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调整PID控制器最佳的三种方式有助于实现其最佳性能
作者: 来源: 发布时间:2018-11-06

     热处理过程举例说明了对PID控制的需求。为确保产品质量稳定,烤箱或炉内的温度必须保持在较窄的范围内。必须适当处理任何干扰,例如添加或取出产品或应用斜坡功能时。虽然概念简单,但PID控制的数学基础是复杂的,并且实现最佳性能需要为一系列相互作用的参数选择特定于过程的值。 

 
    找到这些值的过程称为“调谐”。当PID控制器进行最佳调谐时,设备最大限度地减少与设定点的偏差,并快速响应干扰或设定点变化,但过冲最小。 
 
    上海远东仪表厂讨论了如何调整PID控制器。尽管许多控制器提供自动调谐功能,但了解PID调整方法将有助于实现最佳性能。个别部分涉及:
    PID调整方法 
    手动调整 ;
    调整启发式; 
    自动调整。
 
调整PID控制器最佳的三种方式有助于实现其最佳性能
 
    什么是PID控制? 
    温度和过程控制器
    PID控制基于反馈。测量装置或过程(例如加热器)的输出并与目标或设定点进行比较。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所需的校正。 
 
    PID代表比例 - 积分 - 微分。并非每个控制器都使用所有这三个数学函数。只需比例积分项就可以将许多过程处理到可接受的水平。然而,精细控制,尤其是过冲避免,需要增加微分控制。 
 
    在比例控制中,校正因子由设定点和测量值之间的差值的大小确定。这个问题是,当差异接近零时,校正也是如此,结果是误差永远不会变为零。 
 
    积分函数通过考虑误差的累积值来解决这个问题。设定点与实际值差异持续的时间越长,计算的校正因子的大小越大。然而,当响应于校正存在延迟时,这导致过冲并且可能围绕设定点振荡。避免这是衍生函数的目的。这样可以查看实现的变化率,逐步修改校正因子,以便在接近设定点时减小其影响。设置PID调节参数 即使设备基本相同,每个过程都具有独特的特性。烤箱周围的气流会有所不同,环境温度会改变流体密度和粘度,气压会从小时变化到小时。必须选择PID设置(主要是应用于校正因子的增益以??及积分和微分计算中使用的时间,称为“复位”和“速率”)以适应这些局部差异。 
 
    从广义上讲,有三种方法可以确定这些设置的最佳组合:手动调整,调整启发式和自动化方法。 
 
    手动调整pid控制器 
    通过有关被控制过程的足够信息,可以计算PID控制器的增益,复位和速率的最佳值。通常这个过程过于复杂,但是通过一些知识,特别是关于它对错误校正的响应速度,可以实现基本的调整水平。 
 
    通过将复位时间设置为最大值并将速率设置为零并增加增益直到环路以恒定幅度振荡来完成手动PID调节。(当快速响应纠错时,可以使用更大的增益。如果响应慢,则需要相对小的增益)。然后将PID控制器的增益设置为该值的一半,并调整复位时间,以便在可接受的时间段内校正任何偏移。最后,增加PID回路的速率,直到过冲最小化。 
 
    调整启发式 
    多年来,许多规则已经发展,以解决如何调整PID循环的问题。可能是第一个,当然最着名的是Zeigler-Nichols(ZN)规则。 
 
    Zeigler和Nichols首次发表于1942年,描述了两种调节PID控制器的方法。这些工作通过对系统应用步骤更改并观察结果响应来实现。第一种方法需要测量响应的滞后或延迟,然后花费时间来达到新的输出值。第二个取决于建立稳态振荡的周期。在这两种方法中,然后将这些值输入表中,以获得控制系统的增益,复位时间和速率值。 
 
    ZN并非没有问题。在某些应用中,它产生的响应在过冲和振荡方面被认为过于激进。另一个缺点是在仅缓慢反应的过程中可能是耗时的。由于这些原因,一些控制从业者更喜欢其他规则,如Tyreus-Luyben或Rivera,Morari和Skogestad。 
 
    自动调整 
    目前销售的大多数过程控制器都包含自动调整功能 制造商之间的操作细节有所不同,但都遵循与上述规则类似的规则。基本上,PID控制器“学习”过程如何响应干扰或设定点的变化,并计算适当的PID设置。对于像OMEGA Platinum系列这样的温度控制器,当选择“Auto Tune”时,控制器会激活输出。通过观察改变的延迟和速率,它计算出最佳的P,I和D设置,然后可以根据需要手动微调。(请注意,此控制器要求设定点至少比当前过程值高10°C才能执行自动调整)。 
 
    更新,更复杂的PID控制器,如OMEGA的Platinum系列温度和过程控制器,将模糊逻辑与其自动调谐功能结合在一起。这提供了一种处理复杂控制情况下的不精确和非线性的方法,例如制造和加工行业中经常遇到的,并有助于调整优化。 
 
    PID控制的常见应用 
    无论加热材料的质量和湿度如何变化,工业热处理中使用的烘箱和熔炉都需要获得一致的结果。这使得这种设备成为PID温度控制的理想选择。用于移动流体的泵是类似的应用,其中介质属性的变化可能改变系统输出,除非实施有效的反馈回路。 
 
    运动控制系统也使用一种PID控制。然而,由于响应比上述系统快几个数量级,因此需要与此处讨论的控制器不同形式的控制器。 为什么PID控制器是有利的? 由于校正因子是通过将输出值与设定值进行比较并应用最小化过冲和振荡的增益来计算的,同时尽可能快地实现变化,因此PID控制器用于管理许多过程。 
 
    PID调整方法需要为被控制的过程建立适当的增益值。虽然这可以手动完成或通过控制启发式方法完成,但大多数现代控制器都提供自动调谐功能。但是,控制专业人员了解按下按钮后发生的情况仍然很重要。
 
 

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