整定PID回路的水平控制

从前两个开始PID控制器整定方法是由J. G.齐格勒和N. B.尼科尔斯在1942年发表的R个自调节控制回路(如流量、温度、压力)。相比之下，虽然大约四分之一的工业PID回路控制液位，但用于集成(例如液位)工艺类型的整定方法还不到10种。

最初的Ziegler-Nichols调谐方法旨在实现超快速响应能力，这是以牺牲控制回路稳定性为代价的。然而，对这些调优规则稍加修改就可以提高循环稳定性，同时仍然保持对设定值变化和扰动的快速响应。大多数流程专家都会同意，稳定性通常比速度更重要。

适用的流程类型

这种改进的Ziegler-Nichols调优方法用于积分过程，级别控制循环(图1)是最常见的例子。

与自我调节过程不同的是，积分过程只稳定在一个控制器输出，它必须处于平衡点。如果控制器输出设置为不同的值，该过程将以稳定斜率无限增加或减少(图2)。

注:这种调优方法对电平扰动提供了快速响应，因此不适用于调优喘振罐液位控制回路。

修改后的Ziegler-Nichols这里给出的调优规则设计用于非交互式控制器算法，其积分时间设置为分钟。Dataforth的MAQ20工业数据采集和控制系统使用了这种方法，以及来自各种制造商的其他控制器。

过程

要将这些调优规则应用于集成流程，请执行以下步骤。的过程变量和控制器输出必须是时间趋势的，这样就可以从它们中进行测量，如图3所示。

步骤1。做一个分步测试

a)尽可能确保进出容器的不受控流量尽可能保持恒定。

b)将控制器置于手动控制模式。

c)等待关卡出现稳定坡度。如果关卡非常不稳定，等待足够长的时间，以便能够自信地在关卡的一般斜率上画出一条直线。

d)调整控制器输出的阶跃。如果流程可以忍受，试着让步骤的大小改变5%到10%。

e)等待关卡改变其倾斜方向。如果关卡是不稳定的，等待足够长的时间，以便能够自信地在关卡的总体斜率上画出一条直线。

f)将液位恢复到可接受的工作点，并将控制器放回自动控制模式。

步骤2。确定工艺特性

根据图3所示的示例:

a)在初始斜率处画一条直线(斜率1)，并向右延伸，如图3所示。

b)画一条直线(斜率2)穿过最终斜率，向左延伸与斜率1相交。

c)测量控制器输出变化开始到斜率1与斜率2相交的时间。这是进程死时间(t_d)，调优控制器所需的第一个参数。

d)如果_d以秒为单位，除以60就能换算成分钟。如前所述，这里的计算基于以分钟为单位的积分时间，因此所有时间测量都应该以分钟为单位。

e)在1号坡上任意两点(PV1和PV2)进行精确测量，这两点相距较远，交通方便。

f)在坡度2上任意两点(PV3和PV4)，它们相距较远，方便测量。

g)计算两个斜率之差(DS)如下:

Ds = (pv4 - pv3) / t2 - (pv2 - pv1) / t1

注:如果T1和T2的测量单位为秒，则将其除以60以转换为分钟。

h)如果PV的范围不是0%-100%，将DS转换为范围的百分比如下:

DS% = 100 × DS / (PV range max - PV range min)

i)计算过程集成率(r_我)，这是调优控制器所需的第二个参数:

r_我= DS [in %] / dCO [in %]

步骤3。重复

至少再执行三次步骤1和2，以获得流程特征t的良好平均值_d和r_我．

步骤4。计算调优常数

使用下面的公式，计算你的调优常数。PI和PID计算都提供了，因为一些用户会根据许多关卡应用程序的缓慢移动特性选择前者。

PI控制

控制器增益，Kc = 0.45 / (r_我×t_d）

积分时间，Ti = 6.67 × t_d

导数时间，Td = 0

用于PID控制

控制器增益，Kc = 0.75 / (r_我×t_d）

积分时间，Ti = 5 × t_d

导数时间，Td = 0.4 × t_d

请注意，这些调谐方程看起来不同于通常发表的齐格勒-尼科尔斯方程。第一个原因是Kc减小了，Ti增加了两倍，使环路更稳定，振荡更少。第二个原因是PID控制的Ziegler-Nichols方程目标是交互式控制器算法，而这种方法是为Dataforth MAQ20等中使用的非交互式算法设计的。(如果你正在使用不同的控制器，确保你找到它使用的方法。)上面的PID方程已经进行了调整以补偿差异。

第5步。输入值

将计算值输入控制器，确保算法设置为非交互式，然后将控制器放回自动模式。

步骤6。测试和调优您的工作

更改设定值以测试新值并查看其响应情况。它可能仍然需要进行一些额外的微调，以类似于图4。对于积分过程，Kc和Ti需要同时反向调整。例如，为了降低控制回路的速度，可以使用Kc / 2和Ti × 2。

只需对原始的Ziegler-Nichols调优方法进行一些修改，这些规则就可以用于调优水平控制循环，以获得稳定性和对设定值变化和扰动的快速响应。

李·佩恩是Dataforth的首席执行官。

补充阅读:J.G. Ziegler和N.B. Nichols，自动控制器的最佳设置，ASME学报，64，第759-768页，1942。

在线

要了解更多关于PID的知识，请参阅Dataforth网站上的其他应用说明:www.dataforth.com

阅读更多关于过程控制策略的相关故事。

关键概念:

• 改进的Ziegler-Nichols调优规则可以有效地调优电平控制循环。
• 它们被设计用于集成过程和非交互式控制器算法。
• 这些规则提供了循环稳定性以及对设定值变化和扰动的快速响应。

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。