***interstates
作者 |benjamin langton
了解比例-積分-微分 （PID） 控制的原理以及閉環、開環和級聯環中涉及的引數化非常重要。
調整控制迴路是一項由相對簡單的控制定律驅動的複雜活動。 目標是協調乙個或多個引數，以實現在屬性邊界內穩定的過程。 本文將介紹縮放積分微分 （PID） 控制環路過程。
PID控制基於反饋。 測量裝置或過程的輸出，並將其與目標值或設定值進行比較。 如果檢測到差異，則計算並實施更正。 再次測量輸出並重新計算任何必要的修正。
並非每個控制器都使用 PID 中的所有三個數學函式。 許多過程都可以用比例積分項處理到可接受的水平。 然而，精細控制，特別是為了避免過衝，需要增加差分控制。
在比例控制中，校正因子由設定值與測量值之間的差值大小決定。 問題在於，當差值接近於零時，校正也接近於零，結果是差值永遠不會變為零。
積分函式通過考慮累積偏差來解決這個問題。 設定值與實際值之間的差值持續時間越長，計算出的修正係數就越大。 但是，當對校正的響應出現延遲時，這可能會導致過衝，並可能在設定點附近振盪。 要避免這樣的結果，需要乙個微分函式，該函式著眼於實現的變化率，逐步修改校正因子，以在接近設定值時降低其影響。
即使裝置基本相同，每個過程都有其獨特的屬性。 例如，烤箱周圍的氣流會發生變化，環境溫度會改變流體的密度和粘度，大氣壓力會隨時間變化。 必須選擇PID設定（主要是應用於校正因子的增益以及積分和微分計算中使用的時間，稱為“復位”和“速率”）以適應這些區域性差異。
將該過程分為以下四類可能是有益的：
快速迴路，如流量和壓力;
慢迴圈，例如溫度;
液位、保溫等整合過程;
測量值不斷變化的嘈雜迴路。
閉環調諧過程
調整閉環環路的第一步是了解過程。 確定需要調整的環路並確定環路的速度。 如果迴圈的響應時間從不到 1 秒到大約 10 秒，則為快速迴圈，使用 PI 控制器就足夠了。 如果環路的響應時間為幾秒到30秒，則可以選擇PI或PID控制器。 對於響應時間超過 30 秒的慢速迴圈，建議使用 PID 控制器。
第二步是了解控制器。 比例專案可以是比例增益或比例帶。 積分項可以是時間常數、復位率或積分增益（復位率乘以比例增益）。 差分項可以是時間常數，也可以是差分增益（差分時間常數乘以比例增益）。 本文假設了比例增益、積分置換率和差分增益。
最後一步是觀察響應。 首先，稍微改變設定值（小於 5%），或等待過程干擾。 然後觀察過程變數和控制輸出響應。
如果控制輸出沒有瞬態變化或沒有明顯的過衝，則將比例增益增加 50%。
如果過程變數不穩定或連續振盪，並且過調大於25%，則比例增益降低50%，積分替換率降低50%。
如果工藝變數振盪存在可容忍的過衝，則將比例增益降低 20%，積分更換率降低 50%。
如果設定值變化時有三個或更多連續峰值，則將積分替換率降低 30%，將差分增益提高 50%。
如果過程變數在改變設定值後或干擾開始後長時間保持在設定值附近相對穩定，則積分更換率提高 100%。
重複上述步驟，直到閉環響應令人滿意。
圖：非積分過程模型。 **controlsoft
開環調優過程
與閉環過程類似，它始於對過程和控制器的理解。 對於非積分迴圈，請使用以下過程：
將迴路置於手動控制模式，保持控制輸出恆定，等待過程穩定。
在控制輸出上進行小的階躍變化（小於 10%）並觀察響應。
評估流程模型，其中：
模型增益等於過程變數除以控制輸出變化。
死區時間等於控制輸出的變化與過程變數中可觀察到的變化之間的時間間隔。
時間常數等於過程變數達到總變異值的 63% 所需的時間。
選擇初始 PID 值，例如：
p 等於 2 除以模型增益。
I 等於死區時間加上時間常數。
d 等於死區時間除以 3 或時間常數除以 6。
這些初始 PID 值應提供合理的閉環響應。 控制器使用閉環調諧方法進行微調。
對於級聯控制應用，例如由蒸汽閥加熱的儲罐，調節程式從內部迴路開始，然後是外部迴路。 由於內環的動態特性和外環的相互作用，一次只調整乙個環。
將外環置於手動模式。
在內部電路上執行閉環調諧程式，然後將內部迴路置於自動狀態。
等待外圈穩定下來。
閉環調諧程式在外部電路上執行。
PID控制器通常用於工業自動化中的過程控制，以調整流量、溫度、壓力、液位和其他過程變數。 比例控制器和積分控制器對於大多數控制迴路至關重要; 差模通常用於運動控制。 溫度控制通常使用所有三種控制模式。
關鍵概念：
PID環路調諧有多種形式，工程師必須了解應用所需的環路調諧，並確保提供準確測量所需的引數。
了解閉環和開環調優過程之間的區別，以及它們最適合的位置。
想想吧：
PID調諧在您的設施中扮演什麼角色？
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在2023年10月出版的《控制工程中國》雜誌的“應用案例”部分：可持續的機器設計有利於內部物流。
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