现代更新的PID控制整定

比例-积分-导数(PID)控制是现代工业和商业应用中最常用的控制自动化系统的数学算法。从本质上讲，比例、积分和导数这三个参数由传感器收集，然后用于调整控制元件，改变过程的输出，以达到预期的结果。这种循环反馈机制可以应用于简单的过程，比如用恒温器控制家里的温度，也可以应用于非常复杂的应用，比如在飞机上通过电线飞行。

PID控制问题

虽然PID控制由于其对广泛应用和操作条件的适应性而经常被使用，但在PID整定过程中会出现几个常见的问题。在许多情况下，需要对复杂的变量进行微调，以达到受控系统的最佳性能。这个过程既耗时又令人沮丧，通常需要工程师向分销商或制造商寻求支持。从这些情况中产生的困难是，特定系统的调优参数可能会根据该系统的优先级而变化。例如，工程师可能必须特别调整操作的设置，以提高响应能力，同时牺牲能源效率，反之亦然。实现应用程序特定优先级所需的调优参数通常难以确定，要求工程师使用“猜测和检查”方法，直到实现所需的结果。这是一个迭代的过程，是一种低效和令人沮丧的时间利用。

老式PID控制系统的另一个常见问题是监控安全问题。在大型工业应用中，如汽车制造厂或木材厂，经常有危险的自动化机械，如果控制系统不能识别操作环境的变化，可能会使生命处于危险之中。考虑一个工业取放应用程序，其中使用大型机械将重物从一个地方运输到另一个地方。如果没有适当的调整，过程中的轻微中断可能会导致机器行为不稳定，使操作员处于危险之中。

虽然这些风险通常可以通过外部安全预防措施(如标牌、垫子和护栏)来减轻，但如果危险设备在检测到中断时不具备自动关闭或改变其操作模式的能力，则仍然会出现问题。采用先进的PID控制整定技术，可以增加这些类型过程的安全性和效率。

渐进PID控制整定

PID控制系统的一个新发展方面是自整定功能。通过自动调优，控制器运行一个自动例程，移动电机，感知受负载条件影响的电机性能，并根据收集的反馈自动更改运行参数。虽然这个特性在初始设置阶段很有帮助，但在达到某个点时，仍然需要进行微调以实现流程的最佳控制。

当工程师对控制系统的参数进行精细调整时，一个常见的令人沮丧的原因是，对一个参数的微小更改可能需要对其他参数进行调整，而这些参数在初始更改之前并不需要。

一个可以帮助缓解这种挫折的新特性是“刚度变量”，它可以根据单个参数的变化自动对其他参数进行相应的调整。在实际应用中，工程师可能会进行调优调整，从而导致系统变得不稳定。在这些情况下，刚度变量将调整附加参数，使系统回到稳定状态，避免任何损坏或进一步的错误。

自适应调整

对于具有多种加载条件的复杂工艺，自动调优并不总是可行的解决方案，因为它只提供初始参数的起点，然后机械将在整个工艺过程中使用这些初始参数。在这些复杂的情况下，在整个过程中，系统参数必须随着运动和/或负载的变化而变化。在这些场景中，传统的“猜测和检查”方法变得极其复杂，因为进程的负载和速度会影响系统的调优，并产生如何有效地调优系统以实现预期结果的问题。传统系统通过调整“增益集”来解决这个问题，“增益集”是针对不同条件的不同参数。当负载发生变化时，控制器将从一组切换到另一组。

为这些苛刻的调优需求提供解决方案的一个新特性是自适应调优。在整个过程中，随着运动和负载的变化，如果性能超过特定阈值，配备自适应调谐的自动化系统将使用反馈回路对各种参数进行调整，以保持系统处于控制之下并实现最佳效率。回到拾取和放置的例子，这种技术将使一台机器能够连续地运输不同大小和重量的物品，而不必不断地进行调优，或管理调优增益集，以处理下一个对象。

PID更新、改造

许多这些新的调谐功能包含在控制系统的电子固件中。在某些情况下，添加新功能就像在引入新功能时更新现有系统的固件一样简单。如果系统是兼容的，更新的固件也有可能被改装到现有的硬件上。

然而，在几乎所有情况下，为了实现这些高级调优特性的更新功能，必须更换完整的硬件和固件，因为硬件和固件通常是同时设计和发布的。

PID控制算法长期以来一直被认为是控制自动化的行业标准，尽管在整定过程中存在某些缺陷，但它们今天仍然如此。借助自动和自适应调优等新开发的功能，行业专业人员的目标是减少为给定操作达到正确调优参数所需的时间和挫折。

- Corey Foster是Valin Corp.自动化销售经理。控制工程，mhoske@cfemedia.com．

关键概念

• 比例积分微分(PID)控制可以适应广泛的应用和操作条件。
• PID整定过程可能会出现问题。
• 自动和自适应调优可以更快地达到给定操作的正确调优参数。

考虑一下这个

你有多少控制循环是手动的(不提供好处)而不是闭环和优化的?你量化过成本吗?

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作者简介:Corey Foster担任华菱公司北加州自动化销售经理。他在自动化领域有15年的经验，擅长机电运动控制。在他职业生涯的大部分时间里，他一直在一家大型制造商和分销公司担任应用工程师。

华菱集团。总部位于加利福尼亚州圣何塞，为技术、能源、生命科学、自然资源和运输行业提供订单管理、现场支持、培训和应用专家工程服务，使用自动化、流体管理、精密测量、过程加热、过滤和流体动力产品。

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