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PID回路整定的两种方法:闭环整定和开环整定

作者:Benjamin Langton2024.02.19阅读 2107

 
图片来源:Interstates
  了解比例-积分-微分(PID)控制原理以及闭环、开环和级联回路所涉及的参数设定非常重要。
  整定控制回路是一项由相对简单的控制法则驱动的复杂活动。目标是协调一个或多个参数,以实现在特性边界范围内稳定的过程。本文是关于整定比例-积分-微分(PID)控制回路过程的入门介绍。
  PID控制基于反馈。测量设备或过程的输出,并将其与目标或设定值进行比较。如果检测到差异www.cechina.cn,则计算并实施校正。再次测量输出,并重新计算任何必要的校正。
  并不是每个控制器都使用PID中的所有三个数学函数。许多过程都可以通过比例-积分项处理到可接受的水平。然而,精细控制,尤其是避免超调CONTROL ENGINEERING China版权所有,需要增加微分控制。
  在比例控制中,校正系数由设定值和测量值之间的差值大小决定。问题是,当差值接近零时,校正也会接近与零,结果是差值永远不会变为零。
  积分函数通过考虑累积偏差来解决这个问题。设定值与实际值之间的差异持续的时间越长www.cechina.cn,计算的校正系数就越大。然而,当对校正的响应存在延迟时,这会导致超调,并可能围绕设定值振荡。避免这种结果就需要微分函数,它着眼于所实现的变化率,随着接近设定值,逐步修改校正因子以减少其影响。
  即使设备基本相同,每个过程都有其独特的性质。例如,烤箱周围的气流会变化,环境温度会改变流体密度和粘度,大气压也会随时间而变化。必须选择PID设置(主要是应用于校正因子的增益以及积分和微分计算中使用的时间,被称为“重置”和“速率”)以适应这些局部差异。
  将过程分为下面四类可能是有益的:
  ■ 快速回路,如流量和压力;
  ■ 慢速回路,如温度;
  ■ 积分过程,如液位和绝缘温度;
  ■ 嘈杂回路,测量值不断变化。
  01  闭环整定过程
  调整闭环回路的第一步是了解这个过程。识别需要调整的回路,并确定回路的速度。如果回路的响应时间从小于1秒到大约10秒,就是快速回路,使用PI控制器就足够了。如果回路的响应时间为几秒至30秒,可选择PI或PID控制器。对于响应时间超过30秒的慢速回路www.cechina.cn,建议使用PID控制器。
  第二步是了解控制器。比例项可以是比例增益或比例带。积分项可以是时间常数、重置速率或积分增益(重置速率乘以比例增益)。微分项可以是时间常数或微分增益(微分时间常数乘以比例增益)。在本文中,假定比例增益、积分重置率和微分增益。
  最后一步是观察响应。首先小幅度改变设定值(小于5%),或者等待过程中出现干扰。然后观察过程变量和控制输出响应。
  ■ 如果控制输出没有瞬时变化或没有明显的超调,则将比例增益增加50%。
  ■ 如果过程变量不稳定或持续振荡,超调大于25%,则将比例增益降低50%,将积分重置率降低50%。
  ■ 如果过程变量振荡持续存在可容忍的超调,则将比例增益降低20%,将积分重置率降低50%。
  ■ 如果设定值变化时出现三个或三个以上连续峰值,则将积分重置率降低30%,并将微分增益增加50%。
  ■ 如果在改变设定值或扰动开始后,过程变量在设定值附近保持相对平稳很长一段时间,则将积分重置率提高100%。
  ■ 重复上述步骤,直到闭环响应令人满意。

▲图:非积分过程模型。图片来源:ControlSoft
  02  开环整定过程
  类似于闭环过程,从了解过程和控制器开始。对于非积分回路请使用以下过程:
  ■ 将回路置于手动控制模式,保持控制输出恒定,等待过程稳定。
  ■ 在控制输出上做一个小的阶跃变化(小于10%),并观察响应。
  ■ 评估过程模型,其中:
  – 模型增益等于过程变量除以控制输出变化。
  – 死区时间等于控制输出变化与过程变量可观察变化之间的时间间隔。
  – 时间常数等于过程变量达到总变化量的63%所需的时间。
  ■ 选择初始PID值,如:
  – P等于2除以模型增益。
  – I等于死区时间加上时间常数。
  – D等于死区时间除以3或时间常数除以6。
  ■ 这些初始PID值应提供合理的闭环响应。使用闭环整定方法对控制器进行微调。
  对于级联控制应用,例如由蒸汽阀加热的储罐,调整程序从内回路开始,然后是外回路。由于内回路动态特性与外部回路交互作用,一次只调整一个回路。
  ■ 将外回路置于手动模式。
  ■ 对内回路进行闭环整定程序,然后将内回路置于自动状态。
  ■ 等待外回路稳定下来。
  ■ 在外回路上执行闭环整定程序。
  PID控制器通常用于工业中的自动过程控制,以整定流量、温度、压力、液位和其它过程变量。比例和积分控制器对于大多数控制回路是必不可少的;微分模式经常用于运动控制。温度控制通常使用所有三种控制模式。
  关键概念:
  ■ PID回路调整有多种形式,工程师必须了解应用需要哪种回路整定CONTROL ENGINEERING China版权所有,以及确保提供准确测量所需的参数。
  ■ 了解闭环和开环整定过程之间的区别,以及它们最适合的领域。
  思考一下:
  在您的设施中,PID整定扮演什么角色?
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