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PID的类型与选项

Hans Heinz,Control Engineering Europe2003.11.18阅读 5577

  以软件为基础的PID控制可以更多的方式达到平衡,因而,许多供应商采用此技术。
  多年以来,PID控制器几乎没有什么改变,基本保持40年代最初推出时的结构。原因是,这几十年来,它的功能都体现在硬件上——气动、电气或电子控制器,而且,PID控制器在算法上不容易更改。
  随着软件为基础数字控制器的推出,这一情况彻底改观,现在出现了各种各样不同类型的PID控制器。
  但是,它们真的能让我们受益非浅吗? 还是,只是个说服我们去买DCS或是其他控制器的小花招呢。

  PID不再一样
  PID是运用最广的控制器算法,在过程控制中最常见。当我们说“PID控制器”时,我们得明白它其实包含了3个概念:比例、积分和微分控制。
  早期,一些不同的供应商提供完全不同的类型,如相互作用和不相互作用的PID。但是只要控制器的性能是体现在硬件上的,生产不同类型的PID控制器就显得麻烦而昂贵了。
  数字式控制器和系统的出现突破了这一限制,它用软件来实现控制功能,以公式形式表示,修改方便且成本低廉。
  因此,现在大部分DCS系统都采用几种不同的PID,或者至少能设置选项改变PID特性。

  3种形式PID
  如今,控制
系统中有许多不同类型的PID控制工程网版权所有,在特性上它们大相径庭。有时使用它们的几率却也不高。那么,是这些PID形式用处不大,还是使用者不明白其中的使用价值呢?
  DCS说明书总是提到一些特殊的PID形式,却从不给出诸如是什么,以及如何使用等问题的充分的资料。供应商的培训课程也是如此。
  下面一起来看一下以下3种PID形式或选项,看看它们能带给我们些什么:
  --选择比例作用
  --Smith预估
  --非线形差方PID

  (1)基于误差或过程变量的比例作用
  比例控制中,与给定值和测量值或过程变量(PV)之间的误差成比例关系。
  此类控制的一个典型特点是所谓的比例反弹(proportional kick,P-kick),它是由阶跃误差引起的控制器输出中的阶跃变化。P-kick可加速环路中的响应,因而,在允许范围内尽可能地加强它。当然,一旦过量,环路也会很快不稳定。
  给定值的改变一般是个阶跃变化。然而,当扰动影响了控制过程,过程变量和误差就逐渐改变CONTROL ENGINEERING China版权所有,不再是阶跃变化。因而,形不成P-kick,控制器的响应缓慢。
  为补偿系统,可加强比例作用,控制器对扰动的响应会改善。但如果不稳定,给定值改变,就至少会产生一个超调量。
  很长一段时间以来,人们尝试很多方法以解决这个问题。如,内部过滤给定值。然而一个简单而有效的方法是使比例控制器只对PV响应,而非误差。
  换句话说,有了这一选项,控制器能被很好的设置和调整,可处理给定值改变和扰动的问题。充分利用这一特性,就需要一个能涉及以上两方面的调整工具。

  (2)Smith预估
  虽然PID在过程控制中适用范围很广,但它要解决积分控制器(I-controller)中所固有的死区时间(deadtime)的问题。
  1957年CONTROL ENGINEERING China版权所有,O.J.M. Smith提出一种方案,能完全解决这一问题。简单地说,他提出以过程动态模型的输出作为PID输入信号。此模型被描述成过程的短暂行为,就像不存在死区(deadtime)一样。这样,PID可进行很好地调整,并保持稳定。虽然看起来这是一种迂回的方法,但却证明有效。
  如今,以预测控制器为基础的易于使用的模型(MBPC)被广泛的使用。但当Smith预估和前馈控制合并时,有时也会产生问题。

  (3)非线形差方(error squared)PID
  PID原形公式中,在输入和输出间设定一个线形关系,这就意味着控制工程网版权所有,不管过程与给定值的相对位置在什么怎样,响应过程变化的控制作用总是一样的。
  最典型的例子是液位控制。这里不再需要使PV严格地保持在给定值上,可以在一定范围内浮动。因此,不需使控制器对任何小的偏离都强烈作用。事实上,在允许的的范围内,不需要它做出响应,因为这可避免后部控制的不必要扰动。只有在扰动过大时,控制器才动作CONTROL ENGINEERING China版权所有,进行控制。这种特性是非线形或差方(error squared)PID控制器所特有的。
  非线形控制器的缺点是调整不太方便,但配置合适的工具,如TOPAS(www.act-control.com),用户指定扰动允许范围,就可解决这个问题。

  小结
  看了以上3种控制系统中使用的PID形式,其中两种优点明显,且使用方便,尤其是Smith预估法。对操作性能的要求日益提高,能提高控制器性能的简单而有效的方法就不容忽视。在选择或订购新DCS时,这些是检查PID特性、类型和功能的有效方法。





































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