【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】用于調(diào)節(jié)PID控制器的方法和規(guī)則取決于過程類型。在選擇調(diào)節(jié)方法之前，您必須識別不同過程類型的特點(diǎn)。
 

　　過程響應(yīng)有無數(shù)種，因此用只有三個調(diào)節(jié)參數(shù)的算法來控制所有可能的過程響應(yīng)，看起來似乎是不可能的。不過，這是真的。在大多數(shù)應(yīng)用中，使用比例-積分-微分(PID)控制器可以處理絕大多數(shù)過程。
 

　　PID控制器的調(diào)節(jié)方式，取決于過程響應(yīng)的類型；每類過程都需要不同的調(diào)節(jié)規(guī)則和過程。需要正確識別和分類過程響應(yīng)，以采取最有效的方法來調(diào)節(jié)PID控制器。
 

　　01  過程響應(yīng)的四個類型
 

　　一般來說，過程響應(yīng)可分為四大類：自限型、積分型、指數(shù)型和復(fù)合型。
 

　　每種類型的反應(yīng)都根據(jù)其內(nèi)部反饋的數(shù)量和類型進(jìn)行分類。前三種分別是具有內(nèi)部負(fù)反饋、內(nèi)部無反饋和內(nèi)部正反饋的過程。這三種類型通常都可以用PID控制器來進(jìn)行控制。復(fù)合類型包括任何具有多個內(nèi)部反饋的過程。用PID控制器控制復(fù)雜的過程，并不是任何情況都可行。
 

　　以下分別討論前三種過程響應(yīng)，包括任何相關(guān)的子類別。有必要識別出每種過程響應(yīng)，因為用于調(diào)節(jié)PID控制器的程序因類型而異。
 

　　02  自限型過程響應(yīng)
 

　　如其名所示，自限型過程響應(yīng)(圖1)在控制器輸出改變后，最終會達(dá)到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)。這種行為存在于任何具有內(nèi)部負(fù)反饋的過程中。應(yīng)用案例包括流量(壓降隨流量增加)和大多數(shù)溫度(熱損失隨溫度升高而增加)過程，以及更多的自限型過程。在自限型響應(yīng)領(lǐng)域中，有三個子類別：
 

　　■ 滯后占主導(dǎo)地位；
 

　　■ “適度”自限型過程；
 

　　■ 死區(qū)時間占主導(dǎo)地位。
 

　　在討論主導(dǎo)過程響應(yīng)之前，先了解一些相關(guān)定義：
 

　　■ 死區(qū)時間(Dt)：過程開始響應(yīng)控制器輸出變化之前的時間。
 

　　■ 滯后(T1)：過程達(dá)到最終(穩(wěn)態(tài))響應(yīng)的63.2%的時間。
 

▲圖1：在控制器輸出變化后，自限型過程響應(yīng)最終會達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。
 

　　這種行為存在于任何具有內(nèi)部負(fù)反饋的過程中。
 

　　在表征過程響應(yīng)時，大多數(shù)過程會有多個滯后，但為了簡單起見，通常將所有滯后都集中到一個滯后中；可以將該過程看作：一階過程加死區(qū)時間(FOPDT)。圖2的過程響應(yīng)是滯后占主導(dǎo)地位的響應(yīng)，其定義為：滯后時間超過死區(qū)時間的四倍：
 

　　T1 > 4 * Dt
 

▲圖2：滯后占主導(dǎo)地位的自限型過程，其滯后時間超過死區(qū)時間的四倍。
 

　　圖3是一個死區(qū)時間占主導(dǎo)地位的響應(yīng)，其定義為：滯后小于死區(qū)時間四分之一的響應(yīng)：
 

　　T1 < Dt / 4
 

▲圖3：死區(qū)占主導(dǎo)地位的過程，其死區(qū)時間是滯后時間常數(shù)的4倍以上。
 

　　根據(jù)定義，“適度”的自限型過程既不是滯后主導(dǎo)的，也不是死區(qū)主導(dǎo)的(圖4)，它是介于二者之間：
 

　　Dt / 4 < T1 < 4 * Dt
 

　　▲圖4：一個“適度”的自限型過程，具有大約相等的滯后和死區(qū)時間(比率在0.25和4之間)。
 

　　讓我們總結(jié)一下這三種類型的特點(diǎn)，以便更好地了解過程反應(yīng)：
 

　　■ 適度的自限型過程，可以從PID控制器所用的微分中受益。控制器增益大致與過程增益相反。
 

　　■ 滯后主導(dǎo)的過程可以實(shí)現(xiàn)較大的控制器增益，通常是過程增益倒數(shù)的幾倍。不建議采取微分，因為這通常會對控制器的響應(yīng)產(chǎn)生不利影響。
 

　　■ 死區(qū)主導(dǎo)的過程要求控制器增益小于過程增益的倒數(shù)。不建議采用微分，因為它總是對控制器的響應(yīng)有害。
 

　　03  積分過程響應(yīng)
 

　　積分響應(yīng)是質(zhì)量或能量平衡的過程特征。如果流出的液體與容器中的液體不匹配，容器將被填滿或清空，直到溢出或干涸。從物理過程來講，沒有內(nèi)部負(fù)反饋可以提供穩(wěn)定性。這意味著積分過程必須受到控制。對自限型過程，自動控制可視為“可選”項。但對積分過程，自動控制則是必選項。
 

　　圖5顯示了積分器對輸出流量變化的響應(yīng)(液位)。
 

　　當(dāng)輸出流量增加時，液位持續(xù)下降，直到輸出流量降低。然后，液位持續(xù)上升，直到輸出流量上升到其初始值(以匹配輸入流量)。所示的過程沒有死區(qū)時間或任何過程滯后，但可能性是存在的，因此必須在控制器調(diào)節(jié)期間加以考慮。
 

▲圖5：控制器輸出變化的積分過程響應(yīng)。
 

　　最后，滯后主導(dǎo)的自調(diào)節(jié)過程相當(dāng)慢，可以被視為“近積分器”。使用積分器的調(diào)節(jié)過程來調(diào)節(jié)近積分器，可以大大減少調(diào)節(jié)所花費(fèi)的時間(因為不需要等待緩慢過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))。
 

　　04  指數(shù)過程響應(yīng)
 

　　呈現(xiàn)指數(shù)響應(yīng)的過程，具有正內(nèi)部反饋過程。我們通常將正內(nèi)部反饋與放熱反應(yīng)聯(lián)系起來。隨著溫度的升高，熱量的產(chǎn)生也會增加，這會導(dǎo)致溫度進(jìn)一步升高，從而產(chǎn)生更多的熱量，以此類推。如果不能積極控制這些過程，將會帶來災(zāi)難性結(jié)果，使人員和財產(chǎn)面臨風(fēng)險。因此，必須對指數(shù)過程進(jìn)行自動控制。
 

　　圖6顯示了正反饋的固有危險。對(假想的)放熱反應(yīng)的冷卻在3到5分鐘內(nèi)的減少1%，之后恢復(fù)到其原始值。最初，爬升率很小，運(yùn)行人員可能會錯過該信息。最終，正反饋會導(dǎo)致反應(yīng)呈指數(shù)級增長，進(jìn)而失控。
 

▲圖6：對控制器輸出快速變化的指數(shù)過程響應(yīng)，顯示了正反饋的固有危險。
 

　　05  復(fù)雜過程的響應(yīng)
 

　　對于復(fù)雜過程的響應(yīng)，其形狀幾乎可以是任何形式。如果PID控制器的響應(yīng)與任何其它類型的過程大致相同，則可以用PID控制器來控制復(fù)雜過程(并調(diào)節(jié)控制器)。
 

　　當(dāng)整個過程具有內(nèi)部質(zhì)量或能量循環(huán)時，會出現(xiàn)復(fù)雜的過程響應(yīng)。蒸餾塔、進(jìn)料/產(chǎn)品熱交換網(wǎng)絡(luò)和反應(yīng)物循環(huán)流將在溫度、壓力、液位和成分控制方面產(chǎn)生復(fù)雜的過程響應(yīng)。
 

　　如果一個復(fù)雜過程不能由普通的PID控制器控制，通?？梢允褂孟冗M(jìn)的PID功能或添加前饋/解耦器來管理過程各部分之間的交互，從而對其進(jìn)行控制。
 

　　06  根據(jù)不同類型確定PID調(diào)節(jié)方法
 

　　用于調(diào)節(jié)PID控制器的方法，取決于PID所控制的過程類型。在選擇調(diào)節(jié)方法之前，您必須識別不同過程類型的特點(diǎn)。
 

　　自限型過程是迄今為止最常見的。這些過程在受到干擾時，將會穩(wěn)定在一個新的穩(wěn)態(tài)值，因為它們具有內(nèi)部負(fù)反饋，可以提供穩(wěn)定性。流量和大多數(shù)溫度都是自限型過程的案例。這些過程的自動控制可能是可選的。
 

　　積分過程是第二常見的。當(dāng)受到干擾時，積分過程將朝著新的方向發(fā)展，直到它們到達(dá)新的約束。此類過程沒有內(nèi)部反饋來緩和反應(yīng)。液位控制是最常見的應(yīng)用。這些過程的自動控制是強(qiáng)制性的。
 

　　指數(shù)過程不太常見。當(dāng)此類過程受到干擾時，由于具有內(nèi)部正反饋，它們將以指數(shù)級的速度向約束方向發(fā)展。放熱反應(yīng)器是最常見的一個應(yīng)用。這些過程的自動控制是強(qiáng)制性的。
 

　　復(fù)雜過程發(fā)生在具有內(nèi)循環(huán)的過程中，無論是質(zhì)量還是能量。如果這些過程的行為與上述任何一種都比較相似，則可以使用PID控制器對其進(jìn)行控制(并且可以像它們一樣進(jìn)行調(diào)節(jié))。如果沒有，那么控制可能需要更復(fù)雜的技術(shù)。