整定控制回路是一项由相对简单的控制法则驱动的复杂活动。目标是协调一个或多个参数,以实现在特性边界范围内稳定的过程。本文是关于整定比例-积分-微分(PID)控制回路过程的入门介绍。
PID控制基于反馈。测量设备或过程的输出,并将其与目标或设定值进行比较。如果检测到差异,则计算并实施校正。再次测量输出,并重新计算任何必要的校正。
并不是每个都使用PID中的所有三个数学函数。许多过程都可以通过比例-积分项处理到可接受的水平。然而,精细控制,尤其是避免超调,需要增加微分控制。
在比例控制中,校正系数由设定值和测量值之间的差值大小决定。问题是,当差值接近零时,校正也会接近与零,结果是差值永远不会变为零。
积分函数通过考虑累积偏差来解决这个问题。设定值与实际值之间的差异持续的时间越长,计算的校正系数就越大。然而,当对校正的响应存在延迟时,这会导致超调,并可能围绕设定值振荡。避免这种结果就需要微分函数,它着眼于所实现的变化率,随着接近设定值,逐步修改校正因子以减少其影响。
即使设备基本相同,每个过程都有其独特的性质。例如,烤箱周围的气流会变化,环境温度会改变流体密度和粘度,大气压也会随时间而变化。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,被称为“重置”和“速率”)以适应这些局部差异。
调整闭环回路的第一步是了解这个过程。识别需要调整的回路,并确定回路的速度。如果回路的响应时间从小于1秒到大约10秒,就是快速回路,使用PI就足够了。如果回路的响应时间为几秒至30秒,可选择PI或PID。对于响应时间超过30秒的慢速回路,建议使用PID。
第二步是了解。比例项可以是比例增益或比例带。积分项可以是时间常数、重置速率或积分增益(重置速率乘以比例增益)。微分项可以是时间常数或微分增益(微分时间常数乘以比例增益)。在本文中,假定比例增益、积分重置率和微分增益。
最后一步是观察响应。首先小幅度改变设定值(小于5%),或者等待过程中出现干扰。然后观察过程变量和控制输出响应。
■ 如果过程变量不稳定或持续振荡,超调大于25%,则将比例增益降低50%,将积分重置率降低50%。
■ 如果设定值变化时出现三个或三个以上连续峰值,则将积分重置率降低30%,并将微分增益增加50%。
■ 如果在改变设定值或扰动开始后,过程变量在设定值附近保持相对平稳很长一段时间,则将积分重置率提高100%。
对于级联控制应用,例如由蒸汽阀加热的储罐,调整程序从内回路开始,然后是外回路。由于内回路动态特性与外部回路交互作用,一次只调整一个回路。
PID通常用于工业中的自动过程控制,以整定流量、温度、压力、液位和过程变量。比例和积分对于大多数控制回路是必不可少的;微分模式经常用于运动控制。温度控制通常使用所有三种控制模式。
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