回归基础:增益调度如何工作

什么是增益调度?

增益调度是一种PID增强，便于控制具有增益和时间常数的过程，这些增益和时间常数根据过程变量的当前值而变化。[参见2011年2月16日和2月5日新增的订阅者评论和示例。增益调度器在控制器的微处理器中运行，它监视进程变量以确定进程何时进入一个新的工作范围。然后用一组预定的调谐参数更新控制器，以优化该范围内的闭环性能。

获得调度应用程序

增益调度特别适用于随着过程变量的升降而加速或减慢的过程。如果随着过程变量的变化，过程对控制器的努力或多或少变得敏感，它也会起作用。

例如，如图所示，考虑一个由球形水箱中的水组成的过程。由于水箱的非均匀横截面，调节水位的控制器会发现，当水箱几乎满时，与水箱只有一半满时相比，该过程对流入流量的操纵反应更灵敏。因此，当过程在高水位范围内运行时，控制器只需要施加很小的控制努力来克服水位的任何缺陷。但是，如果过程在中等水平范围内运行，控制器将需要应用更大的控制努力来弥补同样的缺陷。

具有固定调谐参数的PID回路将受到这些条件的严重挑战。如果在储罐接近满的情况下对其进行了优化，那么当储罐只有半满时，纠正液位不足的速度就会太慢。相反，如果它对半满的坦克有足够的攻击性，那么对几乎满的坦克来说就太有攻击性了。

获得调度器优势

增益调度器提供了这两个世界的优点。它允许针对任意数量的操作范围对控制器进行调优，以便根据过程变量的当前值将一组最佳调优参数下载到控制器中。

增益调度器缺点

不幸的是，这需要大量的工作。实现增益计划的控制工程师必须首先确定如何将过程变量的整个范围划分为不同的操作范围，以充分表示过程行为的所有可能变化。在水箱的例子中，“几乎是空的”、“半满的”和“几乎满的”将是显而易见的选择，但也可能有几个或几十个介于两者之间的范围，这取决于随着水位变化过程的行为变化的严重程度。

然后，实现者必须在每个范围内操作过程，并每次调整控制器以获得最佳的闭环性能。然后，她将结果调优参数集加载到增益调度中，以便在过程变量进入对应于每组参数集的操作范围时由控制器检索。在水箱的例子中，这将要求实现者向水箱加注一点，调整控制器以维持那里的液位，在增益计划中记录结果的调整参数，再向水箱加注一点，并重复，直到整个水箱液位范围被覆盖。

- Vance VanDoren，博士，体育博士控制工程贡献内容专家，在controleng@msn.com。www.globalelove.com

提交真实世界的增益调度案例研究来说明这些技术:www.globalelove.com/contribute或者在www.globalelove.com/awards上添加一个提示和技巧项目。

读者对增益调度的反馈

读者对上述文章的反馈，以及另一个链接，从一个增益调度控制工程博客发布。

将过程反馈线性化为体积单位

关于您在2011年1月版的第56页上题为“增益调度如何工作”的文章控制工程我有个建议。

而不是实现增益调度，为什么不线性化过程反馈到单位体积?如果您使用水位来计算水箱中的当前水量，则无需进行增益调度。虽然PID的增益不再被安排，但系统的有效增益仍然会改变——因此工程师必须小心地调整PID，使其在油箱液位与体积之比最高的区域仍然稳定(在这种情况下，油箱的中点)。然而，我认为整个系统将更容易调优，花更少的时间调优，并且更简单。此外，它还允许您确定储罐容量的百分比，这可能比非线性水平的百分比对操作员或控制软件更有用。

John Blystone，仪表与控制部门主管
Louis Perry & Associates公司
www.louisperry.com

我的割草机油箱就是一个很好的例子

我刚刚在2011年1月读了一篇文章“增益调度是如何工作的”控制工程杂志。

我想我应该加上这个有点幽默的观察:这篇文章的副标题可以是“为什么我总是在给割草机加油的时候把汽油洒出来?”

约翰·温德斯，PMP
Polytron高级电气工程师
Polytron总部位于佐治亚州德卢斯(亚特兰大北部)，帮助客户设计和运营卓越的制造。www.polytron.com

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