PID学习过程

PID控制由比例、积分和导数动作组成。这三个组成部分之间的相互关系经常被误解。基本PID算法的不同实现，即PI-D或I-PD(参见表“有用的缩写”)，进一步加剧了这一点。

为了解决这些问题，在Excel中开发了一个PID模拟器，显示不同的PID组件如何相互作用。这一想法随后被转化为一个在线工具，该工具将与工厂中的PID方程并行运行，分别显示比例、积分和导数作用的贡献。这是一个很好的培训工具，教新的控制工程师之间的相互作用的比例，积分，和导数组件。它也有助于帮助从业者进行闭环PID故障排除和调优。

背景

虽然优化循环的理想方法是首先应用手动步骤测试，确定过程动态，然后使用适当的规则计算优化常数，但这通常是不实际的。操作人员可能不习惯手动设置某些循环(即使调优不理想)，对于步进测试更是如此。不可避免地，许多循环仍然是通过试错调优的闭环。通过对调优常数进行小的调整，可能需要很长时间才能找到好的调优。但做更大的调整风险更大，很容易导致振荡循环和随后的工厂故障。

虽然有经验的从业者可以用这种方法获得良好的结果，但它通常是一个非常耗时的过程。对于不完全理解PID循环的比例、积分和导数分量如何相互作用的新手来说，找到最优整定常数可能要困难得多。

为了解决这个问题，在Excel中开发了一个脱机PID模拟器。这使用了不同的PID算法(PID, P-ID和I-PD)，并在图表上显示了设定值(SP)，过程变量(PV)和控制器输出(OP)的变化。与此同时，第二张图表分别显示了比例、积分和导数成分(见图1)。

该模拟器被用作培训工具，使新手工程师更好地理解PID控制的复杂性，包括调整不同的PID算法。

然后决定在分布式控制系统(DCS)上部署实时版本，以控制现场工厂。我们的想法是创建一个工具，可以实时地将实际PID控制器的输出分成比例部分，积分部分和导数部分，并提供这些趋势。这是通过在Excel中复制DCS上使用的PID算法来完成的。图2所示的趋势清楚地显示了PID各组成部分的不同贡献，并帮助控制工程师确定哪些整定参数需要调整，以及需要调整多少。它们还可以帮助新手工程师理解调整参数更改的确切影响。

软件实现

从软件开发的开始，就决定解决方案不需要购买任何额外的软件，易于使用，并且尽可能通用。由于这些原因，决定在Excel中使用Visual Basic For Applications (VBA)脚本和免费的插件来实现该软件OPC图书馆。

对于初始设置，应该安装OPC库，并且必须将包含代码的Excel电子表格复制到机器上。然后，用户应该在电子表格中插入存储标记的服务器名称、OPC服务器名称和调优的循环的标记名称，并开始数据收集。所有其他必要的信息(过程变量范围、调优常数、控制器模式等)由软件自动获取(见图3)。

比例、积分和导数部分的计算使用供应商特定的方程来完成，以确保完全的准确性。然后，在使用软件监视控制循环时进行调优更改。

注意，提供了六个趋势来辅助循环调优。设定值和过程变量一起趋势化，控制器输出如下。控制器输出的比例、积分和导数部分与下面的调谐常数值一起趋于一致。这意味着工程师不需要跟踪调优更改，因为它是自动完成的。最后，控制器输出方差显示在控制器输出的下面，平方误差的积分(ISE)和绝对误差的随时间积分(ITAE)一起趋于一致。最后两个趋势的值是在可配置的移动时间窗口上计算的，并提供了循环性能的定量指示。

在图4所示的另一个工作表中，提供了几个基本的循环调优规则。工程师只需输入过程动态的值(如果已知的话)，然后自动计算调优常数。如果需要，工程师还可以包含额外的调优规则。

调优完成后，工程师可以使用新文件名保存Excel文档，然后记录优化更改以及循环性能的改进。

离线工具的结果

离线工具主要用于教新的控制工程师PID控制的复杂性。在图5中，可以看到通常用于教PID控制的典型视图。

采用PI-D算法，对环路进行SP变化和等量扰动。这里可以看到的是:

• 该回路对SP变化和干扰显示出合理的响应
• PV噪声影响OP响应。

当考虑图6中的第二张图表时，还可以显示:

• 尽管PID算法使用了带有导数作用的滤波器，但反映在环路响应中的大部分PV噪声是由于导数作用造成的。有些噪声OP信号是因为比例作用，噪声对积分分量的影响很小。
• 在图6中，SP变化引起的急剧OP响应会使工程师认为比例作用占主导地位。当考虑图6时，它显示了积分操作完成了大部分工作。
• 由于噪声的存在，导数分量的相互作用被隐藏了。

如果重复第一个例子，PV信号上没有任何噪声，则可以更清楚地检查导数相互作用的影响。

将图7与图5进行比较，可以了解到的信息不多。但当将图8与图6进行对比时，可以向学生强调以下内容:

• 注意，当PV误差返回0时，比例分量返回0。这可以用来解释为什么单独的比例动作永远不能将循环返回到设定值。
• 还要注意比例和积分之间的相互作用。按比例快速增加OP，然后随着误差开始减少再次降低OP。在此期间，积分动作必须顺利接管，保持OP高于以前。
• 注意在SP变化期间，导数作用如何抵消比例和积分作用，但在干扰抑制期间提供帮助。请记住使用的是PI-D算法。

该模拟还可用于:

• 允许学员实验和看到不同的调谐常数的影响。
• 显示P, I, D在不同PID算法(如PID和I- pd)下的相互作用。
• 演示停止控制循环上的循环所需的调优更改。
• 演示阀阻对回路调谐的影响。
• 展示I only或P only算法是如何工作的。
• 当使用PID算法进行SP更改时，显示不希望的导数踢。
• 在控制积分变量时，P是如何消除偏移量的。

在线工具的结果

下面给出了使用该软件的两个例子。在例1中，显示了一个循环循环。专家控制工程师将能够辨别出循环是由过于激进的积分操作引起的，但新手可以使用图9所示的趋势。在这里，它清楚地表明控制操作的主要贡献者是积分操作。积分时间增加后，循环停止。请注意，尽管只更改了一个调优参数，但所有三个组件都已更改。

这是由于P, I和d的交互特性。通过增加积分时间，我们减少了OP的移动，这反过来又减少了PV的移动(在这种情况下)。然后，这减少了PID算法的所有三个组成部分的运动，循环停止。对OP方差、ITAE和ISE的影响也如图10所示。

例2中，控制器输出噪声过大。图11显示了造成这种情况的原因是过度的衍生操作。减小导数时间后，输出噪声大大降低。

调整动作

P、I和D之间的交互很难理解，而且由于不同厂商对PID算法的不同实现，问题变得更加复杂。任何具有编程经验的控制工程师都可以实现所描述的软件，而不需要任何额外的成本。该仿真为新工程师学习PID控制提供了有价值的培训工具，直观地说明了P、I和d的影响和相互作用。该实时工具可用于帮助工程师进行整定过程，并提供控制改进的定量指示。使用特定于供应商的方程进一步帮助控制工程师理解他们特定的PID算法是如何工作的。

尼克·范德梅他是一名控制工程师，在南非塞昆达萨索尔的塞昆达化学操作工厂工作，负责乙烯分离和局域网设备。古斯塔夫去他是南非Secunda Sasol的Secunda化学操作工厂控制工程的首席专家。由CFE媒体内容经理杰克·史密斯编辑，控制工程，jsmith@cfemedia.com．

更多的建议

关键概念

• 一个proportional-integral-derivative(PID)训练模拟器是在Excel中开发的，它展示了不同的PID组件如何相互作用，然后转换为一个在线工具，与工厂中的PID方程并行运行，分别显示比例、积分和导数动作的贡献。
• 计算比例，积分和导数部分是使用供应商特定的方程，以确保完全的准确性。然后，在使用软件监视控制循环时进行调优更改。
• 使用供应商特定的方程进一步帮助控制工程师理解他们特定的PID算法是如何工作的。

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