***interstates
作者 |benjamin langton
了解比例-积分-微分 （PID） 控制的原理以及闭环、开环和级联环中涉及的参数化非常重要。
调整控制回路是一项由相对简单的控制定律驱动的复杂活动。 目标是协调一个或多个参数，以实现在属性边界内稳定的过程。 本文将介绍缩放积分微分 （PID） 控制环路过程。
PID控制基于反馈。 测量设备或过程的输出，并将其与目标值或设定值进行比较。 如果检测到差异，则计算并实施更正。 再次测量输出并重新计算任何必要的修正。
并非每个控制器都使用 PID 中的所有三个数学函数。 许多过程都可以用比例积分项处理到可接受的水平。 然而，精细控制，特别是为了避免过冲，需要增加差分控制。
在比例控制中，校正因子由设定值与测量值之间的差值大小决定。 问题在于，当差值接近于零时，校正也接近于零，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值持续时间越长，计算出的修正系数就越大。 但是，当对校正的响应出现延迟时，这可能会导致过冲，并可能在设定点附近振荡。 要避免这样的结果，需要一个微分函数，该函数着眼于实现的变化率，逐步修改校正因子，以在接近设定值时降低其影响。
即使设备基本相同，每个过程都有其独特的属性。 例如，烤箱周围的气流会发生变化，环境温度会改变流体的密度和粘度，大气压力会随时间变化。 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，称为“复位”和“速率”）以适应这些局部差异。
将该过程分为以下四类可能是有益的：
快速回路，如流量和压力;
慢循环，例如温度;
液位、保温等集成过程;
测量值不断变化的嘈杂回路。
闭环调谐过程
调整闭环环路的第一步是了解过程。 确定需要调整的环路并确定环路的速度。 如果循环的响应时间从不到 1 秒到大约 10 秒，则为快速循环，使用 PI 控制器就足够了。 如果环路的响应时间为几秒到30秒，则可以选择PI或PID控制器。 对于响应时间超过 30 秒的慢速循环，建议使用 PID 控制器。
第二步是了解控制器。 比例项目可以是比例增益或比例带。 积分项可以是时间常数、复位率或积分增益（复位率乘以比例增益）。 差分项可以是时间常数，也可以是差分增益（差分时间常数乘以比例增益）。 本文假设了比例增益、积分置换率和差分增益。
最后一步是观察响应。 首先，稍微改变设定值（小于 5%），或等待过程干扰。 然后观察过程变量和控制输出响应。
如果控制输出没有瞬态变化或没有明显的过冲，则将比例增益增加 50%。
如果过程变量不稳定或连续振荡，并且过调大于25%，则比例增益降低50%，积分替换率降低50%。
如果工艺变量振荡存在可容忍的过冲，则将比例增益降低 20%，积分更换率降低 50%。
如果设定值变化时有三个或更多连续峰值，则将积分替换率降低 30%，将差分增益提高 50%。
如果过程变量在改变设定值后或干扰开始后长时间保持在设定值附近相对稳定，则积分更换率提高 100%。
重复上述步骤，直到闭环响应令人满意。
图：非积分过程模型。 **controlsoft
开环调优过程
与闭环过程类似，它始于对过程和控制器的理解。 对于非积分循环，请使用以下过程：
将回路置于手动控制模式，保持控制输出恒定，等待过程稳定。
在控制输出上进行小的阶跃变化（小于 10%）并观察响应。
评估流程模型，其中：
模型增益等于过程变量除以控制输出变化。
死区时间等于控制输出的变化与过程变量中可观察到的变化之间的时间间隔。
时间常数等于过程变量达到总变异值的 63% 所需的时间。
选择初始 PID 值，例如：
p 等于 2 除以模型增益。
I 等于死区时间加上时间常数。
d 等于死区时间除以 3 或时间常数除以 6。
这些初始 PID 值应提供合理的闭环响应。 控制器使用闭环调谐方法进行微调。
对于级联控制应用，例如由蒸汽阀加热的储罐，调节程序从内部回路开始，然后是外部回路。 由于内环的动态特性和外环的相互作用，一次只调整一个环。
将外环置于手动模式。
在内部电路上执行闭环调谐程序，然后将内部回路置于自动状态。
等待外圈稳定下来。
闭环调谐程序在外部电路上执行。
PID控制器通常用于工业自动化中的过程控制，以调整流量、温度、压力、液位和其他过程变量。 比例控制器和积分控制器对于大多数控制回路至关重要; 差模通常用于运动控制。 温度控制通常使用所有三种控制模式。
关键概念：
PID环路调谐有多种形式，工程师必须了解应用所需的环路调谐，并确保提供准确测量所需的参数。
了解闭环和开环调优过程之间的区别，以及它们最适合的位置。
想想吧：
PID调谐在您的设施中扮演什么角色？
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在2023年10月出版的《控制工程中国》杂志的“应用案例”部分：可持续的机器设计有利于内部物流。
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