Ziegler-Nichols自动调优控制

一目了然 自动定义 历史 技术 挑战 栏: 单振荡法

John " Zeke " Ziegler和Nathaniel Nichols可能没有发明比例积分微分(PID)控制器，但他们著名的循环整定技术帮助PID算法成为工业应用中最受欢迎的反馈控制策略。齐格勒-尼克尔斯调谐技术，首次发表于1942年，至今仍被广泛使用。

然后，就像现在一样，“整定”PID循环的重点是调整控制器对测量过程变量和期望设定值之间的误差的反应程度。如果被控制的过程碰巧相对缓慢，PID算法可以配置为在随机扰动改变过程变量或操作员改变设定值时立即采取戏剧性的行动。

相反，如果过程对控制器用来操纵过程变量的执行器特别敏感，那么PID算法必须在较长时间内应用更保守的纠正努力。循环调优的本质是确定进程对控制器的努力的反应有多剧烈，以及PID算法在试图消除错误时可以有多积极。

齐格勒和尼科尔斯提出了一种两步调优循环的方法。他们设计了一种测试，根据控制效果变化时过程变量变化的速度和程度来量化过程行为。他们还开发了一套经验公式，将这些测试的结果转换为适当的控制器性能设置或调优参数。齐格勒和尼科尔斯实际上提出了两种这样的技术，它们都在“循环调谐基础”中有描述，控制工程2003年7月。

调音

多年来，Ziegler-Nichols调谐技术都是严格的手动操作，每当一个新的控制回路被委托时执行。工程师会运行齐格勒-尼克尔斯测试，在条形图上记录控制效果和产生的过程变量，从趋势线形状中预测过程的行为，调整循环以匹配过程，然后在自动模式下使用新的循环开始生产。

以这种方式调试每个循环是一项乏味而重复的工作，结果并不总是令人满意。为了生成可接受的闭环性能的调优参数，通常需要进行多次迭代。

为了确定过程的最终周期Tu和最终增益Pu，控制器暂时禁用其PID算法，并将其替换为一个ON/OFF继电器，迫使过程变量振荡。这两个数字可以很好地量化过程的行为，从而确定PID控制器应该如何调整以获得所需的闭环性能。

在20世纪70年代，随着PID控制器从电子和气动设备发展到全数字微处理器，程序员自动化了齐格勒-尼科尔斯循环调谐技术。从理论上讲，即使是不熟悉调优理论基础的操作人员也可以按下一个按钮，让控制器进行自己的过程行为测试，并相应地选择调优参数。如果所产生的闭环行为被证明是不可接受的，操作员可以简单地再次按下按钮。

今天，这种自动调优或预调优功能在商用PID环路控制器上是必不可少的。最近对购买或指定环路控制器的《控制工程》订购者的调查表明，PID控制器最重要的特性是用户发起的自动调优功能，它不仅是PID算法本身，而且还具有与外部设备通信的能力(CE, 2005年7月，“环路控制器:Lone Logic is More Connected”)。一些供应商也将自动调优描述为自调优，不过自调优通常描述的自适应技术不仅在启动时有效，而且在正常流程操作中也有效。连续的自我调整被列为第五大最重要的功能控制工程调查。

自动步骤测试

市场上最早的自动调优控制器之一是MicroMod Automation的53MC5000过程控制站。它使用了最初由Fischer & Porter(现在是ABB的一部分)在20世纪80年代早期开发的Easy-Tune算法。它自动执行类似于开环Ziegler-Nichols方法的步进测试，强制控制器在禁用传感器反馈时突然改变其控制效果。

过程变量随后的变化量和达到其最终值的63.2%所需的时间分别表示过程的稳态增益和时间常数。如果回路中的传感器恰好位于距执行器一定距离的位置，则流程对此类步进输入的响应也可能显示出在执行步进的瞬间和流程变量第一次开始反应之间的死时间。

一些自动整定PID控制器只需要一次隔离就可以了。

这三个模型参数告诉Easy-Tune算法它需要知道的关于典型流程行为的所有信息，允许它预测流程将如何对任何纠正工作做出反应，而不仅仅是步骤输入。这反过来允许Easy-Tune算法计算调优参数，使控制器与流程兼容。

闭环测试

1984年，隆德(瑞典)理工学院的Karl Åström和Tore Hägglund发表了改进版的齐格勒和尼科尔斯的闭环调谐方法。像开环方法一样，这种技术激发过程来识别其行为，但不会禁用传感器反馈。

Åström-Hägglund方法的工作原理是迫使过程变量进入一系列被称为极限环的持续振荡。控制器首先对流程应用步骤输入，并将其保持在用户定义的值，直到流程变量超过设定值。然后，它应用一个负步，并等待过程变量回落到设定值以下。每当过程变量以任意一个方向通过设定值时，重复此过程会迫使过程变量与控制工作不同步振荡，但频率相同。参见“接力测试”图表。

完成一次振荡所需的时间被称为过程的最终周期(T_u)，两个振荡的相对振幅乘以4/π得到最终增益(P_u)．Ziegler和Nichols理论认为这两个参数可以代替稳态增益、时间常数和死区时间，根据他们著名的调谐方程或调谐规则计算出合适的调谐参数，如左边的方程所示。

他们根据经验发现，这些规则通常会产生一个控制器，该控制器对设定值的有意变化以及对过程变量的随机扰动做出快速响应。然而，这样调优的控制器也会导致过程变量的超调和振荡，因此大多数自动调优控制器提供了几组可选的调优规则，使控制器在不同程度上不那么激进。操作员通常只需要选择所需的响应速度(慢、中、快)，控制器自动选择适当的规则。

调优规则。PID算法(top)通过过程变量PV(t)和过程变量与设定值之间的误差e(t)确定控制努力CO(t)。控制器可以通过修改三个调谐参数(控制器增益P、积分时间TI和导数时间TD)来增加或减少侵略性。Ziegler-Nichols调谐规则(底部)可用于根据工艺的最终周期Tu和最终增益Pu的值计算调谐参数的适度激进值。

商用自动调谐器

继电器方法的变化已经成为一种事实上的商用自动调优控制器的标准，尽管供应商很少提及他们使用的技术。艾默生过程管理公司的所有自动调谐控制器，从Fisher Controls在1987年推出的DPR900单回路控制器，到Fisher遗留的分布式控制系统Provox的智能调谐器，再到现在的DeltaV调谐器，都使用Åström-Hägglund技术。

为了获得更精确的结果，所有这些控制器都用一个由几个振荡组成的极限环来刺激过程。一些自动整定的PID控制器，包括西门子的Sipart DR19和Ascon的DeltaDue，只需要一次振荡就可以了。参见“单次振荡方法”侧栏。

使用Åström-Hägglund继电器测试单振荡或多振荡版本的自动调谐器也可从英维思Eurotherm和Red Lion Controls获得。所有配备truu - tune的Watlow控制器执行两次完整振荡的继电器测试。商业自动调谐器可以在单回路和多回路控制器、分布式控制系统、可编程逻辑控制器和基于pc的控制器中找到。

灵丹妙药

不幸的是，即使是非常成功的Åström-Hägglund版本的Ziegler-Nichols闭环整定技术也不能解决所有的PID整定问题。当传感器的测量被噪声破坏，干扰中断测试，或过程行为根据过程变量移动的方向而变化时，需要进行额外的增强。

如果过程行为不能完全预测，自动调谐器结果的准确性也会受到限制。该技术的批评者声称，只有每个计算参数的第一位可能是可靠的，当闭环性能被严格指定时，需要进行一些手动微调。

测试本身在应用程序中提出了一个问题，即极限环将破坏过程到不可接受的程度。尽管Åström-Hägglund方法确实允许操作员限制控制工作振荡的幅度，但在某些情况下，任何类型的人为干扰都是不可取的。在这种情况下，循环调优最好通过分析由自然发生的干扰和设定值变化所显示的过程行为来完成。

阅读完整的3部分PID指南

• 控制工程PID整定参考指南(上)
  自20世纪50年代以来，PID(比例-积分-导数)控制一直是控制器艺术的状态，并且仍然是今天使用的主要方法。控制工程正在重新出版，在线，其原始收集的文章PID整定技术在三个分期。第1部分包含了原文章“自动控制器的最佳设置”，作者是J.G.齐格勒和N.B.尼科尔斯。

• 控制工程PID整定参考指南(第二部分)
  控制工程的“PID整定参考指南”三部分中的第二部分。第二部分包含控制器整定技术和PID控制算法的比较;如何在没有数学的情况下进行PID整定;并帮助回答这个问题:PID调优到底有多好?

• 控制工程PID整定参考指南(第三部分)
  第三期转载控制工程的“PID整定参考指南”。这最后一期包含了关于不同结构的PID控制整定的信息;气动仪表如何产生自动控制的背景;以及如何使用标准形式优化执行PID控制器整定。

单振荡法

对于某些过程表现非常一致的应用，只需要一次振荡来确定最终周期T_u和最终增益P_u．Ascon的DeltaDue温度控制器可以在操作人员要求设定值变化大于5%时执行单次振荡测试。它中断控制器对设定值变化的初始反应，通过继电器方法进行循环调优测试。在过程变量完全振荡一次之后，它计算一组新的整定参数，然后重新激活PID算法。当过程变量达到设定值时，控制器将被调优以产生最小超调的快速响应。如果设定值变化小于5%，DeltaDue控制器将执行Åström-Hägglund继电器测试的多振荡版本。这两种方法都是可用的，取决于客户的偏好。

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。