从专家学习PID循环调整

高校毕业后不久，我在化工厂获得了一份电气和仪器技术人员。作为一个有很少的经历的年轻人，我的主管将我与一个名叫蒂姆的一位富豪的退伍军人配对。在我从蒂姆学到的许多事情中，最有价值的是调整比例，积分和导数（PID）控制循环的简单过程。我了解了基本控制系统以及他们如何作为我教育的一部分工作。不幸的是，我对PID循环的所有经验都是教科书。我从未有过在现场调整PID控制循环的第一手经验。

我的第一次调整PID环路的机会在化工厂西侧的乙烯生产区域进行了赛道。乙烯控制室中的操作员对500个GAL化学罐的故障呼叫，该罐不保持精确水平（见图1）。蒂姆提醒我，PID控制环可以在各种应用中找到，需要持续控制液位，压力，流量，温度或张力，以命名几个。在这种情况下，操作员试图在500 Gal化学添加剂罐中保持恒定的水平，该罐是化学线路工艺的一部分，但它不正常工作（参见图2）。

先做重要的事

第一个Tim教会我关于PID控制系统的是基本组件。“你需要的第一件事是一个设定点信号，”他说。在我们的情况下，设定值信号是来自控制室中的电位器的0-10 VDC信号，操作员用于设置他想要在坦克中维护的水平。“您在系统中所需的第二件事是反馈信号，”蒂姆说。在这种情况下，反馈装置是液位换能器，其基于罐中的液体的水平提供4-20mA信号。TIM说明系统中所需的最后一项是实际PID控制器。

虽然我从大学毕业以来已经过了几年，但是当时，控制器是一个自我站立模块，它接收了设定值和反馈信号并执行了PID号码。它提供了一个4-20 mA的输出信号，控制滤送罐的阀门。它还具有内置的小型条形图录像机，在很长一段时间内显示了液位。您仍然可以立即购买独立的PID控制模块，但该软件也可以在VFD中找到，并且最常见于PLC和构建控制系统（见图3）。PID控制回路软件可以在运行整个控制室的PLC内部找到，并在各种监视器和控制台上提供整个控制系统的复杂图形外观。尽管今天的PID图形看起来比那个旧条图录音机更好，但今天使用的PID控制方法基本相同。

证据在测试中

当我们到达工作现场时，我们所做的第一件事是测试液位传感器，为控制器提供反馈。几分钟后，我们确定了传感器处于良好的工作状态，因为它在低水平下提供4 mA，高水平为20 mA。我们检查的下一件事是设定值信号。蒂姆站在控制室中，并将电位计调整到最大值，同时测量连接到PID模块的信号。电位计正常运行，并最大限度地测量0 VDC，最大10 VDC。我们检查的最后一件事是阀门本身。我们连接了一个小变量Milliamp供应，提供4-20 mA到阀门，并在没有问题的情况下观看它打开并关闭。因此，我们的非函数PID控制系统中的罪魁祸首似乎是PID模块本身。快速前往零件仓库，为我们提供了相同的替代模块，我们回到乙烯控制室。我想我们会交换模块; adjust the proportional, integral, and derivative selector switches to the same settings as the old one; do a quick test of the system; and be back at the shop in time for lunch.

我们使用的PID模块在侧面上有三个选择器开关：一个用于比例增益设置，一个用于积分时间设置，一个用于衍生时间设置。在大多数情况下，我们将在新模块上设置选择器交换机到旧模块的相同设置，并调用每天。但是，蒂姆认为我们可以提高控制循环的性能，并看到有机会教我一些PID循环调谐点。

PID优化实验

在我们的实验中获得PID控制环路的最佳设置，我们将积分和衍生时间设置为零。比例增益选择开关的出厂设置为1.0，最大值为2.0，最小值为0.0，调整点分为0.25％。我们将比例增益选择开关调整为0.25的最低非零设置。比例增益是一个简单的乘法器，具有更高的设置，增加响应和更低的设置减少了它。通过将积分时间和衍生时间调整为零，我们从控制回路中取出了积分和衍生效果，并且只看到比例增益设置的效果。蒂姆为我的第一课就是一次只上班一次调整。“如果您立即开始对所有三个控件进行更改，您可以轻松地迷失方向，”他说。

我们使用坦克空创立了系统，并且占50％的设定值。当坦克填充时，我们观看了液位指示慢慢朝向条带图表的50％设定点移动。液体水平需要一段时间超过10分钟，达到48％的标记并保持这种水平。我们觉得我们第一次实验的结果是不可接受的。虽然液体水平永远不会过度过时，这是一件好事，但增益设置得很低，花了很长时间才能将坦克填充到其设定值。此外，液位接近设定点，但它从未真正达到过它。蒂姆说明，在这种情况下，在运行仅比例控制的控制循环时，典型的错误-2％是典型的。此错误称为偏移量。

接下来，我们将比例增益设置调整为0.50并再次运行实验。这一次，液体水平达到50％的设定点在稍微超过2分钟，但水平射击超过设定点，然后达到55％，然后纠正了55％并将其朝向50％。在我看着条形图中，液位信号在接下来的2分钟内振荡，越来越52％和48％，每个循环减少过冲，然后在大约48％的设定值下方落户。我们很高兴只需2分钟即可到达设定点，但对过冲和振荡感到失望。

对于我们的下一个实验，我们将比例增益调整为0.75。这次液体水平达到50％的设定点，但过冲达到70％，然后振荡在60％和40％之间4分钟，每循环减少过冲，然后在下面落户设定点约48％。它似乎这种调整掌握了错误的方向，因此我们将比例增益设置恢复到0.50。蒂姆为我的第二课是：比例增益控制过程比赛朝向设定点的快速。“如果您设置了非常高的收益，期望快速到达您的设定值，但准备好用于过冲和振荡的可能性，”他说。“如果您设置了非常低的增益，您可以防止过冲，但它可能需要很长时间才能达到您的设定值。以积分时间，衍生时间和成比例增益开始为零。然后增加比例增益值较小的递增，直到振荡发生，然后减少设置。“

我们所做的下一件事是将一些积分时间添加到控制循环中。蒂姆向我解释的那个积分时间就像一个“错误食者”，并会去除我们经历过的一些振荡。他还表示，增加一些积分时间将让我们的系统实际跟踪设定值并消除我们之前经历过的偏移量。整体时间选择开关的出厂设置为50秒，最大为100秒，最小值为0秒，调整点分为10秒增量。希望能够提高性能，我们将整数时间选择开关调整为10秒并再次运行实验。这次液位在大约2分钟内达到设定点，但在纠正本身之前继续增加到约70％;然后它连续振荡在60％和40％之间，从未停止过。过冲留下了同样的状态，但我们拿起了一个振铃振荡，这意味着短的积分时间是使系统不稳定。

我们调整了积分时间选择器开关，为我们的下一个实验提供30秒的积分时间。我们再次运行系统，液体水平在大约2分钟内达到设定点，但在纠正本身之前继续增加到55％。液位信号振荡在54％和46％之间，用每个循环减少过冲，然后在1分钟内以50％的设定点沉降。虽然循环性能比我们的最后一个实验要好得多，但最大的区别是系统稳定所需的时间。早些时候，当我们使用比例仅控制时，系统在2分钟内稳定，偏移误差。在这个实验中，在没有偏移误差的情况下大约一分钟就消失了振荡。

我们再次运行实验，随着50秒的整体时间设定，随着液位在大约2分钟内达到设定点，并且在纠正自身之前仅达到52％。液位信号振荡在52％和48％之间，每循环减少过冲约10秒，然后在50％的设定点处沉降。这种调整已经产生了一些非常好的结果，我们对我们所做的进展感到满意，我意识到我们毕竟午餐前我们会回到商店。蒂姆为我的第三课是，积分时间就像错误的食子一样。它可以帮助减少振荡时间并取下偏移量，但误操作会导致过冲的增加以及导致系统具有振荡的系统。以小增量增加积分时间值，直到振荡和偏移被消除。

最后的调整是衍生时间。蒂姆解释说，衍生时间用作制动系统的稍微作用，以帮助防止过冲。但是，如果衍生化被误解，它可能会严重降低系统的响应性。我们考虑了一下关于我们在那天早上运行的实验以及我们如何系统地改善控制回路的性能。在许多PID环中，例如HVAC系统，不使用衍生物控制，因为稍微过冲通常不会产生不利影响。但在过冲可能是危险的情况下，衍生控制可能是有用的。

通过我们的最后一个实验，仅显示2％的过冲和振荡，只有大约10秒，我们认为我们已经做了一个非常好的调整PID环路。但我们认为我们应该尝试最后一项实验，看看我们是否可以做得更好。衍生时间选择开关的出厂设置为最小，0秒（禁用），最大为5秒，调整点分为0.5秒的增量。我将衍生时间调整为0.5秒设置在选择开关上，我们再次运行实验。我们观看了液位在大约2分钟内达到设定点，只用过冲的头发平滑地滚入50％设定点，显示一个小滴度在50％标记下方，然后完美地跟踪设定值。这是我们从液位PID控制循环中看到的最佳表现，这是早晨的最佳表现。我将液位设定点调整为60％，并准确地观看系统并履行轨道。然后我将设定值减少到40％并看到相同的结果。蒂姆为我的第四课是衍生时间为控制回路提供了制动动作，并且在大多数应用程序中不需要。如果需要，衍生控制可以减少过度，但也可能导致缺乏响应性。 Increase the derivative time value until the response to process changes is optimized.

对PID控制循环，蒂姆的性能感到满意，我打包了我们的装备并前往午餐。自我用蒂姆工作以来已经有多年了，但这种经验是我一直记得的经验。使用他教授的基本技术，我已经帮助我在许多应用程序中调整PID控制循环。

蒂姆的PID控制循环拇指规则

1. 一次只做一个调整。如果您开始同时对所有三个控件进行更改，您很容易就会迷失方向。
2. 比例增益控制过程比赛朝向设定值的快速。如果您设置了非常高的增益，期望快速到达您的设定值，但准备好用于急剧过冲和振荡的可能性。如果您设置了非常低的增益，您可以防止过冲，但可能需要很长时间才能达到您的设定值。从整体时间，衍生时间和比例增益开始零。在发生振荡之前，以小的递增增加比例增益值，然后减少设置。
3. 积分时间就像一个误差吞噬器。它有助于减少振荡时间和消除偏移，但不适当的调整会导致超调量的增加，并导致系统产生振荡。以小增量增加积分时间值，直到振荡和偏移被消除。
4. 衍生时间为控制回路提供了一个制动动作，并且在大多数应用程序中不需要。如果需要，衍生控制可以减少过度，但也可能导致缺乏响应性。增加衍生时间值，直到优化对过程更改的响应。

John A. Autero是Yaskawa American Inc.的技术培训服务经理。他已经参与了工业自动化超过28年，其中25岁，其中有25岁以yaskawa在一起。他开发了Yaskawa工程夏季实习生和合作计划，先进的Yaskawa的技术培训服务进入了IACET授权提供商，为其学生提供CEUS。他在南伊利诺伊州南部大学举办了BS工业工程技术。

本文出现在应用自动化补充控制工程和工厂工程。

- 查看下面的补充的其他文章。