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

他们约会返回1939年,当泰勒和福克斯伯勒仪器公司推出前两个PID控制器时。所有当天控制器都基于那些原始的比例,积分和衍生模式。

PID控制器是现代过程控制系统的重要组成部分,因为它们可以实现调节任务的自动化。比例控制模式是控制器的主要驱动力,每一种模式都具有独特的功能。比例和积分控制模式是必不可少的大多数控制回路,而导数模式是优秀的运动控制。温度控制是一种使用所有三种控制模式的典型应用。

手动控制

图1所示。操作人员进行手动控制

没有PID控制器,手动控制水温是一个繁琐的过程。例如,保持一个恒定的温度的水排放的工业燃气加热器,操作员必须看温度计,相应地调整燃气阀(图1)。如果水温过高,操作员必须关闭煤气阀就足以把温度所需的值。如果水太冷,他就得打开煤气阀门。

由操作员完成的控制任务称为反馈控制,因为操作员根据通过温度计从过程的反馈改变射击率。操作员,阀门,工艺和温度表形成控制回路。操作员对气阀的任何改变都会影响反馈到操作员的温度,从而关闭环路。

自动控制

要用PID控制器自动控制温度,需要具备以下条件:

  • 安装电子温度测量装置
  • 通过添加一个执行器(或者一个定位器)使阀门自动化,这样阀门就可以通过电子方式驱动
  • 安装控制器并将其连接到温度测量装置和自动控制阀
图2。采用PID控制器进行自动控制

操作人员将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),然后被传送到PID控制器,PID控制器将其与设定值进行比较,并计算出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。

比例控制方式

比例控制模式将控制器输出与误差成比例地改变。如果误差增加,则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)。对于给定的误差,更高的控制器增益增加比例控制动作的量。如果控制器增益设置太高,控制回路将开始振荡并变得不稳定。如果设置过低,控制回路将不能充分响应干扰或设置点的变化。

对于大多数控制器,在积分和导数控制模式下,调整控制器增益设置会影响响应量。

Proportional-Only控制器

PID控制器可以通过关闭积分和导数模式来配置仅产生一个比例动作。比例控制器易于理解和调整:控制器输出简单地是控制误差乘以控制器增益,再加上一个偏置。需要偏差,以便控制器可以保持非零输出而误差为零(过程变量在设定点)。缺点是抵消,这是一个持续的误差,不能通过单独的比例控制消除。在纯比例控制下,偏移量将一直存在,直到操作员手动改变控制器输出上的偏移量以消除偏移量。这被称为控制器的手动复位。

积分控制模式

图3.(左)非交互式PID控制器算法;(右)并行PID控制器算法

需要手动复位导致自动复位的开发,称为整体控制模式。积分控制模式的函数是随着时间的推移递增或减少控制器的输出,以减少错误,只要存在任何错误(在设定点处的过程变量“)。给出足够的时间,积分动作将驱动控制器输出,直到错误为零。

如果误差较大,积分模式将快速增加/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,积分动作的速度由控制器的积分时间设置(Ti)设定。如果积分时间设置过长,控制器会出现滞动;如果设置得太短,控制回路就会振荡,变得不稳定。

大多数控制器在分钟内使用积分时间作为积分控制的计量单位。有些人在秒内使用积分时间,并且少数控制器在每分钟重复中使用积分增益(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之和组成。

扰动后,积分模式继续增加控制器的输出,直到消除所有偏移量,并将加热器出口温度带回设定值。

衍生控制模式

微分控制虽然常用于运动控制,但很少用于过程控制。它对测量噪声非常敏感,它使试错调整更加困难,并且它不是过程控制绝对必需的。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。

导数控制模式产生基于误差变化率的输出。如果误差以更快的速度变化,它会产生更多的控制动作;如果误差没有变化,导数作用为零。这种模式有一个可调的设置称为导数时间(Td)。导数设定的时间越大,产生的导数作用就越多。然而,如果导数时间设置得太长,则会发生振荡,控制回路将不稳定。将Td设为零可以有效地关闭导数模式。两个测量单位用于控制器的导数设置:分和秒。

比例+积分+衍生控制器

图4。P, PI和PID控制器对扰动的响应

PID控制器的输出由比例、积分和微分控制动作的和组成。PID控制算法有不同的设计,包括非交互算法和并行算法。两者如图3所示。

在PID控制器中,导数模式提供更多的控制行动比P或PI控制可能更快。这减少了干扰的影响,缩短了电平恢复到设定值所需的时间。

图4比较了P、PI、PID控制下燃气压力突变后过程加热器出口温度恢复时间。

控制器调优

PID控制器需要调整,但是当他们第一次来市场时,没有明确的说明如何执行此操作。在1942年之前,通过试验和错误进行调整,当时J.G.Ziegler和来自泰勒仪器公司的NICHOLS。

这些调优规则适用于时间常数相对于死时间很长的流程,以及包含集成流程的关卡控制循环。它们在包含自我调节过程(如流量、温度、压力、速度和成分)的控制回路上不能很好地工作。

自调节过程始终在某些平衡点稳定,这取决于工艺设计和控制器输出;如果控制器输出设置为不同的值,则该过程将在新的均衡点响应和稳定。

大多数控制循环包含自我调节过程,并为它们开发了调整方法。例如,Cohen-Coon调整规则,几乎所有带有自我调节过程的控制循环都很好地工作。这些规则最初是为提供非常快速的响应而设计的,但这导致了具有高振荡响应的环。随着规则的略微修改,控制循环仍然快速响应但不太容易振荡。今天有100多种控制器调整方法,每个控制方法都旨在实现一定的目标。

结论

现代过程控制系统不能没有PID控制器,因为所有的控制功能都必须手工完成。每一个比例,积分,和导数控制模式实现一个独特的功能,调整规则已经开发,以确保有效的过程控制的所有类型的循环和应用。

这篇文章是由Dataforth Corporation,AZ的Dataforth Corporation的首席执行官Lee Payne撰写的。有关更多信息,请单击这里

资源

有关Dataforth的MAQ的信息®20工业数据采集和控制系统,下载目录。

参考文献

  • an122:PID控制简介
  • an123:为快速响应调整控制循环
  • an124:用内模调优方法调优控制回路
  • an125:调整级别控制循环
  • an126:调整调压罐液位控制回路

NASA技术简报杂志

本文首先出现在2014年7月份的问题NASA技术简介杂志。

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