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。

它们可以追溯到1939年,当时Taylor和Foxboro仪器公司推出了第一个两个PID控制器。所有现在的控制器都是基于那些原始的比例、积分和导数模式。

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

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。

操作员完成的控制任务称为反馈控制,因为操作员通过温度表根据过程的反馈来改变点火率。操作器、阀门、工艺和温度表形成一个控制回路。操作人员对气体阀门所做的任何改变都会影响温度,温度会反馈给操作人员,从而关闭回路。

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
  • 安装一个控制器,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。

比例控制方式

比例控制模式根据误差的比例改变控制器的输出。如果误差增加,控制动作也会相应增加。

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,调整控制器增益设置会影响积分和衍生控制模式中的响应量。

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。

积分控制方式

图3。(左)非交互式PID控制器算法;(右)并行PID控制器算法

手动复位的需要导致了自动复位的发展,称为积分控制模式。积分控制模式的作用是随着时间的推移增加或减少控制器的输出以减少误差,只要有任何误差存在(过程变量不在设定点)。给定足够的时间,积分动作将驱动控制器输出直到误差为零。

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。

大多数控制器使用积分时间(以分钟为单位)作为积分控制的计量单位。一些控制器使用以秒为单位的积分时间,一些控制器使用每分钟重复的积分增益(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。

在干扰后,积分模式继续增加控制器的输出,直到它消除所有偏移并将加热器出口温度带回其设定点。

微分控制方式

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+微分控制器

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,衍生模式可以提高比PI或PI控件更快的控制动作。这降低了干扰的效果,并缩短了水平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控制器需要调整,但当它们首次进入市场时,并没有明确的指示如何做。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音方法。

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;如果控制器输出设置为一个不同的值,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调节过程,并为它们开发了调谐方法。例如,科恩-库恩调优规则几乎适用于所有具有自我调节过程的控制循环。这些规则最初是为了提供一个非常快的响应,但这导致了高振荡响应的循环。只要稍微修改一下规则,控制回路仍能快速响应,但不太容易出现振荡。今天有超过100种控制器调优方法,每一种都是为了实现某个目标而设计的。

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。

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 MAQ的信息®20 .工业数据采集与控制系统,下载目录。

参考

  • an122:PID控制简介
  • an123:调整控制循环以快速响应
  • AN124:使用IMC调谐方法调整控制循环
  • an125:调优电平控制回路
  • AN126:调整浪涌罐液位控制循环

美国宇航局yabovip16.com科技简报杂志

本文首次发表于2014年7月号美国宇航局yabovip16.com技术简报杂志。

请阅读本期更多文章这里

阅读档案中的更多文章这里