整定PID控制回路，快速响应

科恩-库恩诉齐格勒-尼科尔斯案

著名的Ziegler-Nichols调优规则只适用于相对于死时间有很长时间常数的进程，以及电平控制回路．然而，它在流量、液体压力和许多其他需要快速调节的回路上的性能并不好。相比之下，科恩-库恩调优规则在几乎所有的自我调节过程中都能很好地工作，并且被设计为能够提供非常快速的响应。

该方法的原始设计导致环路具有太多的振荡响应，因此被废弃。然而，经过一些修改，Cohen-Coon调优规则证明了它们对于需要快速响应而不容易振荡的控制循环的价值。

科恩-库恩调谐方法的应用

Cohen-Coon调优方法并不适用于所有应用程序。首先，它只能用于自我调节的过程。大多数控制回路，例如流量、温度、压力、速度和成分，至少在某种程度上是自我调节的过程。(另一方面，最常见的积分过程是关卡控制循环。)

自调节过程总是稳定在某个平衡点，这取决于过程设计和控制器的输出。如果控制器输出设置为不同的值，过程将响应并稳定在一个新的平衡点。

目标控制器算法

Cohen-Coon调优规则被设计用于非交互式控制器算法，例如Dataforth MAQ 20工业数据采集和控制算法控制系统．其他供应商也有类似特性的控制器。

科恩-库恩调谐法

要应用修改后的Cohen-Coon调优规则，请执行以下步骤。过程变量和控制器输出必须是时间趋势的，以便可以对它们进行测量。

1.做一个控制器输出步骤测试:

• 将控制器置于手动状态，等待进程解决。
• 将CO(控制器输出)调整几个百分点，然后等待PV(过程变量)稳定下来。这个步骤的大小应该足够大，以使PV能够很好地清除过程噪声和扰动级别。PV上的噪声和干扰的峰值到峰值水平的五倍以上的总运动应该足够了。

2.确定过程特征(见图1):

• 如果PV不在0-100%范围内，则将PV的变化量转换为范围的百分比:PV[%]变化量= PV[工程单位]变化量× 100 / (PV上限校准限值- PV下限校准限值)。
• 计算过程增益(g_p): g_p= PV [in %]总变化量/ CO [in %]变化量。
• 求PV响应曲线的最大斜率。这是在拐点。在这一点上画一条穿过PV响应曲线的切线。
• 将这条线延伸到与CO步骤之前的PV的原始水平相交。
• 注意这个路口的时间值，计算死时间(t_dt):_d= CO变化量与切线与原PV位交点的时间差。
• 如果t_d以秒为单位，除以60就能换算成分钟。(由于Dataforth PID控制器使用分钟作为积分时间的时间基准，所有测量都必须以分钟为单位或转换为分钟。许多其他控制器也类似。)
• 计算PV值占总变化量的63%。
• 在PV反应曲线上，找出PV达到这一水平的时间值。
• 计算时间常数(t)：t=死时间结束时交点与PV达到总变化的63%之间的时间差。
• 如果t以秒为单位，除以60就能换算成分钟。

3.重复步骤1和步骤2三次以上，以获得流程特征的良好平均值。

4.使用下面修改的科恩-库恩方程计算PI或PID控制器的控制器设置。(修改后的规则计算控制器增益为原规则计算的1 / 2)

5.在控制器中输入值，确保算法设置为非交互式，并将控制器设置为自动模式。

6.更改设定值以测试新值。

必要时进行微调。如果需要，可以通过降低K来减慢控制回路的响应并减少振荡_C和/或增加T_我．

结论

这些改进的科恩-库恩调优规则是一种极好的方法，可以在几乎所有具有自调节过程的控制回路上实现快速响应。它们是齐格勒-尼科尔斯调谐方法的有效和高度可靠的替代方法，该方法在应用于许多自我调节过程时工作不佳。

李佩恩他是Dataforth的首席执行官。

附加阅读:G.H. Cohen和G.A. Coon，智障控制的理论思考，译本。ASME, 75，第827-834页，1953。

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