比例 - 积分衍生物(PID)控制器用于行业的大多数自动过程控制应用,以调节流量,温度,压力,水平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.温度控制是一种使用所有三种控制模式的典型应用。

手动控制

图1。执行手动控制的操作员

没有PID控制器,手动控制水温是一个乏味的过程。例如,为了使工业燃气加热器排出的水保持恒定温度,操作员必须观察温度计并相应地调整燃气阀(图1)。如果水温过高,操作员必须关闭气阀,使温度恢复到所需值。如果水太冷,他必须打开煤气阀。

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

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
  • 通过添加致动器(或许定位器)自动化阀门,因此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。PID控制器执行自动控制

操作员将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。然后将称为过程变量(PV)的温度测量被传输到PID控制器,该PID控制器将其与设定点进行比较并计算两个信号之间的差异或错误(e)。基于误差和控制器的调谐常数,控制器计算适当的控制器输出,以将控制阀设置在正确的位置,以保持设定点处的温度(图2)。如果温度升高到其设定点上方,则控制器将减小阀门位置,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,较高的控制器增益会增加比例控制动作量。如果控制器增益设置过高,控制回路将开始振荡并变得不稳定。如果设定值过低,控制回路将无法充分响应干扰或设定点变化。

对于大多数控制器,调整控制器增益设置会影响积分和微分控制模式中的响应量。

Proportional-Only控制器

通过关闭积分和微分模式,可以将PID控制器配置为仅产生比例动作。比例控制器易于理解和调整:控制器输出只是控制误差乘以控制器增益加上偏置。需要偏置,以便控制器在误差为零(设定点的过程变量)时保持非零输出。缺点是偏移,这是一个无法单独通过比例控制消除的持续误差。在仅按比例控制下,偏移将保持存在,直到操作员手动改变控制器输出上的偏移以消除偏移。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

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。

如果误差很大,则整体模式将以快速的速率递增/减少控制器输出;如果错误很小,则更改将会很慢。对于给定的错误,由控制器的积分时间设置(TI)设置积分动作的速度。如果整数时间设置得太长,则控制器将迟缓;如果设置得太短,则控制回路将振荡并变得不稳定。

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。

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,并将加热器出口温度恢复到其设定点。

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。

微分控制模式根据误差变化率产生输出。如果错误以更快的速度变化,它会产生更多的控制动作;如果误差没有变化,则导数作用为零。此模式有一个可调的设置,称为导数时间(Td)。导数时间设置越大,产生的导数动作越多。但是,如果导数时间设置得太长,将发生振荡,控制回路将不稳定。Td设置为零可有效关闭导数模式。控制器的导数设置使用两个度量单位:分钟和秒。

比例+积分+衍生控制器

图4。P、 PI和PID控制器对干扰的响应

PID控制器的输出由比例,积分和导数控制操作的总和组成。PID控制算法具有不同的设计,包括非交互式算法和并行算法。两者都如图3所示。

在PID控制器中,微分模式比P或PI控制更快地提供更多的控制动作。这将减少扰动的影响,并缩短液位返回其设定点所需的时间。

图4比较P,PI和PID控制下燃料气体压力突然变化后的过程加热器出口温度恢复时间。

控制器调整

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

有关Dataforth的MAQ的信息®20 .工业数据采集与控制系统,下载目录

工具书类

  • an122:PID控制简介
  • an123:调整控制回路以实现快速响应
  • an124:用内模控制整定方法整定控制回路
  • an125:调谐电平控制回路
  • an126:调整调压室液位控制回路

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本文首先出现在2014年7月份的问题美国宇航局yabovip16.com技术简报杂志。

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