固定PID，第3部分

在比例-积分-导数(PID)控制方法中，积分的作用，PID中的“I”项，可能特别成问题，因为控制器的积分器继续建立一个不断增加的控制努力，只要过程变量的测量值和期望的设定值之间仍然存在误差。查看相关的挑战和建议，以获得修复PID的更多实际帮助。

本系列的前几集- "固定PID，第一部分”(控制工程， 2012年11月)和”固定PID，第2部分”(控制工程(2014年5月)的在线链接已经检查了PID控制器的局限性和工程师开发的各种补丁来修复它们。

对于PID控制器，一个特别激进的积分动作可能导致控制器来回振荡，徒劳地寻找将迫使过程变量匹配设定值的控制努力。积分操作在处理不立即响应控制器操作的进程时也会遇到麻烦。延迟或死时间越长，在过程变量开始移动之前的集成误差就越大。这反过来又会导致整体作用越来越努力，可能会达到弊大于利的地步。

限速反应致动器

幸运的是，这些往往是特别明显的问题，经验丰富的控制工程师可以很容易地发现和修复，要么通过缩减积分操作，要么通过修改过程使其更容易控制。当负责将控制器的努力应用到进程的执行器的速率受到限制时，就会出现一个更隐蔽的问题。

速率受限的执行器不能像控制器希望的那样快速工作，通常是由于机械限制的结果。例如，阀门的打开或关闭速度取决于执行器移动阀杆的速度。当控制器给它一个太快打开或关闭的命令时，它往往会落后。

执行器的速率限制反过来又会限制过程变量的变化速度，在过程变量和设定值之间留下持续的误差。就像当死时间完全阻止了过程变量的改变一样，积分错误将继续增长，积分操作也将继续增长。随着执行器越来越落后，情况变得越来越糟。当由速率限制而不是死时间引起时，这种复位结束效应不太明显，但是过程变量中的不稳定振荡会导致任何一种情况，正如本文底部的“死时间和速率限制执行器的影响”图和侧栏中所解释的那样。

潜在的部分是，限速驱动器的影响并不总是立即显现出来。如果控制器的命令快但小，执行器可能仍能跟上一段时间。控制器甚至可以将过程变量维持在设定值数年，只要使过程变量偏离其标记的任何扰动碰巧保持适度。但是，如果出现了一个足够大的干扰，需要相应大的控制努力，整体行动将开始结束，狩猎将出乎意料地随之而来。

外部复位来拯救

幸运的是，对于速率受限的驱动器，有三个简单的修复方法。最明显的是用一个能够及时执行控制器命令的更快的执行器取代迟缓的执行器。继续我们的例子，有时候清洗一个密封阀门的阀杆以减少速率限制摩擦就足够了。

相反，积分动作可以减慢到控制器在应对大扰动时不再要求不可能的快速执行器移动的程度。然而，这样做也会延缓控制器对不是问题的小扰动的反应。

可以说，最有效的解决方案是外部重置。外部复位函数修改误差积分的速率，使积分动作的速度与执行器的速度相匹配。其结果是，控制器似乎知道它能以多快的速度推动执行器。外部复位也可以对抗其他形式的复位绕组，无论它们是如何引起的。本系列的第1部分将更详细地讨论这种现象。

整合的过程

当被控过程本身作为积分器时，PID控制器的积分动作也会引起不稳定的振荡。例如，考虑一个装有流入和流出的水箱的水位，如“整合与自我调节过程的基本原理”(控制工程， 2014年12月)。每一滴未被清除的水滴都会在水箱中累积，导致水位上升。容器将其输入(净流入减去流出)整合到生成输出(容器液位)。

在PID控制器中嵌入的积分动作采用纯数学积分器来执行相同的概念功能。它将过程变量和设定值之间的所有过去的误差值相加，以生成一个数值输出，只要过程变量小于设定值，输出就会增加，只要过程变量大于设定值，输出就会减少。这综合误差乘以一个增益来产生积分动作的控制效果。

油箱和控制器的积分器都通过增加输出来对输入的阶跃变化做出反应，如图2“背对背积分器”所示。如图3所示，将两者串联起来，当控制器的输入增加时，油箱的输出会呈指数级增加。这种行为是背靠背积分器的典型特征，这就是为什么积分控制应用于积分过程往往会导致不稳定的结果。

循环调优权衡

在限速执行器和背对背积分器的情况下，许多已经提出的补丁，以解决PID问题，包括配置控制器，以减少对过程变量和设定值之间的错误的反应。不幸的是，这种被称为循环调优的配置操作本身可能是一个问题。

事实上，循环调优可以说是设计PID控制器最困难的方面，因为实现这三种动作的正确组合所需的P、I和D参数的适当选择很少明显。即使是经验丰富的控制工程师也会发现，观察控制器的工作并决定哪些参数需要增加或减少是一项挑战，更不用说增加多少了。

例如，当控制器试图将过程变量引入以使其降落在设定值上时，导数动作可以用作制动器来防止控制工作的快速变化。如果没有它，具有特别积极的积分和比例作用的控制器可以将过程变量快速地推向设定值，以至于它超过设定值。这反过来会导致控制器在相反的方向上过度校正，可能会一次又一次地来回过度校正。

另一方面，在扰动响应开始时，导数作用也给了这个过程一个直接的启动。这种激励可以帮助推动过程变量朝着正确的方向发展，而不必等待整体和比例的行动来加大他们的努力。然而，如果为了在扰动响应结束时制动而将导数动作调得特别激进，那么在开始时启动过程时也可能过于激进。这也可能导致超调，特别是当被控制进程对控制器的操作特别敏感时。

循环调优软件有助于

幸运的是，已经开发了无数的公式和软件包来促进循环调优。控制工程师不需要仅仅依赖于对正在运行的控制器的定性观察。他们可以通过对流程的开放和闭环行为进行定量测量来完成大量工作。参见“循环调优基础”(控制工程， 2003年7月)。

死区时间和限速驱动器的影响

当PID控制器的执行器受到死区时间和/或速率限制时，PID控制器可能会导致寻迹。在这个流量控制的例子中，一个特别激进的控制器使用一个限流阀来维持下游的流量。在时间一个时，它命令阀门迅速打开，试图对抗负载扰动引起的流量下降。阀门在不同时间之间的反应尽可能快一个而且B，但没有控制器预期的那么快。控制器认为它的努力还不够，开始更用力地推动阀门，但无济于事。在时间B，它在检测到它对原始扰动进行了过度校正后，会反转航向。一旦控制器命令阀门开始关闭，实际流量就开始下降，但由于流量计位于下游一段距离，控制器继续看到流量增加，直到时间C．到那时，控制器已经开始在相反的方向上低于设定值。这一序列不时重复D而且E f g h，而且我等。礼貌:控制工程

- Vance VanDoren, PhD, PE，是控制工程贡献内容专家。联系他的邮箱是controleng@msn.com。彼得·韦兰德编辑，控制工程，pwelander@cfemedia.com．

关键概念:

• PID控制随处可见，但很少有人了解它的特性。
• 了解它的工作原理有助于解决问题并改进调优。

考虑一下这个

有多少控制回路是打开的?闭环控制能提高多少效率?

在线额外

参见PID文章，固定PID，第1部分和第2部分链接如下。

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