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PID控制器是现代过程控制系统的主力
编辑: 来源: 发布时间:2018-11-19

     澳门葡京娱乐厂PID控制器用于工业中的大多数自动过程控制应用。它们可以调节流量,温度,压力,液位和许多其他工业过程变量。本应用笔记先容了PID控制器的设计,并说明了其中使用的P,I和D控制模式。 

 
    手动
    没有自动控制器,所有调节任务都必须手动完成。例如:为了保持工业燃气加热器排出的水温恒定,操作员必须观察温度计并相应地调整燃气阀。如果由于某种原因水温变得太高,操作员必须稍微关闭燃气阀 - 刚好足以使温度回到所需的值。如果水变得太冷,他必须打开燃气阀。 
 
PID控制器是现代过程控制系统的主力
 
    反馈控制
    由操作员完成的控制任务称为反馈控制,因为操作员根据他通过温度计从过程中获得的反馈来改变点火率。反馈控制可以按照此处所述手动完成,但通常会自动完成,如下一节所述。 
 
    操作员,阀门,过程和温度计形成一个控制回路。操作员对燃气阀的任何改变都会影响温度,温度会反馈给操作员,从而关闭回路。 
 
    自动控制
    为了使操作员免于手动控制的繁琐任务,可以使用PID控制器自动控制功能。以下是必需的:
    1.安装电子温度测量设备
    2.通过在其上添加一个实行器(可能还有一个定位器)使阀门自动化,从而可以通过电子方式驱动阀门
    3.控制器,并将其连接到电子温度测量和自动控制阀
 
    澳门葡京娱乐厂PID控制器具有设定点(SP),操作员可将其设置为所需温度。控制器的输出(CO)设定控制阀的位置。温度测量称为过程变量(PV),为控制器提供急需的反馈。过程变量和控制器输出通过电流,电压或数字信号传输。 
 
PID控制器是现代过程控制系统的主力1
 
    当一切都启动并运行时,PID控制器接收过程变量信号,将其与设定值进行比较,并计算两个信号之间的差异,也称为误差(E)。然后,根据误差和PID控制器的调谐常数,控制器计算出适当的控制器输出,将控制阀设置到正确位置,以将温度保持在设定点。如果温度超过其设定值,控制器将减小阀门位置,反之亦然。 
 
    PID控制
    PID控制器有三种控制模式:
    1.比例控制
    2.积分控制
    3.衍生控制
 
    三种模式中的每一种对错误的反应都不同。通过更改控制器的调整设置,可以调整每种控制模式产生的响应量。 
 
    比例控制模式
    比例控制模式是控制器中的主要驱动力。它会根据错误改变控制器输出。如果错误增加,则控制动作按比例增加。这非常有用,因为需要更多控制操作来纠正大错误。 
 
    比例控制的可调设置称为控制器增益(Kc)。较高的控制器增益将增加给定误差的比例控制动作量。如果控制器增益设置得太高,控制环将开始振荡并变得不稳定。如果控制器增益设置得太低,它将无法充分响应干扰或设定点变化。 
 
PID控制器是现代过程控制系统的主力2
 
    对于大多数控制器,调整控制器增益设置会影响积分和微分控制模式下的响应量。这就是该参数被称为控制器增益的原因。但是,有一种控制器设计(称为并行或独立增益算法),其中调整比例增益不会影响其他模式。 
 
    仅比例控制器
    PID控制器可以配置为通过关闭积分和微分模式仅产生比例动作。比例控制器易于理解且易于调整。控制器输出只是控制器误差乘以控制器增益加上偏置。需要偏置,以便控制器可以在误差为零(设定点处的过程变量)时保持非零输出。 
 
    使用仅比例控制具有很大的缺点 - 偏移。偏移是一个持续的误差,单靠比例控制无法消除。例如,让大家考虑使用仅比例控制器来控制图5中水箱中的水位。只要水箱中的流量保持不变,水位将保持在其设定点。 
 
    但是,如果操作员应增加油箱的流量,由于流入和流出之间的不平衡,油箱液位将开始下降。当油箱液位降低时,误差增加,比例控制器将按比例增加控制器输出。因此,控制流入油箱的流量的阀门打开得更宽,更多的水流入油箱。 
 
    随着水位继续下降,错误增加并且阀门继续打开,直到它达到流入再次与流出相匹配的程度。此时油箱液位(和误差)将保持不变。由于误差保持不变,大家的P控制器将保持其输出恒定,控制阀将保持其位置。系统现在保持平衡,但油箱水平仍然低于其设定值。这个剩余的持续错误称为偏移。 
 
    下图显示了前面描述的过程加热器燃料气体压力突然下降的影响,以及p-only控制器的响应。燃料气体压力的降低降低了燃烧速率并且加热器出口温度降低。这会产生控制器响应的错误。然而,找到控制动作和误差之间的新平衡点,并且比例控制器不消除温度偏移。 
 
过程加热器燃料气体压力突然下降的影响
    在仅比例控制下,偏移将保持存在,直到操作员手动更改控制器输出上的偏差以消除偏移。据说操作员手动重置控制器。 
 
    积分控制模式
    如上所述,对手动复位的需要导致了自动复位或积分控制模式的发展,如今天所知。积分控制模式的功能是随着时间的推移递增或递减控制器的输出以减少错误,只要存在任何错误(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,积分模式将以很快的速率递增/递减控制器输出; 如果错误很小,则更改将会很慢。对于给定的误差,积分作用的速度由控制器的积分时间设置(Ti)设置。较大的Ti值(长积分时间)导致缓慢的积分作用,而较小的Ti值(短积分时间)导致快速积分作用。如果积分时间设置得太长,控制器会缓慢; 如果设置得太短,控制回路将振荡并变得不稳定。 
 
积分控制模式
 
    大多数控制器,包括MAQ?20,在几分钟内使用积分时间(Ti)作为积分控制的测量单位,但有些控制器使用积分时间(以秒为单位)。一些控制器,通常是具有并行算法的控制器,每分钟重复使用积分增益(Ki)。MAQ?20也提供并行算法。 
 
    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。 
 
    很明显积分控制如何继续驱动控制器输出,直到它消除了所有偏移。 
 
PID控制器是现代过程控制系统的主力3
 
    微分控制模式
    PID控制器中的第三种控制模式是微分控制模式。衍生控制很少用于控制过程,但它经常用于运动控制。对于过程控制,它不是绝对必需的,对测量噪声非常敏感,并且它使三重误差调整更加困难。然而,使用控制器的微分控制模式可以使某些类型的控制回路响应速度比仅用PI控制快一些(温度控制是PID控制的典型应用)。 
 
    微分控制模式根据误差的变化率产生输出。因此,衍生模式最初称为速率。如果误差以更快的速率变化,则导数模式会产生更多的控制动作。如果错误没有变化,则微分作用为零。微分模式具有可调节的设置,称为微分时间(Td)。微分时间设置越大,产生的微分动作就越多。微分的微分时间设置有效地关闭了该模式。如果微分时间设置得太长,则会发生振荡,控制回路将运行不稳定。 
 
    结论
    PID控制器是现代过程控制系统的主力。比例,积分和微分控制模式各自实现独特的功能。比例和积分控制模式对于大多数控制回路是必不可少的,而导数仅在某些情况下有用。PID控制算法有不同的设计,澳门葡京娱乐厂支撑最常见的非交互算法,以及并行算法。 
 
    这种PID算法的多功能性使其非常强大,适用于广泛的过程控制应用,包括:
    测试和测量;
    工厂和过程自动化;
    机器自动化;
    军事和航空航天;
    油和气;
    环境监测;
 
 

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