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图片来源：1024Robot
用于调节PID控制器的方法和规则取决于过程类型。在选择调节方法之前，您必须识别不同过程类型的特点。
过程响应有无数种，因此用只有三个调节参数的算法来控制所有可能的过程响应，看起来似乎是不可能的。不过，这是真的。在大多数应用中，使用比例-积分-微分（PID）控制器可以处理绝大多数过程。
PID控制器的调节方式，取决于过程响应的类型；每类过程都需要不同的调节规则和过程。需要正确识别和分类过程响应，以采取最有效的方法来调节PID控制器。
01 过程响应的四个类型
一般来说，过程响应可分为四大类：自限型、积分型、指数型和复合型。
每种类型的反应都根据其内部反馈的数量和类型进行分类。前三种分别是具有内部负反馈、内部无反馈和内部正反馈的过程。这三种类型通常都可以用PID控制器来进行控制。复合类型包括任何具有多个内部反馈的过程。用PID控制器控制复杂的过程，并不是任何情况都可行。
以下分别讨论前三种过程响应，包括任何相关的子类别。有必要识别出每种过程响应，因为用于调节PID控制器的程序因类型而异。
02 自限型过程响应
如其名所示，自限型过程响应（图1）在控制器输出改变后，最终会达到一个新的稳定状态。这种行为存在于任何具有内部负反馈的过程中。应用案例包括流量（压降随流量增加）和大多数温度（热损失随温度升高而增加）过程，以及更多的自限型过程。在自限型响应领域中www.cechina.cn，有三个子类别：
■ 滞后占主导地位；
■ “适度”自限型过程；
■ 死区时间占主导地位。
在讨论主导过程响应之前www.cechina.cn，先了解一些相关定义：
■ 死区时间（Dt）：过程开始响应控制器输出变化之前的时间。
■ 滞后（T1）：过程达到最终（稳态）响应的63.2%的时间。
▲图1：在控制器输出变化后，自限型过程响应最终会达到新的稳定状态。
这种行为存在于任何具有内部负反馈的过程中。
在表征过程响应时，大多数过程会有多个滞后，但为了简单起见，通常将所有滞后都集中到一个滞后中；可以将该过程看作：一阶过程加死区时间（FOPDT）。图2的过程响应是滞后占主导地位的响应，其定义为：滞后时间超过死区时间的四倍：
T1 > 4 * Dt
▲图2：滞后占主导地位的自限型过程，其滞后时间超过死区时间的四倍。
图3是一个死区时间占主导地位的响应，其定义为：滞后小于死区时间四分之一的响应：
T1 < Dt / 4
▲图3：死区占主导地位的过程，其死区时间是滞后时间常数的4倍以上。
根据定义，“适度”的自限型过程既不是滞后主导的，也不是死区主导的（图4），它是介于二者之间：
Dt / 4 < T1 < 4 * Dt
▲图4：一个“适度”的自限型过程，具有大约相等的滞后和死区时间（比率在0.25和4之间）。
让我们总结一下这三种类型的特点，以便更好地了解过程反应：
■ 适度的自限型过程，可以从PID控制器所用的微分中受益。控制器增益大致与过程增益相反。
■ 滞后主导的过程可以实现较大的控制器增益，通常是过程增益倒数的几倍。不建议采取微分，因为这通常会对控制器的响应产生不利影响。
■ 死区主导的过程要求控制器增益小于过程增益的倒数。不建议采用微分，因为它总是对控制器的响应有害。
03 积分过程响应
积分响应是质量或能量平衡的过程特征。如果流出的液体与容器中的液体不匹配，容器将被填满或清空，直到溢出或干涸。从物理过程来讲，没有内部负反馈可以提供稳定性。这意味着积分过程必须受到控制。对自限型过程，自动控制可视为“可选”项。但对积分过程，自动控制则是必选项。
图5显示了积分器对输出流量变化的响应（液位）。
当输出流量增加时，液位持续下降，直到输出流量降低。然后，液位持续上升，直到输出流量上升到其初始值（以匹配输入流量）。所示的过程没有死区时间或任何过程滞后，但可能性是存在的，因此必须在控制器调节期间加以考虑。
▲图5：控制器输出变化的积分过程响应。
最后，滞后主导的自调节过程相当慢控制工程网版权所有，可以被视为“近积分器”。使用积分器的调节过程来调节近积分器，可以大大减少调节所花费的时间（因为不需要等待缓慢过程达到稳定状态）。
04 指数过程响应
呈现指数响应的过程，具有正内部反馈过程。我们通常将正内部反馈与放热反应联系起来。随着温度的升高，热量的产生也会增加，这会导致温度进一步升高，从而产生更多的热量，以此类推。如果不能积极控制这些过程CONTROL ENGINEERING China版权所有，将会带来灾难性结果，使人员和财产面临风险。因此，必须对指数过程进行自动控制。
图6显示了正反馈的固有危险。对（假想的）放热反应的冷却在3到5分钟内的减少1%，之后恢复到其原始值。最初，爬升率很小控制工程网版权所有，运行人员可能会错过该信息。最终，正反馈会导致反应呈指数级增长，进而失控。
▲图6：对控制器输出快速变化的指数过程响应，显示了正反馈的固有危险。
05 复杂过程的响应
对于复杂过程的响应，其形状几乎可以是任何形式。如果PID控制器的响应与任何其它类型的过程大致相同，则可以用PID控制器来控制复杂过程（并调节控制器）。
当整个过程具有内部质量或能量循环时，会出现复杂的过程响应。蒸馏塔、进料/产品热交换网络和反应物循环流将在温度、压力、液位和成分控制方面产生复杂的过程响应。
如果一个复杂过程不能由普通的PID控制器控制，通常可以使用先进的PID功能或添加前馈/解耦器来管理过程各部分之间的交互，从而对其进行控制。
06 根据不同类型确定PID调节方法
用于调节PID控制器的方法，取决于PID所控制的过程类型。在选择调节方法之前，您必须识别不同过程类型的特点。
自限型过程是迄今为止最常见的。这些过程在受到干扰时，将会稳定在一个新的稳态值，因为它们具有内部负反馈，可以提供稳定性。流量和大多数温度都是自限型过程的案例。这些过程的自动控制可能是可选的。
积分过程是第二常见的。当受到干扰时，积分过程将朝着新的方向发展，直到它们到达新的约束。此类过程没有内部反馈来缓和反应。液位控制是最常见的应用。这些过程的自动控制是强制性的。
指数过程不太常见。当此类过程受到干扰时，由于具有内部正反馈，它们将以指数级的速度向约束方向发展。放热反应器是最常见的一个应用。这些过程的自动控制是强制性的。
复杂过程发生在具有内循环的过程中，无论是质量还是能量。如果这些过程的行为与上述任何一种都比较相似，则可以使用PID控制器对其进行控制（并且可以像它们一样进行调节）。如果没有，那么控制可能需要更复杂的技术。
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