比例-积分-微分(PID)控制器在当今工业中的大多数自动过程控制应用中用于调节流量、温度、压力、液位和许多其他工业过程变量。

这要追溯到1939年,当时Taylor和Foxboro仪器公司推出了最初的两个PID控制器。所有现在的控制器都是基于那些原始的比例、积分和微分模式。

PID控制器是现代过程控制系统的主力,因为它们自动调节任务,否则必须手工完成。虽然比例控制模式是控制器的主要驱动力,但每一种模式都实现独特的功能。比例和积分控制模式是大多数控制环路的基本模式,而导数模式是优秀的运动控制.温度控制是使用所有三种控制模式的典型应用程序。

手动

图1.操作员执行手动控制

没有PID控制器,手动控制水温是一个繁琐的过程。例如,为了保持从工业燃气加热器排出的水的恒定温度,操作员必须观察温度计并相应地调节燃料气体阀(图1)。如果水温变得太高,则操作员必须关闭足以使温度恢复到所需值的气体阀。如果水变得太冷,他必须打开燃气阀。

由操作员完成的控制任务被称为反馈控制,因为操作员通过温度计根据过程的反馈来改变点火速率。操作者、阀门、过程和温度计组成一个控制回路。操作人员对气体阀门所做的任何改变都会影响温度,温度会反馈给操作人员,从而关闭回路。

自动控制

为了用PID控制器自动控制温度,需要下列条件:

  • 安装电子温度测量装置
  • 通过增加一个执行器(可能还有一个定位器)来实现阀门的自动化,这样就可以用电子方式驱动阀门了
  • 安装控制器并将其连接到温度测量装置和自动控制阀上
图2。PID控制器执行自动控制

操作者将PID控制器的设定点(SP)设置为所需的温度,控制器的输出(CO)设置控制阀的位置。温度测量,称为过程变量(PV),然后传送给PID控制器,PID控制器将其与设定值进行比较,并计算两个信号之间的差值,或误差(E)。基于误差和控制器的优化常数,控制器计算出适当的控制器的输出设置控制阀在正确的位置来保持温度设置点(图2)。如果温度高于设定值,控制器将减少阀位,反之亦然。

控制器的三种模式对错误的反应各不相同。每个控制模式产生的响应量可以通过改变控制器的调谐设置来调节。

比例控制模式

比例控制模式改变控制器输出成比例的误差。如果误差增加,控制动作按比例增加。

比例控制的可调设置称为控制器增益(KC)。更高的控制器增益增加给定错误的比例控制动作量。如果控制器增益设置得太高,则控制回路将开始振荡并变得不稳定。如果设置得太低,则控制环路将无法充分响应干扰或设置点变化。

对于大多数控制器,调整控制器增益设置会影响积分和衍生控制模式中的响应量。

Proportional-Only控制器

PID控制器可以被配置为仅通过关闭积分和导数模式产生比例动作。比例控制器易于理解和易于调整:控制器输出只是控制器增益的控制错误次数,加上偏差。需要偏差,因此控制器可以在误差为零时保持非零输出(设置点处的过程变量)。缺点是偏移的,这是一种持续的错误,不能单独取比例控制。在比例控制下,偏移量将保持存在,直到操作员手动将偏差更改为控制器的输出以删除偏移量。这称为控制器的手动复位。

积分控制方式

图3。(左)非交互式PID控制器算法;(右)并行PID控制器算法

手动复位的需要导致了自动复位的发展,称为积分控制方式。积分控制模式的功能是随时间增加或减少控制器的输出以减少误差,只要存在任何误差(过程变量不在设定点)。给定足够的时间,积分作用将驱动控制器输出,直到误差为零。

如果误差较大,积分模式将以较快的速度增加/减少控制器输出;如果误差很小,变化就会很慢。对于给定的误差,积分作用的速度由控制器的积分时间设定(Ti)来设定。积分时间设置过长,会导致控制器动作迟缓;如果它设置得太短,控制回路就会振荡,变得不稳定。

大多数控制器使用以分钟为单位的积分时间作为积分控制的度量单位。有些控制器以秒为单位使用积分时间,还有一些控制器以每分钟重复次数为单位使用积分增益(Ki)。

比例+积分控制器

通常称为PI控制器,比例+积分控制器的输出由比例和积分控制动作的总和组成。

在干扰后,积分模式继续增加控制器的输出,直到它消除所有偏移并将加热器出口温度带回其设定点。

微分控制方式

微分控制虽然常用于运动控制,但在控制过程中却很少使用。它对测量噪声非常敏感,使试错调优变得更加困难,而且它不是绝对需要的过程控制。然而,使用控制器的导数模式可以使某些类型的控制回路——例如温度控制——比单独使用PI控制响应更快。

衍生控制模式基于错误的变化率产生输出。如果误差以更快的速率变化,它会产生更多的控制动作;如果错误没有变化,则衍生操作为零。该模式具有可调整的可调设置,称为导数时间(TD)。衍生时间设置越大,产生越衍生的动作。如果衍生时间设置得太长,但是,将发生振荡,并且控制回路将不稳定。零的TD设置有效地关闭了衍生模式。两个测量单位用于控制器的衍生设置:分钟和秒。

比例+积分+导数控制器

图4. P,PI和PID控制器对干扰的反应

PID控制器的输出由比例、积分和微分控制动作之和组成。PID控制算法有不同的设计,包括非交互算法和并行算法。图3显示了两者。

在PID控制器中,衍生模式可以提高比PI或PI控件更快的控制动作。这降低了干扰的效果,并缩短了水平返回其设定点所需的时间。

图4比较了P、PI、PID控制下燃气压力突然变化后过程加热器出口温度恢复时间。

控制器调优

PID控制器需要调优,但当它们首次进入市场时,并没有明确的说明如何做到这一点。调弦一直是通过试错来完成的,直到1942年,泰勒仪器公司的J. G.齐格勒和N. B.尼科尔斯发表了两种调弦方法。

这些调优规则适用于相对于死时间的时间常数非常长的流程,以及包含集成流程的水平控制循环。它们在包含流量、温度、压力、速度和成分等自我调节过程的控制回路上不能很好地工作。

自调节过程总是稳定在某一平衡点,这取决于过程设计和控制器输出;如果控制器输出被设置为不同的值,过程将响应并稳定在一个新的平衡点。

大多数控制回路包含自我调节过程,并为此开发了调谐方法。例如,科恩-库恩调谐规则几乎适用于所有具有自我调节过程的控制回路。这些规则最初设计的目的是提供非常快速的响应,但这导致了具有高振荡响应的循环。只要对规则稍加修改,控制回路仍能快速响应,但更不容易出现振荡。今天有超过100种控制器调优方法,每一种都是为了达到一定的目标而设计的。

结论

现代过程控制系统离不开PID控制器,因为所有的控制功能都必须手动完成。每个比例,积分和微分控制模式实现一个独特的功能,和调谐规则已开发,以确保有效的过程控制的所有类型的环路和应用程序。

本文由亚利桑那州图森市Dataforth公司的首席执行官Lee Payne撰写在这里

资源

查询datafforth的MAQ®20 .工业数据采集与控制系统,下载目录。

参考

  • an122:PID控制简介
  • an123:调整控制循环以快速响应
  • AN124:使用IMC调谐方法调整控制循环
  • AN125:调谐电平控制回路
  • AN126:调整浪涌罐液位控制循环

美国宇航局金宝搏官网科技简报杂志

本文首次发表于2014年7月号NASA技金宝搏官网术简介杂志。

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