PID环整定参数及控制基础

PID环整定见解

• 比例-积分-导数(PID)控制是一种基于反馈的装置或过程的输出被测量并与设定值进行比较。这是一个不断计算的过程。
• PID环整定有多种形式，对于工程师来说，了解应用程序需要哪种环整定以及帮助确保提供准确测量所需的参数至关重要。

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调整控制回路是一项由相对简单的控制律驱动的复杂活动。目标是编排一个或多个参数，以产生在指定边界内稳定的过程。本指南是对调整比例-积分-导数(PID)控制回路过程的入门。

什么是PID控制?

PID控制是基于反馈的。测量设备或过程的输出，并与目标或设定值进行比较。如果检测到差异，则计算并应用校正。再次测量输出，并重新计算任何需要的校正。

并不是每个控制器都使用PID中的所有三个数学函数。许多过程只用比例积分项就可以处理到可接受的水平。然而，精细控制，特别是超调避免，需要附加微分控制。

在比例控制中，校正因子由设定值与测量值之间的差值大小决定。问题是当差值趋近于零时，修正量也趋近于零，结果误差永远不会趋近于零。

积分函数通过考虑误差的累积值来解决这个问题。设定值与实际值的差异持续时间越长，计算出的修正系数越大。然而，当对修正的响应存在延迟时，这将导致超调并可能在设定点附近振荡。

避免这种结果是导数函数的目的，它观察正在实现的变化率，逐步修改修正因子以减少其影响，因为它接近设定点。

设置PID整定参数

每一种工艺都有其独特的特点，即使设备本质上是相同的。烤箱周围的气流会变化，环境温度会改变流体的密度和粘度，气压也会每小时都在变化。必须选择PID设置(主要是应用于校正因子的增益以及积分和导数计算中使用的时间，称为“复位”和“速率”)以适应这些局部差异。

将这些过程划分为四大类可能是有益的:

• 快速循环，如流量和压力

• 慢循环，比如温度

• 集成过程，如液位和绝缘温度

• 噪声环路，其中测量值不断变化。

闭环调谐程序

调整闭环的第一步是理解过程。确定需要调整的环路，并确定环路的速度。如果环路的响应时间从小于1秒到大约10秒，则环路很快，并且使用PI控制器应该足够了。如果环路的响应时间从几秒到大约30秒，则选择PI或PID控制器。对于响应时间大于30秒的慢循环，建议使用PID控制器。

第二步是理解控制器。比例项可以是比例增益，也可以是比例频带。积分项可以是时间常数、重置率或积分增益(重置率乘以比例增益)。导数项可以是时间常数或导数增益(导数时间常数乘以比例增益)。在本教程中，假设比例增益、积分重置率和导数增益。

最后一步是观察回应。首先对设定值做一个小的改变(小于5%)，或者等待过程中出现干扰。然后观察过程变量和控制输出响应。

• 如果没有控制输出的瞬时变化或没有明显的超调，将比例增益增加50%。

• 如果过程变量不稳定或持续振荡且超调量大于25%，则将比例增益降低50%，将积分复位率降低50%。

• 如果过程变量振荡持续存在可容忍的超调，将比例增益降低20%，将积分重置率降低50%。

• 如果在设定点变化时出现三个或更多连续的峰值，则将积分重置率降低30%，并将导数增益增加50%。

• 如果在改变设定值或扰动开始后，过程变量保持相对平稳并在设定值附近长时间，则将积分重置率提高100%。

• 重复上述步骤，直到闭环响应令人满意。

开环调谐程序

与闭环程序类似，首先要了解过程和控制器。对于非积分循环，使用以下过程:

• 将回路置于手动控制模式，保持控制输出恒定，等待过程稳定。
• 在控制输出上做一个小的步进变化(小于10%)并观察响应。
• 评估流程模型，其中:
  • 模型增益等于过程变量除以控制输出变化。
  • 死时间等于控制输出的变化与过程变量上可观察到的变化之间的时间间隔。
  • 时间常数等于过程变量达到总变化的63%左右所需的时间。
• 选择初始PID值如下:
  • P等于2除以模型增益。
  • I等于死区时间加上时间常数。
  • D要么等于死时间除以3要么等于时间常数除以6。
• 这些初始PID值应该提供合理的闭环响应。采用闭环整定方法对控制器进行微调。

串级调谐制导

对于级联控制应用，例如由蒸汽阀加热的水箱，调整程序从内部回路开始，然后是外部回路。由于内部循环动态与外部循环的相互作用，您需要一次调整一个循环。

• 将外回路置于手动模式。

• 在内环上执行闭环调优程序。

• 将内循环设置为auto。

• 等外环稳定下来。

• 在外环上做一个闭环调优程序。

常用PID控制应用

PID控制器通常用于工业中的自动过程控制应用，以调节流量，温度，压力，液位和其他过程变量。比例和积分控制器是必不可少的大多数控制回路;运动控制常采用微分模式。温度控制通常使用这三种控制模式。

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