【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】當 PID 控制器表現(xiàn)不佳時，我們是否需要重新開始？如果開環(huán)或閉環(huán)整定方法已經(jīng)接近目標，我們能否利用所觀察到的現(xiàn)象和一些簡單的規(guī)則和步驟來完善PID 控制器的整定？
 

　　對于某些難以控制的回路，啟發(fā)式方法(模式識別)可能是唯一可行的回路整定方式。PID回路常見的三種整定方法包括：開環(huán)整定、閉環(huán)整定和啟發(fā)式整定。
 

　　在完成開環(huán)或閉環(huán)整定后，通常用啟發(fā)式方法來最終確定調(diào)優(yōu)常數(shù)(微調(diào))，或?qū)﹄S時間退化的控制器進行調(diào)優(yōu)。開環(huán)或閉環(huán)整定方法一般不能直接得到“最終”的整定常數(shù)。啟發(fā)式方法不僅適用于優(yōu)化已整定的回路，還適用于未經(jīng)整定的控制回路。對于某些難以控制的回路，它可能是唯一可行的方法。不過，對于新控制器而言，開環(huán)整定通常是最佳選擇。
 

　　控制回路的啟發(fā)式整定
 

　　“試湊法”整定的的效果有時候并不好，原因是顯而易見的。雖然對于大多數(shù)使用試湊法的人，都有一個理想的控制器響應(yīng)圖(這是積極的方面)，但卻不清楚如何實現(xiàn)這一目標(這才是問題所在)。
 

　　啟發(fā)式方法，實際上是模式識別的一種更復(fù)雜的表達方式。如果人們清楚自己在尋找哪種模式，并且明白找到模式后的處理方法，他們通常會在模式識別上表現(xiàn)得更出色。啟發(fā)式回路整定就是觀察控制器響應(yīng)并回答以下問題：
 

　　■ 控制器增益是過多還是過少？
 

　　■ 積分是過多還是過少？
 

　　■ 微分是否過多？
 

　　所有具有相似滯后/死區(qū)時間比的自調(diào)節(jié)控制回路，它們的行為模式都是相似的，唯一的區(qū)別在于規(guī)模。無論開環(huán)穩(wěn)定時間是以毫秒還是天為單位，我們所尋找的模式都是一致的，應(yīng)用規(guī)則也都是相同的。
 

　　啟發(fā)式整定是一個多步驟過程(如圖1所示)。我們初步觀察控制器時，推測其控制器增益和積分常數(shù)均過小(這一推測帶有一定假設(shè)成分，尤其是在認為控制器增益和積分常數(shù)較小時，因此使用了較大的橢圓標記)。我們的第一步是增大控制器增益。
 

　　接下來的評估表明，控制器增益過大(出現(xiàn)了整定過度的情況)，但積分常數(shù)仍然偏小(這使我們更加確信積分常數(shù)過小)。因此，我們調(diào)低了控制器增益，并增加了積分常數(shù)。
 

　　隨后，我們的評估發(fā)現(xiàn)控制器增益仍然過大(整定未徹底)，同時積分常數(shù)也過大(整定過度)。因此，我們進行了相應(yīng)的修正。在倒數(shù)第二次評估時，我們發(fā)現(xiàn)控制器增益再次偏小，而積分常數(shù)依然偏大(不過，這時已接近理想狀態(tài))。最終的整定取得了滿意的效果。
 

　　你可能會想：“這聽起來步驟太多了。”但實際上， 這個案例屬于復(fù)雜的反復(fù)整定過程。通常，如果你是基于開環(huán)或閉環(huán)調(diào)節(jié)測試提供的調(diào)節(jié)常數(shù)來進行調(diào)節(jié)，一般一次就能完成整定，最多不超過兩次。當然，隨著經(jīng)驗的積累，你的調(diào)節(jié)能力也會不斷提升。
 

　　如果你采用啟發(fā)式方法來調(diào)節(jié)一個難以控制的系統(tǒng)(通常是響應(yīng)較慢的控制器)，使用啟發(fā)式整定進行調(diào)節(jié)所需的屏幕操作時間通常比開環(huán)或閉環(huán)整定方法更短。對于響應(yīng)極慢的控制器，實際調(diào)節(jié)時間可能會持續(xù)數(shù)天；我曾經(jīng)歷過一次調(diào)整過程，四天才完成所有四個調(diào)節(jié)步驟。
 

　　下一個問題可能是：“如何判斷整定已完成？”一個非常好的答案是：“當人們停止抱怨時。”但更嚴謹?shù)淖龇ㄊ牵涸谡{(diào)?？刂苹芈非?，明確您期望的響應(yīng)類型。例如：
 

　　■ 控制器是否需要快速達到設(shè)定值點(例如，它是一個級聯(lián)的二級控制器)？
 

　　■ 控制器是否需要抑制擾動？
 

　　■ 控制器是否提供慢速優(yōu)化(也稱為“保持在合理范圍內(nèi)”)？
 

　　這些問題的答案決定了控制器的整定方式(臨界阻尼、欠阻尼或過阻尼)，同時可能會影響控制器的配置方式。
 

　　控制回路何時應(yīng)開始糾正負載擾動？
 

　　控制回路的自然周期(Pn)是閉環(huán)調(diào)節(jié)中的一個重要概念。它不僅有助于理解控制器的性能，還能為控制器的調(diào)節(jié)提供重要指導(dǎo)。其中一個重要見解是，在至少半個自然周期的時間過去之前，您無法看到控制回路整定變化的效果。一個簡單方法可以估算自然周期：
 

　　自然周期 (Pn) = 4 × 死區(qū)時間 (Dt)
 

　　簡而言之，在更改控制回路整定后，需要至少等待 ? 自然周期后再進行觀察。更好的做法是，等待一個完整的自然周期。
 

　　試湊法整定中最大的問題之一是，是在過程有時間“消化”之前的調(diào)試更改之前，就將調(diào)試更改疊加在一起。未能理解自然周期的重要性會導(dǎo)致大量時間浪費，并導(dǎo)致調(diào)試效果不佳，要么是因為調(diào)試人員放棄了，要么是錯誤地將當前響應(yīng)解釋為最后一次調(diào)試調(diào)整的實際反映——而實際上可能并非如此。
 

　　啟發(fā)式整定方法解析
 

　　啟發(fā)式整定通常包含四個步驟：
 

　　1.改變控制器設(shè)定點(控制器處于自動模式)。
 

　　2.觀察過程響應(yīng)，并判斷它符合哪種模式？
 

　　3.根據(jù)識別出的模式執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)整規(guī)則。
 

　　4.根據(jù)需要重復(fù)調(diào)整。
 

　　在現(xiàn)實應(yīng)用中，你可能會發(fā)現(xiàn)實際模式與上述模式不完全匹配。這并不罕見；通常需要調(diào)節(jié)的控制器可能存在多個問題。請選擇最接近的模式并按照相應(yīng)的規(guī)則進行調(diào)節(jié)。它可能需要多次調(diào)整，但最終可以實現(xiàn)理想的調(diào)節(jié)效果。
 

　　控制器增益過高的規(guī)則
 

　　圖2顯示了一個增益過大的控制器，在設(shè)定值點(SP)附近進行階躍測試時的表現(xiàn)。該控制器的增益似乎過大，過程變量(PV)和輸出(OP)的峰值幾乎完全重疊。積分作用確實會導(dǎo)致輸出(OP)在過程變量(PV)變化后稍微改變方向，但相比峰值之間四分鐘的間隔，這個延遲僅為幾秒鐘，影響較小。降低控制器增益的規(guī)則如下：
 

　　■ 將控制器增益降低30%(在25-50%之間均可)。重復(fù)此步驟，直到振蕩減少到可接受的水平。
 

　　■ 如果調(diào)節(jié)日志顯示控制器增益最近被提高過，則取中間值進行調(diào)整。
 

　　如果不需要進一步檢查積分調(diào)節(jié)，可以更新調(diào)節(jié)日志(你會記錄維護調(diào)節(jié)日志嗎？)，然后繼續(xù)進行日常工作。
 

　　但如果你認為積分調(diào)節(jié)也需要關(guān)注(積分可能過慢)，可以利用調(diào)整控制器增益所學(xué)到的經(jīng)驗，來估算積分調(diào)節(jié)常數(shù)。
 

　　積分作用過強的規(guī)則
 

　　圖3展示了一個積分作用過強的控制器，在設(shè)定點(SP)階躍測試中的表現(xiàn)?？梢悦黠@看出積分過強，OP峰值顯著滯后于PV峰值。降低積分作用的規(guī)則是：
 

　　■ 將積分增加50%(25-75%之間的任何值都可以)。重復(fù)直到波動降低到可接受的水平。
 

　　■ 如果調(diào)優(yōu)日志顯示積分最近被降低，則取中間值。

 

　　如果沒有必要檢查控制器增益，你可以更新調(diào)優(yōu)日志，然后繼續(xù)你的工作。然而，如果有理由認為控制器增益需要調(diào)整，可以利用在修正積分過程中獲得的經(jīng)驗，來估算合適的控制器增益。
 

　　控制器增益過小的規(guī)則
 

　　增加控制器增益的規(guī)則如下：
 

　　■ 將控制器增益增加不超過50%。重復(fù)此步驟，直至震蕩較小，如有必要再進行適當降低。
 

　　■ 如果調(diào)節(jié)日志顯示控制器增益已被降低，則取中間值進行調(diào)整。
 

　　注意：如果控制器增益低于基準控制器增益 Kbase，并且你確定這不是一個死區(qū)主導(dǎo)的過程，那么第一步應(yīng)將控制器增益設(shè)定在Kbase附近或稍低于它。
 

　　然而，對于滯后主導(dǎo)的過程，控制器增益過小可能不會表現(xiàn)出明顯的跡象。這是因為即使控制器增益達到基線增益(Kbase)的數(shù)倍，系統(tǒng)仍可能保持穩(wěn)定。相反，控制器的表現(xiàn)可能讓人誤以為增益已足夠。此外，控制器增益的上限可能受其它因素限制，例如避免對下游過程產(chǎn)生干擾。
 

　　你可能會好奇，為什么這會成為一個問題。更高的控制器增益能夠減少過程干擾的影響，限制干擾的幅度和持續(xù)時間。如果該控制器的主要目的是抑制過程干擾，那么最大化控制器增益將是理想選擇。在這種情況下，可以逐步增加控制器增益，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，然后再根據(jù)需要適當降低。
 

　　這正是保持調(diào)優(yōu)日志的重要性之一。特別是對于滯后主導(dǎo)的過程，記錄下調(diào)優(yōu)決策的原因至關(guān)重要——無論是為了提高增益以抑制干擾，還是為了降低增益以避免影響下游過程。這樣一來，任何查看該控制器調(diào)優(yōu)記錄的人都能清楚地了解其背后的考量，從而確保調(diào)優(yōu)策略的一致性和可追溯性。
 

　　在接近合適的控制器增益之前，不要急于估算積分調(diào)優(yōu)常數(shù)。如果在控制器增益過小時進行估算，所得的積分調(diào)優(yōu)常數(shù)可能會過快，從而會增加系統(tǒng)不穩(wěn)定的風(fēng)險。
 

　　積分調(diào)整過慢的規(guī)則
 

　　加快積分速度的規(guī)則是：
 

　　■ 將積分減少25%到50%。重復(fù)直到檢測到輕微震蕩，然后根據(jù)需要增加。
 

　　■ 如果調(diào)優(yōu)日志顯示積分最近被減慢，則取中間值。
 

　　當積分設(shè)置過慢時，控制器在SP變化或受到干擾后，很難消除誤差。這一點適用于滯后主導(dǎo)和中等自限過程。請記住，控制器增益無法單獨消除誤差，只有積分才能完成這一任務(wù)。然而，對于滯后主導(dǎo)過程，如果控制器增益足夠高，可能很難判斷積分是否過慢。如果控制器增益是基線控制器增益的10倍，那么僅憑控制器增益就能消除約90%的誤差。
 

　　在接近合適的積分調(diào)優(yōu)常數(shù)之前，不要急于估算控制器增益。如果在積分調(diào)優(yōu)常數(shù)過慢時進行計算，可能會得出過大的控制器增益，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。
 

　　微分作用過強的規(guī)則
 

　　修正微分過強的規(guī)則是：
 

　　■ 將微分設(shè)置為零。
 

　　■ 必要時糾正控制器增益和積分。
 

　　■ 如果在校正后，該過程看起來像一個中等過程，請考慮將微分設(shè)置為積分的 1/4(Td = 0.25 * Ti)。如果這導(dǎo)致問題，則移除微分。
 

　　大多數(shù)控制回路不應(yīng)使用微分。在某些情況下，微分可以改善控制器響應(yīng)。但在應(yīng)用微分之前，請確保你正在處理的是具有多個滯后的中等自限過程。
 

　　啟發(fā)式整定的技巧和局限性
 

　　由于啟發(fā)式整定是通過在自動模式下更改 SP 來完成的，因此對過程的風(fēng)險非常小。不過，必須與操作 人員合作，確定其能夠接受的最大 SP 變化。較大的 SP 變化有助于獲得更好的結(jié)果，因為噪聲和控制閥問題對結(jié)果的影響較小。如果你懷疑閥門有問題，應(yīng)該進行多次不同幅度的上下調(diào)整。如果過程響應(yīng)不一致，那么你可能遇到了調(diào)優(yōu)無法解決的問題。
 

　　務(wù)必保留一個回路整定日志。保留日志的好處多多，其中之一是，如果你使用啟發(fā)式方法，日志可以幫助指導(dǎo)你的整定工作。具體來說，如果你最近提高了控制器增益，但現(xiàn)在看起來調(diào)節(jié)過度，可以通過取上次設(shè)置和當前設(shè)置的中間值來調(diào)整。啟發(fā)式整定的目標是加快整定過程，而整定日志則能助你一臂之力。
 

　　耐心是試湊法整定的常見問題。啟發(fā)式方法其實是“有指導(dǎo)的試湊法”的一種簡化說法，而我看到的最大問題是人們不愿意等待。請記住，任何整定更改的結(jié)果，只有在自然周期的一半過去后才會顯現(xiàn)，而自然周期大約是過程死區(qū)時間的四倍。如果你正在處理一個慢速過程，那就可以在進行調(diào)整后離開，以避免在當前調(diào)整完全生效之前進行另一次更改的沖動。在調(diào)整生效之前堆疊更改會掩蓋結(jié)果，并且會延長整定過程的時間。
 

　　正如我們在上面看到的，使用啟發(fā)式方法可能需要多個步驟。如果控制回路的調(diào)優(yōu)偏離目標太遠，最好先使用開環(huán)整定來獲得一個初步近似值，然后再使用啟發(fā)式方法最終確定調(diào)優(yōu)常數(shù)。話雖如此，隨著經(jīng)驗的積累，你才能更有根據(jù)的預(yù)測，多大更改才能實現(xiàn)最佳值。此外，如果你所在的設(shè)施調(diào)試得相當好，而你需要重新調(diào)試一個控制回路，那么現(xiàn)有的調(diào)試常數(shù)很可能離最優(yōu)值不遠。使用啟發(fā)式方法會更快，特別是如果在最近的趨勢中SP發(fā)生變化，這時可以估算出新的調(diào)優(yōu)常數(shù)。
 

　　一個壞的控制閥會扭曲回路整定結(jié)果。壞閥門的常見問題之一是滯后會導(dǎo)致極限循環(huán)擺動。如果你不了解壞閥門產(chǎn)生的獨特特征，可能會將其誤認為是控制器增益或積分過多的問題。那么無論你做什么，可能都無法修復(fù)這種擺動，但你的調(diào)優(yōu)努力可能會使回路變得過于緩慢，以至于無法正常工作。
 

　　啟發(fā)式整定簡單且安全，只需要你避免大幅度調(diào)整。和所有整定方法一樣，經(jīng)驗和對PID方程的理解很有幫助。啟發(fā)式整定還可以與其他循環(huán)調(diào)試方法互為補充，可用于優(yōu)化其他方法的結(jié)果。啟發(fā)式整定會加快并改進你的調(diào)試工作。開環(huán)和閉環(huán)方法的結(jié)果往往不完全符合我們的需求，啟發(fā)式整定無需從頭開始，可智能地調(diào)整調(diào)試常數(shù)，以獲得所需的性能。