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对于某些难以控制的回路，启发式方法（模式识别）可能是唯一可行的回路整定方式。PID回路常见的三种整定方法包括：开环整定、闭环整定和启发式整定。
在完成开环或闭环整定后，通常用启发式方法来最终确定调优常数（微调），或对随时间退化的控制器进行调优。开环或闭环整定方法一般不能直接得到“最终”的整定常数。启发式方法不仅适用于优化已整定的回路，还适用于未经整定的控制回路。对于某些难以控制的回路，它可能是唯一可行的方法。不过，对于新控制器而言，开环整定通常是最佳选择。
控制回路的启发式整定
“试凑法”整定的的效果有时候并不好，原因是显而易见的。虽然对于大多数使用试凑法的人，都有一个理想的控制器响应图（这是积极的方面），但却不清楚如何实现这一目标（这才是问题所在）。
启发式方法，实际上是模式识别的一种更复杂的表达方式。如果人们清楚自己在寻找哪种模式，并且明白找到模式后的处理方法，他们通常会在模式识别上表现得更出色。启发式回路整定就是观察控制器响应并回答以下问题：
■ 控制器增益是过多还是过少？
■ 积分是过多还是过少？
■ 微分是否过多？
所有具有相似滞后/死区时间比的自调节控制回路，它们的行为模式都是相似的，唯一的区别在于规模。无论开环稳定时间是以毫秒还是天为单位，我们所寻找的模式都是一致的，应用规则也都是相同的。
启发式整定是一个多步骤过程（如图1所示）。我们初步观察控制器时，推测其控制器增益和积分常数均过小（这一推测带有一定假设成分，尤其是在认为控制器增益和积分常数较小时，因此使用了较大的椭圆标记）。我们的第一步是增大控制器增益。
▲图 1：该图展示了控制器响应的类型（例如控制器增益和积分过小），通过逐步调整，直至获得理想的控制器响应，利用启发式方法来识别理想控制器增益和积分调节常数。图片来源：Ed Bullerdiek
接下来的评估表明，控制器增益过大（出现了整定过度的情况），但积分常数仍然偏小（这使我们更加确信积分常数过小）。因此，我们调低了控制器增益，并增加了积分常数。
随后，我们的评估发现控制器增益仍然过大（整定未彻底），同时积分常数也过大（整定过度）。因此，我们进行了相应的修正。在倒数第二次评估时，我们发现控制器增益再次偏小，而积分常数依然偏大（不过，这时已接近理想状态）。最终的整定取得了满意的效果。
你可能会想：“这听起来步骤太多了。”但实际上， 这个案例属于复杂的反复整定过程。通常，如果你是基于开环或闭环调节测试提供的调节常数来进行调节，一般一次就能完成整定，最多不超过两次。当然，随着经验的积累，你的调节能力也会不断提升。
如果你采用启发式方法来调节一个难以控制的系统（通常是响应较慢的控制器），使用启发式整定进行调节所需的屏幕操作时间通常比开环或闭环整定方法更短。对于响应极慢的控制器，实际调节时间可能会持续数天；我曾经历过一次调整过程，四天才完成所有四个调节步骤。
下一个问题可能是：“如何判断整定已完成？”一个非常好的答案是：“当人们停止抱怨时。”但更严谨的做法是：在调校控制回路前，明确您期望的响应类型。例如：
■ 控制器是否需要快速达到设定值点（例如，它是一个级联的二级控制器）？
■ 控制器是否需要抑制扰动？
■ 控制器是否提供慢速优化（也称为“保持在合理范围内”）？
这些问题的答案决定了控制器的整定方式（临界阻尼、欠阻尼或过阻尼），同时可能会影响控制器的配置方式。
控制回路何时应开始纠正负载扰动？
控制回路的自然周期（Pn）是闭环调节中的一个重要概念。它不仅有助于理解控制器的性能，还能为控制器的调节提供重要指导。其中一个重要见解是，在至少半个自然周期的时间过去之前，您无法看到控制回路整定变化的效果。一个简单方法可以估算自然周期：
自然周期 (Pn) = 4 × 死区时间 (Dt)
简而言之，在更改控制回路整定后，需要至少等待 ? 自然周期后再进行观察。更好的做法是，等待一个完整的自然周期。
试凑法整定中最大的问题之一是，是在过程有时间“消化”之前的调试更改之前，就将调试更改叠加在一起。未能理解自然周期的重要性会导致大量时间浪费，并导致调试效果不佳，要么是因为调试人员放弃了，要么是错误地将当前响应解释为最后一次调试调整的实际反映——而实际上可能并非如此。
启发式整定方法解析
启发式整定通常包含四个步骤：
1.改变控制器设定点（控制器处于自动模式）。
2.观察过程响应，并判断它符合哪种模式？
3.根据识别出的模式执行相应的调整规则。
4.根据需要重复调整。
在现实应用中，你可能会发现实际模式与上述模式不完全匹配。这并不罕见；通常需要调节的控制器可能存在多个问题。请选择最接近的模式并按照相应的规则进行调节。它可能需要多次调整，但最终可以实现理想的调节效果。
控制器增益过高的规则
图2显示了一个增益过大的控制器，在设定值点(SP)附近进行阶跃测试时的表现。该控制器的增益似乎过大，过程变量(PV)和输出(OP)的峰值几乎完全重叠。积分作用确实会导致输出(OP)在过程变量(PV)变化后稍微改变方向，但相比峰值之间四分钟的间隔，这个延迟仅为几秒钟，影响较小。降低控制器增益的规则如下：
■ 将控制器增益降低30%（在25-50%之间均可）。重复此步骤，直到振荡减少到可接受的水平。
■ 如果调节日志显示控制器增益最近被提高过，则取中间值进行调整。
▲图2：图中所示为增益过大的PID控制器。调节常数为K = 0.8CONTROL ENGINEERING China版权所有，Ti = 1.6分钟/重复，Td = 0分钟。
如果不需要进一步检查积分调节，可以更新调节日志（你会记录维护调节日志吗？），然后继续进行日常工作。
但如果你认为积分调节也需要关注（积分可能过慢），可以利用调整控制器增益所学到的经验，来估算积分调节常数。
积分作用过强的规则
图3展示了一个积分作用过强的控制器，在设定点(SP）阶跃测试中的表现。可以明显看出积分过强，OP峰值显著滞后于PV峰值。降低积分作用的规则是：
■ 将积分增加50%（25-75%之间的任何值都可以）。重复直到波动降低到可接受的水平。
■ 如果调优日志显示积分最近被降低，则取中间值。
▲图 3：图中所示为积分过强的PID控制器。调节常数为 K = 0.387，Ti = 0.75 分钟/重复，Td = 0。
如果没有必要检查控制器增益，你可以更新调优日志，然后继续你的工作。然而，如果有理由认为控制器增益需要调整，可以利用在修正积分过程中获得的经验，来估算合适的控制器增益。
控制器增益过小的规则
增加控制器增益的规则如下：
■ 将控制器增益增加不超过50%。重复此步骤，直至震荡较小，如有必要再进行适当降低。
■ 如果调节日志显示控制器增益已被降低CONTROL ENGINEERING China版权所有，则取中间值进行调整。
注意：如果控制器增益低于基准控制器增益 Kbase，并且你确定这不是一个死区主导的过程，那么第一步应将控制器增益设定在Kbase附近或稍低于它。
然而，对于滞后主导的过程，控制器增益过小可能不会表现出明显的迹象。这是因为即使控制器增益达到基线增益（Kbase）的数倍，系统仍可能保持稳定。相反，控制器的表现可能让人误以为增益已足够。此外，控制器增益的上限可能受其它因素限制，例如避免对下游过程产生干扰。
你可能会好奇，为什么这会成为一个问题。更高的控制器增益能够减少过程干扰的影响，限制干扰的幅度和持续时间。如果该控制器的主要目的是抑制过程干扰，那么最大化控制器增益将是理想选择。在这种情况下，可以逐步增加控制器增益，直至系统出现振荡，然后再根据需要适当降低。
这正是保持调优日志的重要性之一。特别是对于滞后主导的过程，记录下调优决策的原因至关重要——无论是为了提高增益以抑制干扰，还是为了降低增益以避免影响下游过程。这样一来，任何查看该控制器调优记录的人都能清楚地了解其背后的考量，从而确保调优策略的一致性和可追溯性。
在接近合适的控制器增益之前，不要急于估算积分调优常数。如果在控制器增益过小时进行估算，所得的积分调优常数可能会过快，从而会增加系统不稳定的风险。
积分调整过慢的规则
加快积分速度的规则是：
■ 将积分减少25%到50%。重复直到检测到轻微震荡，然后根据需要增加。
■ 如果调优日志显示积分最近被减慢，则取中间值。
当积分设置过慢时，控制器在SP变化或受到干扰后，很难消除误差。这一点适用于滞后主导和中等自限过程。请记住，控制器增益无法单独消除误差，只有积分才能完成这一任务。然而，对于滞后主导过程，如果控制器增益足够高控制工程网版权所有，可能很难判断积分是否过慢。如果控制器增益是基线控制器增益的10倍www.cechina.cn，那么仅凭控制器增益就能消除约90%的误差。
在接近合适的积分调优常数之前，不要急于估算控制器增益。如果在积分调优常数过慢时进行计算，可能会得出过大的控制器增益，从而导致系统不稳定。
微分作用过强的规则
修正微分过强的规则是：
■ 将微分设置为零。
■ 必要时纠正控制器增益和积分。
■ 如果在校正后，该过程看起来像一个中等过程，请考虑将微分设置为积分的 1/4（Td = 0.25 * Ti）。如果这导致问题，则移除微分。
大多数控制回路不应使用微分。在某些情况下，微分可以改善控制器响应。但在应用微分之前，请确保你正在处理的是具有多个滞后的中等自限过程。
启发式整定的技巧和局限性
由于启发式整定是通过在自动模式下更改 SP 来完成的，因此对过程的风险非常小。不过，必须与操作 人员合作，确定其能够接受的最大 SP 变化。较大的 SP 变化有助于获得更好的结果，因为噪声和控制阀问题对结果的影响较小。如果你怀疑阀门有问题，应该进行多次不同幅度的上下调整。如果过程响应不一致，那么你可能遇到了调优无法解决的问题。
务必保留一个回路整定日志。保留日志的好处多多，其中之一是，如果你使用启发式方法，日志可以帮助指导你的整定工作。具体来说，如果你最近提高了控制器增益，但现在看起来调节过度，可以通过取上次设置和当前设置的中间值来调整。启发式整定的目标是加快整定过程，而整定日志则能助你一臂之力。
耐心是试凑法整定的常见问题。启发式方法其实是“有指导的试凑法”的一种简化说法，而我看到的最大问题是人们不愿意等待。请记住，任何整定更改的结果，只有在自然周期的一半过去后才会显现，而自然周期大约是过程死区时间的四倍。如果你正在处理一个慢速过程，那就可以在进行调整后离开CONTROL ENGINEERING China版权所有，以避免在当前调整完全生效之前进行另一次更改的冲动。在调整生效之前堆叠更改会掩盖结果，并且会延长整定过程的时间。
正如我们在上面看到的，使用启发式方法可能需要多个步骤。如果控制回路的调优偏离目标太远，最好先使用开环整定来获得一个初步近似值，然后再使用启发式方法最终确定调优常数。话虽如此，随着经验的积累，你才能更有根据的预测，多大更改才能实现最佳值。此外，如果你所在的设施调试得相当好，而你需要重新调试一个控制回路，那么现有的调试常数很可能离最优值不远。使用启发式方法会更快，特别是如果在最近的趋势中SP发生变化，这时可以估算出新的调优常数。
一个坏的控制阀会扭曲回路整定结果。坏阀门的常见问题之一是滞后会导致极限循环摆动。如果你不了解坏阀门产生的独特特征，可能会将其误认为是控制器增益或积分过多的问题。那么无论你做什么，可能都无法修复这种摆动，但你的调优努力可能会使回路变得过于缓慢，以至于无法正常工作。
启发式整定简单且安全，只需要你避免大幅度调整。和所有整定方法一样，经验和对PID方程的理解很有帮助。启发式整定还可以与其他循环调试方法互为补充，可用于优化其他方法的结果。启发式整定会加快并改进你的调试工作。开环和闭环方法的结果往往不完全符合我们的需求，启发式整定无需从头开始，可智能地调整调试常数，以获得所需的性能。
关键概念：
■ 了解纠正PID控制器错误行为的启发式规则，以及自然周期在准确识别回路整定结果中的关键作用。
■ 了解在确定合适的控制器增益后如何估算积分值，以及在确定合适的积分后，如何估算控制器增益。
思考一下：
开环、闭环和启发式整定方法是互补的。掌握这三种方法背后的概念，将如何加快并改进您的整定工作？
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