【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】用于調(diào)節(jié)PID控制器的方法和規(guī)則取決于過(guò)程類(lèi)型。在選擇調(diào)節(jié)方法之前，您必須識(shí)別不同過(guò)程類(lèi)型的特點(diǎn)。
 

　　過(guò)程響應(yīng)有無(wú)數(shù)種，因此用只有三個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)的算法來(lái)控制所有可能的過(guò)程響應(yīng)，看起來(lái)似乎是不可能的。不過(guò)，這是真的。在大多數(shù)應(yīng)用中，使用比例-積分-微分(PID)控制器可以處理絕大多數(shù)過(guò)程。
 

　　PID控制器的調(diào)節(jié)方式，取決于過(guò)程響應(yīng)的類(lèi)型；每類(lèi)過(guò)程都需要不同的調(diào)節(jié)規(guī)則和過(guò)程。需要正確識(shí)別和分類(lèi)過(guò)程響應(yīng)，以采取最有效的方法來(lái)調(diào)節(jié)PID控制器。
 

　　01  過(guò)程響應(yīng)的四個(gè)類(lèi)型
 

　　一般來(lái)說(shuō)，過(guò)程響應(yīng)可分為四大類(lèi)：自限型、積分型、指數(shù)型和復(fù)合型。
 

　　每種類(lèi)型的反應(yīng)都根據(jù)其內(nèi)部反饋的數(shù)量和類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)。前三種分別是具有內(nèi)部負(fù)反饋、內(nèi)部無(wú)反饋和內(nèi)部正反饋的過(guò)程。這三種類(lèi)型通常都可以用PID控制器來(lái)進(jìn)行控制。復(fù)合類(lèi)型包括任何具有多個(gè)內(nèi)部反饋的過(guò)程。用PID控制器控制復(fù)雜的過(guò)程，并不是任何情況都可行。
 

　　以下分別討論前三種過(guò)程響應(yīng)，包括任何相關(guān)的子類(lèi)別。有必要識(shí)別出每種過(guò)程響應(yīng)，因?yàn)橛糜谡{(diào)節(jié)PID控制器的程序因類(lèi)型而異。
 

　　02  自限型過(guò)程響應(yīng)
 

　　如其名所示，自限型過(guò)程響應(yīng)(圖1)在控制器輸出改變后，最終會(huì)達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。這種行為存在于任何具有內(nèi)部負(fù)反饋的過(guò)程中。應(yīng)用案例包括流量(壓降隨流量增加)和大多數(shù)溫度(熱損失隨溫度升高而增加)過(guò)程，以及更多的自限型過(guò)程。在自限型響應(yīng)領(lǐng)域中，有三個(gè)子類(lèi)別：
 

　　■ 滯后占主導(dǎo)地位；
 

　　■ “適度”自限型過(guò)程；
 

　　■ 死區(qū)時(shí)間占主導(dǎo)地位。
 

　　在討論主導(dǎo)過(guò)程響應(yīng)之前，先了解一些相關(guān)定義：
 

　　■ 死區(qū)時(shí)間(Dt)：過(guò)程開(kāi)始響應(yīng)控制器輸出變化之前的時(shí)間。
 

　　■ 滯后(T1)：過(guò)程達(dá)到最終(穩(wěn)態(tài))響應(yīng)的63.2%的時(shí)間。
 

▲圖1：在控制器輸出變化后，自限型過(guò)程響應(yīng)最終會(huì)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。
 

　　這種行為存在于任何具有內(nèi)部負(fù)反饋的過(guò)程中。
 

　　在表征過(guò)程響應(yīng)時(shí)，大多數(shù)過(guò)程會(huì)有多個(gè)滯后，但為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，通常將所有滯后都集中到一個(gè)滯后中；可以將該過(guò)程看作：一階過(guò)程加死區(qū)時(shí)間(FOPDT)。圖2的過(guò)程響應(yīng)是滯后占主導(dǎo)地位的響應(yīng)，其定義為：滯后時(shí)間超過(guò)死區(qū)時(shí)間的四倍：
 

　　T1 > 4 * Dt
 

▲圖2：滯后占主導(dǎo)地位的自限型過(guò)程，其滯后時(shí)間超過(guò)死區(qū)時(shí)間的四倍。
 

　　圖3是一個(gè)死區(qū)時(shí)間占主導(dǎo)地位的響應(yīng)，其定義為：滯后小于死區(qū)時(shí)間四分之一的響應(yīng)：
 

　　T1 < Dt / 4
 

▲圖3：死區(qū)占主導(dǎo)地位的過(guò)程，其死區(qū)時(shí)間是滯后時(shí)間常數(shù)的4倍以上。
 

　　根據(jù)定義，“適度”的自限型過(guò)程既不是滯后主導(dǎo)的，也不是死區(qū)主導(dǎo)的(圖4)，它是介于二者之間：
 

　　Dt / 4 < T1 < 4 * Dt
 

　　▲圖4：一個(gè)“適度”的自限型過(guò)程，具有大約相等的滯后和死區(qū)時(shí)間(比率在0.25和4之間)。
 

　　讓我們總結(jié)一下這三種類(lèi)型的特點(diǎn)，以便更好地了解過(guò)程反應(yīng)：
 

　　■ 適度的自限型過(guò)程，可以從PID控制器所用的微分中受益。控制器增益大致與過(guò)程增益相反。
 

　　■ 滯后主導(dǎo)的過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)較大的控制器增益，通常是過(guò)程增益倒數(shù)的幾倍。不建議采取微分，因?yàn)檫@通常會(huì)對(duì)控制器的響應(yīng)產(chǎn)生不利影響。
 

　　■ 死區(qū)主導(dǎo)的過(guò)程要求控制器增益小于過(guò)程增益的倒數(shù)。不建議采用微分，因?yàn)樗偸菍?duì)控制器的響應(yīng)有害。
 

　　03  積分過(guò)程響應(yīng)
 

　　積分響應(yīng)是質(zhì)量或能量平衡的過(guò)程特征。如果流出的液體與容器中的液體不匹配，容器將被填滿或清空，直到溢出或干涸。從物理過(guò)程來(lái)講，沒(méi)有內(nèi)部負(fù)反饋可以提供穩(wěn)定性。這意味著積分過(guò)程必須受到控制。對(duì)自限型過(guò)程，自動(dòng)控制可視為“可選”項(xiàng)。但對(duì)積分過(guò)程，自動(dòng)控制則是必選項(xiàng)。
 

　　圖5顯示了積分器對(duì)輸出流量變化的響應(yīng)(液位)。
 

　　當(dāng)輸出流量增加時(shí)，液位持續(xù)下降，直到輸出流量降低。然后，液位持續(xù)上升，直到輸出流量上升到其初始值(以匹配輸入流量)。所示的過(guò)程沒(méi)有死區(qū)時(shí)間或任何過(guò)程滯后，但可能性是存在的，因此必須在控制器調(diào)節(jié)期間加以考慮。
 

▲圖5：控制器輸出變化的積分過(guò)程響應(yīng)。
 

　　最后，滯后主導(dǎo)的自調(diào)節(jié)過(guò)程相當(dāng)慢，可以被視為“近積分器”。使用積分器的調(diào)節(jié)過(guò)程來(lái)調(diào)節(jié)近積分器，可以大大減少調(diào)節(jié)所花費(fèi)的時(shí)間(因?yàn)椴恍枰却徛^(guò)程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))。
 

　　04  指數(shù)過(guò)程響應(yīng)
 

　　呈現(xiàn)指數(shù)響應(yīng)的過(guò)程，具有正內(nèi)部反饋過(guò)程。我們通常將正內(nèi)部反饋與放熱反應(yīng)聯(lián)系起來(lái)。隨著溫度的升高，熱量的產(chǎn)生也會(huì)增加，這會(huì)導(dǎo)致溫度進(jìn)一步升高，從而產(chǎn)生更多的熱量，以此類(lèi)推。如果不能積極控制這些過(guò)程，將會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性結(jié)果，使人員和財(cái)產(chǎn)面臨風(fēng)險(xiǎn)。因此，必須對(duì)指數(shù)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制。
 

　　圖6顯示了正反饋的固有危險(xiǎn)。對(duì)(假想的)放熱反應(yīng)的冷卻在3到5分鐘內(nèi)的減少1%，之后恢復(fù)到其原始值。最初，爬升率很小，運(yùn)行人員可能會(huì)錯(cuò)過(guò)該信息。最終，正反饋會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，進(jìn)而失控。
 

▲圖6：對(duì)控制器輸出快速變化的指數(shù)過(guò)程響應(yīng)，顯示了正反饋的固有危險(xiǎn)。
 

　　05  復(fù)雜過(guò)程的響應(yīng)
 

　　對(duì)于復(fù)雜過(guò)程的響應(yīng)，其形狀幾乎可以是任何形式。如果PID控制器的響應(yīng)與任何其它類(lèi)型的過(guò)程大致相同，則可以用PID控制器來(lái)控制復(fù)雜過(guò)程(并調(diào)節(jié)控制器)。
 

　　當(dāng)整個(gè)過(guò)程具有內(nèi)部質(zhì)量或能量循環(huán)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的過(guò)程響應(yīng)。蒸餾塔、進(jìn)料/產(chǎn)品熱交換網(wǎng)絡(luò)和反應(yīng)物循環(huán)流將在溫度、壓力、液位和成分控制方面產(chǎn)生復(fù)雜的過(guò)程響應(yīng)。
 

　　如果一個(gè)復(fù)雜過(guò)程不能由普通的PID控制器控制，通�？梢允褂孟冗M(jìn)的PID功能或添加前饋/解耦器來(lái)管理過(guò)程各部分之間的交互，從而對(duì)其進(jìn)行控制。
 

　　06  根據(jù)不同類(lèi)型確定PID調(diào)節(jié)方法
 

　　用于調(diào)節(jié)PID控制器的方法，取決于PID所控制的過(guò)程類(lèi)型。在選擇調(diào)節(jié)方法之前，您必須識(shí)別不同過(guò)程類(lèi)型的特點(diǎn)。
 

　　自限型過(guò)程是迄今為止最常見(jiàn)的。這些過(guò)程在受到干擾時(shí)，將會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)值，因?yàn)樗鼈兙哂袃?nèi)部負(fù)反饋，可以提供穩(wěn)定性。流量和大多數(shù)溫度都是自限型過(guò)程的案例。這些過(guò)程的自動(dòng)控制可能是可選的。
 

　　積分過(guò)程是第二常見(jiàn)的。當(dāng)受到干擾時(shí)，積分過(guò)程將朝著新的方向發(fā)展，直到它們到達(dá)新的約束。此類(lèi)過(guò)程沒(méi)有內(nèi)部反饋來(lái)緩和反應(yīng)。液位控制是最常見(jiàn)的應(yīng)用。這些過(guò)程的自動(dòng)控制是強(qiáng)制性的。
 

　　指數(shù)過(guò)程不太常見(jiàn)。當(dāng)此類(lèi)過(guò)程受到干擾時(shí)，由于具有內(nèi)部正反饋，它們將以指數(shù)級(jí)的速度向約束方向發(fā)展。放熱反應(yīng)器是最常見(jiàn)的一個(gè)應(yīng)用。這些過(guò)程的自動(dòng)控制是強(qiáng)制性的。
 

　　復(fù)雜過(guò)程發(fā)生在具有內(nèi)循環(huán)的過(guò)程中，無(wú)論是質(zhì)量還是能量。如果這些過(guò)程的行為與上述任何一種都比較相似，則可以使用PID控制器對(duì)其進(jìn)行控制(并且可以像它們一樣進(jìn)行調(diào)節(jié))。如果沒(méi)有，那么控制可能需要更復(fù)雜的技術(shù)。