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澳门葡京娱乐厂为你全面分析PID控制器调节规则
编辑: 来源: 发布时间:2018-11-30
      几乎每个自动化系统供应商,顾问,控制理论教授和用户都有一组最喜欢的PID调整规则。许多这些专家确信他们的设置是最好的。致力于调整的手册有超过500页的规则。规则的热情和绝对数量证明了调整的重要性以及各种应用动态,要求和复杂性。好消息是这些方法为了共同目标而趋同。增加PID功能,例如设定点超前滞后,动态复位和输出速度限制,以及积分作用的智能暂停,可以使用干扰抑制调节来实现其他系统要求,例如最大化设定点响应,协调回路,延长阀门包装寿命,最大限度地减少对操作和其他控制回路的干扰。
 
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潜在的表现
      控制循环的目的是拒绝不希望的更改,忽略无关的更改,并实现所需的更改,例如新的设定点。在适当调整时,PID控制可以最好地抑制未测量的干扰(调节控制)。在外部复位路径中添加简单的死区时间块可以比其他具有内置于过程动态的智能的控制器(例如模型预测控制)更多地增强PID调节控制能力。在植物中,未知和无关的变化是现实,如果适当调整,澳门葡京娱乐厂PID是最好的工具。对于最困难的循环,测试时间已经显着减少。已经开发了简单的方程来估计统一方法的调整和结果性能。(方程推导和简单的调整方法都在在线版本中。)
控制要求
      澳门葡京娱乐厂PID的最重要要求是防止安全仪表系统或减压装置的激活以及防止环境违规(RCRA pH),压缩机喘振和过程偏离的关闭。峰值误差(与设定值的最大偏差)是最适用的度量标准。最具破坏性的扰乱是未测量的阶跃扰动,如果PID处于手动或不存在,则会导致开环误差(E o)。反馈控制中看到的开环误差的分数更多地取决于控制器增益而不是积分时间,因为比例模式提供了对于最小化峰值误差很重要的初始反应。公式(1)显示了控制器增益(K c)和开环增益的乘积(K o)远大于1,峰值误差(E x)明显小于开环误差。开环增益(K o)是最终元素,过程和测量增益的乘积,是过程变量的百分比变化除以设定值变化的控制器输出变化百分比。对于大多数容器和色谱柱温度和压力控制回路,过程变化率比死区时间慢得多。因此,控制器增益可以设置得足够大,其中分母变为增益乘积的倒数。相反,对于由死区时间支配的循环,分母接近1,峰值误差基本上是开环误差。
 
 
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      峰值误差对于熔体,固体或浆料(例如挤出机,板材生产线和纺丝生产线)的最终加工中的产品质量至关重要。由于颜色,稠度,光学透明度,厚度,大小,形状以及食物的适口性,峰值误差表现为被拒绝的产品。不幸的是,这些系统主要是交通延误。必须最小化上游过程的峰值错误和中断。
      最广泛引用的度量标准是积分绝对误差(IAE),它是过程变量和设定值之间的区域。对于非振荡响,IAE和集成误差(IE)是相同的。由于比例和积分作用对于最小化该误差是重要的,因此等式(2)示出随着积分时间(T i)增加并且控制器增益减小,IE增加。
 
 
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      等式(2)还示出了与IE控制器实行时间(如何增加Δt的X)和信号滤波时间(τ ?F)。这些术语的等效死区时间也会降低最小允许积分时间和最大允许控制器增益,从而进一步降低最大可能性能。在许多情况下,原始控制器调整比允许的慢并且保持不变,因此观察到的唯一恶化来自等式(2)的分子中的这些项。对自动化系统动力学和创新的影响的研究可能导致相互矛盾的结果,因为缺乏对调整对起始案例和比较案例表现的影响的认识。换句话说,您可以通过调整控制器的方式随时证明您想要的任何内容。
      澳门葡京娱乐厂表示不合规格的产品数量,其可导致原料的产量降低和成本比率提高或产品的再循环处理。如果不合格的不合格或不能提高进料速度,则生产率会下降。如果不能恢复不合格,则存在废物处理成本。
      为最大性能而调整的控制器将对未测量的干扰产生闭环响应,类似于背靠背放置的两个直角三角形。每个三角形的底部是总循环死区时间,高度是峰值误差。如果积分时间(复位时间)太慢,则返回设定值的速度会变慢。如果控制器增益太小,峰值误差会增加,右三角形会因返回设定值而变大。
过程动态
      假设没有干扰,主要类型的过程动态由开环响应的最终路径与手动控制器输出的变化区分开来。(在线版本显示了三种主要类型的响应和相关联的动态条件)。如果所述响应线出到新的稳定状态,该方法是自调节以开放的环路时间常数(τ ò)这是循环中最大的时间常数。流动和连续操作温度和浓度是自我调节过程。如果响应继续增加,则该过程正在集成。液位,色谱柱和容器压力,批量操作温度和浓度是整合过程。如果响应加速,达到不可逆的点,则该过程具有正反馈,导致失控。高度放热反应器中的间歇或连续温度(例如,聚合)可能变成失控过程。不允许长时间的开环测试,并且设定值变化有限。因此,很少有意识地观察到加速度。
 
 
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统一的方法
      所述三种主要类型的响应没有响应为总环路的死区时间(的初始时间段θ ?),接着自调节响应的减速(拐点)之前斜坡和失控反应的加速度。百分比斜率除以控制器输出百分比的变化是积分过程增益(K i),单位为%/ sec /%,减少到1 / sec。
      至少10年来,长时间减速的缓慢自调节过程已被证明可以有效地识别和调整为“近似积分”或“伪积分”过程,从而导致“短切调整方法”,其中只有死区时间并且需要识别初始斜率。通过不等待稳定状态,这些“近集成”过程的调整测试时间可以减少90%以上。最近,通过使用死区时间块计算死区时间间隔内的斜率,该方法扩展到失控过程和死区主导自调节过程。此外,当性能目标是最大的未测量干扰抑制时,发现其他调整规则给出控制器增益的相同等式。例如,使用闭环时间常数(λ)等于Lambda调谐中的总循环死区时间产生与Ziegler Nichols(ZN)极限振荡和反应曲线方法相同的结果,如果ZN增益减少一半以获得平滑性和稳健性。公式(3)显示控制器增益是积分过程增益和死区时间乘积的倒数的一半。
 
 
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      专业人士意识到,太大的控制器增益将导致相对快速的振荡并且可能引发不稳定性(振荡增加)。对于积分过程未实现的是,控制器增益太小会导致极慢的振荡,随着增益的降低,衰减需要更长的时间。对于失控过程而言,未实现的是控制器增益设置小于开环增益的倒数导致温度升高加速到不返回点。有一个允许的控制器增益窗口。还实现了太小的积分时间会导致过冲并导致复位周期。几乎完全未实现的是,积分时间太慢将导致设定点的持续超调,随着整合过程的积分时间增加,设定点变得更大且更持久。因此存在允许的积分时间窗口。公式4a为积分过程提供了正确的积分时间大小。如果大家将等式3代入等式4a,大家最终得到等式4b,这是最大干扰抑制的积分时间的通用表达式。公式4a非常重要,因为大多数积分过程的控制器增益比允许的小5到10倍。对于自调节过程,可以减小公式4b中的系数,因为死区时间变得大于开环时间常数(公式4a为积分过程提供了正确的积分时间大小。如果大家将等式3代入等式4a,大家最终得到等式4b,这是最大干扰抑制的积分时间的通用表达式。公式4a非常重要,因为大多数积分过程的控制器增益比允许的小5到10倍。对于自调节过程,可以减小公式4b中的系数,因为死区时间变得大于开环时间常数(公式4a为积分过程提供了正确的积分时间大小。如果大家将等式3代入等式4a,大家最终得到等式4b,这是最大干扰抑制的积分时间的通用表达式。公式4a非常重要,因为大多数积分过程的控制器增益比允许的小5到10倍。对于自调节过程,可以减小公式4b中的系数,因为死区时间变得大于开环时间常数(公式4a非常重要,因为大多数积分过程的控制器增益比允许的小5到10倍。对于自调节过程,可以减小公式4b中的系数,因为死区时间变得大于开环时间常数(公式4a非常重要,因为大多数积分过程的控制器增益比允许的小5到10倍。对于自调节过程,可以减小公式4b中的系数,因为死区时间变得大于开环时间常数(τ ?)由公式5来估计。
 
 
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      如果设定值变化通过超前滞后,则用于最大负载抑制的调谐可用于有效且平滑的设定点响应。滞后时间设置为等于积分时间,并且前置时间设置为大约等于滞后时间的1/4。
对于启动,等级转换以及连续过程和批量操作的优化,设定点响应非常重要。在许多情况下,最小化达到新设定点(上升时间)的时间可以最大化过程效率和容量。无输出饱和,无设定值前馈和无特殊逻辑的上升时间(T r)是积分过程增益与控制器增益加上总回路死区时间的乘积的倒数。公式6与设定值变化无关。
 
 
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并发症,简单的解决方案
      澳门葡京娱乐厂控制器输出的快速变化可能导致慢速二次回路或慢速最终控制元件的振荡。问题是阴险的,因为振荡可能仅针对大的干扰或大的设定点变化而发展。启用动态复位限制选项以及次级回路或最终控制元件过程变量的及时外部复位反馈将防止主PID控制器输出的变化快于次级或最终控制元件可以响应,从而防止振荡。
      积极的控制器调整还可以扰乱操作,干扰其他循环,并导致分割范围点的连续交叉。速度限制可以添加到模拟输出模块,启用动态复位限制选项,以及用作外部复位的块过程变量,以提供方向移动抑制,以根据需要平滑响应,而无需重新调整。
循环的不同闭环响应可以减少协调,对于操纵这些循环的高级过程控制系统的模型识别的混合和简化尤其重要。过程非线性可能导致一个方向的响应更快。方向输出速度限制和动态复位限制选项可用于均衡闭环时间常数,而无需重新调整。
      如果循环中分别存在一个或两个或更多个积分器,则最终控制元件分辨率限制(粘滑)和死区(反向间隙)可能导致限制循环。积分器可以通过积分模式处于过程中或辅助或主PID控制器中。增加积分时间会使循环周期变慢但不能消除振荡。但是,当过程变量没有显着变化且过程接近设定值时,完全暂停积分动作可以停止极限循环。输出速度限制还可用于防止控制器输出中的振荡超过控制阀的死区或分辨率极限,从而防止抖动,从而进一步减少阀门磨损。
底线
      可以通过统一的方法针对主要类型的过程调整控制器以实现最大的干扰抑制。当今DCS中的PID选项,例如设定点超前滞后,方向输出速度限制,动态复位限制以及积分作用的智能暂停,可以在不重新调整的情况下消除振荡。较少的振荡减少了过程的可变性,可以更好地识别趋势,更容易识别动态,并提高阀门的包装寿命。

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