淺談PID回路整定的兩種方法

作者 |?Benjamin Langton

了解比例-積分-微分（PID）控制原理以及閉環、開環和級聯回路所涉及的參數設定非常重要。

整定控制回路是一項由相對簡單的控制法則驅動的復雜活動。目標是協調一個或多個參數，以實現在特性邊界范圍內穩定的過程。本文是關于整定比例-積分-微分（PID）控制回路過程的入門介紹。

PID控制基于反饋。測量設備或過程的輸出，并將其與目標或設定值進行比較。如果檢測到差異，則計算并實施校正。再次測量輸出，并重新計算任何必要的校正。

并不是每個控制器都使用PID中的所有三個數學函數。許多過程都可以通過比例-積分項處理到可接受的水平。然而，精細控制，尤其是避免超調，需要增加微分控制。

在比例控制中，校正系數由設定值和測量值之間的差值大小決定。問題是，當差值接近零時，校正也會接近與零，結果是差值永遠不會變為零。

積分函數通過考慮累積偏差來解決這個問題。設定值與實際值之間的差異持續的時間越長，計算的校正系數就越大。然而，當對校正的響應存在延遲時，這會導致超調，并可能圍繞設定值振蕩。避免這種結果就需要微分函數，它著眼于所實現的變化率，隨著接近設定值，逐步修改校正因子以減少其影響。

即使設備基本相同，每個過程都有其獨特的性質。例如，烤箱周圍的氣流會變化，環境溫度會改變流體密度和粘度，大氣壓也會隨時間而變化。必須選擇PID設置（主要是應用于校正因子的增益以及積分和微分計算中使用的時間，被稱為“重置”和“速率”）以適應這些局部差異。

將過程分為下面四類可能是有益的：

■?快速回路，如流量和壓力；

■?慢速回路，如溫度；

■?積分過程，如液位和絕緣溫度；

■?嘈雜回路，測量值不斷變化。

01

閉環整定過程

調整閉環回路的第一步是了解這個過程。識別需要調整的回路，并確定回路的速度。如果回路的響應時間從小于1秒到大約10秒，就是快速回路，使用PI控制器就足夠了。如果回路的響應時間為幾秒至30秒，可選擇PI或PID控制器。對于響應時間超過30秒的慢速回路，建議使用PID控制器。

第二步是了解控制器。比例項可以是比例增益或比例帶。積分項可以是時間常數、重置速率或積分增益（重置速率乘以比例增益）。微分項可以是時間常數或微分增益（微分時間常數乘以比例增益）。在本文中，假定比例增益、積分重置率和微分增益。

最后一步是觀察響應。首先小幅度改變設定值（小于5%），或者等待過程中出現干擾。然后觀察過程變量和控制輸出響應。

■?如果控制輸出沒有瞬時變化或沒有明顯的超調，則將比例增益增加50%。

■?如果過程變量不穩定或持續振蕩，超調大于25%，則將比例增益降低50%，將積分重置率降低50%。

■?如果過程變量振蕩持續存在可容忍的超調，則將比例增益降低20%，將積分重置率降低50%。

■?如果設定值變化時出現三個或三個以上連續峰值，則將積分重置率降低30%，并將微分增益增加50%。

■?如果在改變設定值或擾動開始后，過程變量在設定值附近保持相對平穩很長一段時間，則將積分重置率提高100%。

■?重復上述步驟，直到閉環響應令人滿意。

▲圖：非積分過程模型。圖片來源：ControlSoft

02

開環整定過程

類似于閉環過程，從了解過程和控制器開始。對于非積分回路請使用以下過程：

■?將回路置于手動控制模式，保持控制輸出恒定，等待過程穩定。

■?在控制輸出上做一個小的階躍變化（小于10%），并觀察響應。

■?評估過程模型，其中：

– 模型增益等于過程變量除以控制輸出變化。

–?死區時間等于控制輸出變化與過程變量可觀察變化之間的時間間隔。

–?時間常數等于過程變量達到總變化量的63%所需的時間。

■?選擇初始PID值，如：

–?P等于2除以模型增益。

–?I等于死區時間加上時間常數。

–?D等于死區時間除以3或時間常數除以6。

■?這些初始PID值應提供合理的閉環響應。使用閉環整定方法對控制器進行微調。

對于級聯控制應用，例如由蒸汽閥加熱的儲罐，調整程序從內回路開始，然后是外回路。由于內回路動態特性與外部回路交互作用，一次只調整一個回路。

■?將外回路置于手動模式。

■?對內回路進行閉環整定程序，然后將內回路置于自動狀態。

■?等待外回路穩定下來。

■?在外回路上執行閉環整定程序。

PID控制器通常用于工業中的自動過程控制，以整定流量、溫度、壓力、液位和其它過程變量。比例和積分控制器對于大多數控制回路是必不可少的；微分模式經常用于運動控制。溫度控制通常使用所有三種控制模式。

審核編輯：黃飛

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