控制常量Uo使系统趋于稳定。2.3比例积分微分调节器比例积分调节器中加上微分调节器就构成了图1所示的比例积分微分调节器。其数学模型为:U=K(e+l/Ti∫toedt+Tddedt+Uo(3-1),其中Td为微分常数。图5图6是PID调节器对误差的阶跃响应图,由图可看到在误差e阶跃变化的瞬间to处有一冲击式瞬间响应,这就是由(3-1)式中的微分项产生的。Tddedt是求e的变化率,e变化越大,Tddedt越大。当e为常数时,此项为0,所以微分项是阻止误差的变化,缩短了调整时间,使系统的动态性能变好。图6综上所述,我们对于PID参数大致可以有这样一个粗略的概念:P参数的作用对误差是即时响应的,类似于我们用开关量来进行输出控制,P参数的作用越大(注:并不一定是P值越大)相当于开关闭合的时间越长一样。显然P参数作用太强会产生超调,引起系统上下振荡。I参数的作用对误差并不是立刻响应的,而是随着时间累积起来的,误差存在的时间越长,输出量也会越大,所以它适合消除最后的残存误差。D参数的作用是为了阻止误差的变化,尤其是误差的快速变化。拉晶设备由于其内部结构的关系,尤其是等径初始状态时，控制器都有一定的滞后性。一般应适当的加入微分环节以加快系统响应,减小超调量,增强系统的稳定性。起始拉晶段过程,D参数的作用就不能太强,这样可以避免由于拉速瞬间冲击带来的不良反应。3正确凑试PID参数当我们有了PID参数的基本概念和它在控制过程中的影响趋势,就可以正确的、有方向性的整定PID参数。就象前述所指出的那样,目前我公司使用的控制系统一般都带有标准参数值,操作和调试人员在第一次使用设备时可直接采用标准参数,若系统在标准参数能够达到稳定性指标,就不必再进行繁琐的人工整定。但如果标准参数不能达到所要求的稳定性指标,或者指标非常临界,或者调试人员认为此系统稳定性指标可以确定在更佳的层次上,那么我们可以采用先比例、后积分、再微分的步骤来最终整定出PID参数值。3.1先比例首先整定比例部分,此时应将I和D的作用减至为可忽略。将比例作用由小变大,观察相应的系统响应,直至得到系统反应快、而超调量尽可能小的P参数值。一般来说,在单晶炉设备里单单用比例调节器很难将直径波动度控制在±0.2以内。也就是说系统总存在一点静差即残存的误差。“先比例”这一步只要求尽可能将此静差减小。3.2后积分在进行第一步P参数整定后,就可加入积分环节,整定时,首先设置一个较小的积分作用,并将第一步所获取的比例P参数的作用略为减小。(比如减小80%),然后再增大积分作用,反复调整直至系统中的静差被控制在指标以内。3.3再微分如果经过上述步骤后,波动度已达到要求,但系统动态过程较差,例如第一次恒定过程中过冲较大,过渡过程时间太长等,此时就应加入微分环节。在整定时先设置微分作用为0,逐步增大D作用,同时相应地减小比例P作用和积分I作用,如此逐步凑试,从而获取最佳的PID参数。操作和调试人员应该明白一点,比例、积分、微分三部分作用是相互影响的,所以在整定中参数的选定并不是唯一的,也就是说同样两组不同的PID参数,都有可能达到系统的波动度要求。不同的厂家生产的控制仪表所采用的PID算法和PID参数值的确定可能会有不同,但其整定规律却是一致的,即:一般为P值越小,作用越大;I值越小,作用越大;D值越大,作用越大。先比例、后积分、再微分的凑试方法确定PID参数并不是唯一的,也不是最佳的方法。大多数情况下并不需要从头做一遍先比例、后积分、再微分的凑试过程,而只是在原有的PID参数上对某个参数调整一下就能达到要求。所以理解PID参数的基本概念和它的影响趋势,从而熟练地将所使用设备调试在最佳状态,这对于每个操作人员尤其是设备调试人员是必需掌握的基本技能。P是比例环节！也就是调幅值，快速但有残差！因此需要加入积分环节I，积分环节无残差，但是振荡剧烈，振幅大，使系统不稳定！加入微分环节D后可以有效的降低振荡，使系统稳定！1.PID常用口诀:A.参数整定找最佳，从小到大顺序查;先是比例后积分，最后再把微分加;B.曲线振荡很频繁，比例度盘要放大;C.曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳;D.曲线偏离回复慢，积分时间往下降;E.曲线波动周期长，积分时间再加长;F.曲线振荡频率快，先把微分降下来;G.动差大来波动慢，微分时间应加长;H.理想曲线两个波，前高后低4比1;直径表面波动频繁时，把比例放大 直径表面波动大时，把比例放小 2.一看二调多分析，调节质量不会低3.PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照：温度T:P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s压力P:P=30~70%,T=24~180s,液位L:P=20~80%,T=60~300s,流量L:P=40~100%,T=6~60s。3.PID控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。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。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。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。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。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（SystemwithSteady-stateError）。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，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。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。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，而目前需要增加的是“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。附：推荐PID调节方法：P参数设置如不能肯定比例调节系数P应为多少，请把P参数先设置大些,如数值150(1.5%），以避免开机出现超调和振荡，运行后视响应情况再逐步调小，以加强比例作用的效果，提高系统响应的快速性，以既能快速响应，又不出现超调或振荡为最佳。I参数设置如不能肯定积分时间参数I应为多少，请先把I参数设置大些（如1800秒），(I3600时，积分作用去除)系统投运后先把P参数调好，尔后再把I参数逐步往小调，观察系统响应，以系统能快速消除静差进入稳态，而不出现超调振荡为最佳。D参数设置如不能肯定微分时间参数D应为多少，请先把D参数设置为O，即去除微分作用，系统投运后先调好P参数和I参数，P、I确定后,再逐步增加D参数,加微分作用，以改善系统响应的快速性，以系统不出现振荡为最佳，（多数系统可不加微分作用）。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。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。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。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（SystemwithStea