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澳门葡京娱乐厂带您了解自我调整过程中调整PID控制器的方法
编辑: 来源: 发布时间:2018-12-03
澳门葡京娱乐厂带您了解在自调整过程中调整PID控制器的方法
      工业制造过程中两种最常见的过程响应类别是自我调节和整合。对阶跃输入变化的自我调节过程响应的特征在于过程变量的变化,其变为并且稳定(或自我调节)在新值处。对阶跃输入变化的积分过程响应的特征在于过程变量的斜率的变化。从比例,积分,微分(PID)过程控制器的角度来看,PID控制器的输出是过程的输入。
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      过程的输出(过程变量(PV))是PID控制器的输入。图1比较了过程变量对自我调节过程和积分响应的PID控制器输出的阶跃变化的响应。
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图1. PV对自调节和积分过程中控制器输出的阶跃变化的响应。
      自我调节反应在过程工业中非常普遍。许多流动,液体压力,温度和组成过程是自我调节的。在本系列的第一篇博文中,我先容了调整集成过程中使用的PID控制器的技术。在这篇文章中,我将先容一种在自动调节过程中调节PID控制器的方法。
挑战
      无论澳门葡京娱乐厂PID控制器的调整如何,控制性能都受到仪器和最终控制元件性能的限制。在调整控制器之前,了解过程并验证仪器和最终控制元件(通常是控制阀)的性能是有帮助的。控制阀应具有较小的死区和分辨率 - 另一个讨论话题!它应该具有适当且一致的流量增益。它应具有适合过程性能要求的响应时间。ANSI / ISA-75.25和EnTech控制阀动态规范V3.0是有关该主题的极好信息来源。此外,应审查控制方案,以确保它是适用于应用的线性控制方案。最后,应该审查和理解要调整的控制回路与其他控制回路的相互作用。循环调谐的希望“积极性”应该基于控制回路与其他回路的相互作用以及控制器输出的运动的结果。
调整自我调节过程
      称为PID控制器调整的调优方法解决了这些挑战。PID控制器调整方法允许用户选择闭环响应时间,称为PID控制器,并计算相应的调整。选择λ闭环响应时间以实现希望的过程目标和稳定性标准。这可能导致选择一个小的PID控制器用于良好的负载调节,一个大的PID控制器用于通过允许PV偏离设定点或在这两个极端之间的某处来最小化控制器输出和操纵变量的变化。更重要的是,循环的PID控制器可用于协调许多循环的响应,以减少交互和可变性。
      用于自调节过程的PID控制器调节可以导致闭环响应,该响应比过程的开环响应时间更慢或更快。虽然PID控制器被定义为过程对控制器设定点的阶跃变化的响应的闭环时间常数,但是负载调节能力也是循环的λ的函数。图2显示了对λ调整的自调节过程响应的阶跃设定点变化和阶跃负荷变化的响应。
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图2.用于步进设定点和步进负载阶跃变化的自调节过程的λ调节响应。
      自我调节过程响应通常包括死区时间,通常可以通过“一阶”或“二阶”响应来近似。本文描述了当进程响应可以通过一阶加死区时间响应来近似时的PID控制器调整过程。针对二阶加死区响应的PID控制器调优将在以后的文章中先容。
程序
用于自我调节过程的PID控制器调整方法包括三个步骤:
      确定过程动态。
      选择所需的闭环响应速度PID控制器。
      计算所需的PID调节常数。
      图3显示了自调节“一阶加死区”过程的动态参数,包括死区时间(Td),以时间为单位; 时间常数(tau),以时间为单位; 和过程增益(Kp),以百分比控制器PV跨度/百分比控制器输出跨度为单位。通常实行几个步骤测试; 审查结果的一致性; 并计算平均过程动态并用于调整参数计算。如果控制器输出直接进入控制阀,如果输出步骤是方向反转,则阀门中任何明显的死区都会降低过程增益。如果控制器输出级联到“从”循环的设定点,则应首先调整从属循环。
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      3.一阶自调节过程的开环过程动态包括死区时间,时间常数和过程增益。T98是该过程达到其最终值的98%所需的时间。
      下一步是选择澳门葡京娱乐厂PID控制器以实现循环所需的过程控制目标 - 允许的稳定裕度和过程动态的预期变化。较短的PID控制器会产生更激进的调整和更低的稳定性余量。较长的PID控制器产生较少的激进调整和更高的稳定裕度。过程动态,特别是过程增益,变化0.5到2的情况并不少见。如果在不同条件下进行测试表明过程动态变化很大,则需要额外的稳定裕度。或者,过程响应可以是“线性化的”,或者可以使用自适应调整。
      如果过程动态的潜在变化未知,则从λ等于死亡时间或时间常数的较大值的三倍开始将提供稳定性,即使死区时间加倍且过程增益加倍。如果希翼协调循环的响应以避免显着的相互作用,则可以选择相互作用的环的λ相差三倍或更多。对于级联循环,可以选择PID控制器以确保级联对的从属循环具有主控制循环的λ1/ 5或更小。
      一阶加死区自调节过程的最低推荐λ等于死区时间,尽管这提供了非常低的增益和相位裕度。因此,死区时间或过程增益的较小增加可导致回路的不稳定性。
      从稳定性的角度来看,PID控制器没有上限。如果不根据协调响应选择PID控制器,稳定性的良好起点是:
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可以监视调谐性能一段时间,并根据需要调整为更短或更长的λ。
      最后一步是根据过程动态计算调整参数。应注意使用一致的时间单位表示死区时间和PID控制器。对于一阶加死区时间过程响应(无明显滞后或超前),控制器增益和复位时间使用以下等式计算。微分时间设置为0.这些方程对PID实现的标准(有时称为理想,非交互)和序列(有时称为经典,交互)形式有效。请注意,只有控制器增益随着λ(λ)的变化而变化。无论选择何种λ,积分时间都等于时间常数。
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      考虑图4所示的蒸汽压力控制器。压力控制器PIC-101操纵尺寸合适的控制阀,该控制阀具有高性能数字定位器。
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图4.再沸器壳体蒸汽压力控制的过程和控制图。
图5显示了压力控制器的步骤测试,以识别过程动态。过程增益为%PV /%OUT; 死时间是5秒; 时间常数是20秒。
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图5.开环步骤测试和一步响应分析。
      因为没有“循环响应协调”要求,所以初始λ被选择为3 *(死区时间或时间常数中的较大值)= 3 * 20秒= 60秒。
现在,可以使用PID控制器调整规则计算调整。
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      如果控制回路在所需的操作范围内是一致的,那么为了能够使调节更加激进,可以针对较短的λ值计算调谐。下表显示了对不同PID控制器值的调优。请注意,对于所有PID控制器选项,积分时间保持不变。
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      图6显示了对表中每个PID控制器值的步长设定点和步进负载变化的响应。注意,对于比3 *的起始点(死区时间或时间常数更大)更短的λ值,调谐是稳定的。然而,这在模拟器中具有完全恒定的过程动态。在不同操作条件下对实际过程的附加测试将有助于确定过程动态的一致性。
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图6.具有不同λ值的步进设定点和步进负载变化的自调节过程的响应。
满足流程目标
      大多数公布的澳门葡京娱乐厂PID控制器调整方法都是为最佳负载调节而设计的,不一定是最佳的过程性 PID控制器调整方法提供调整PID控制器以实现过程性能目标的能力,无论它们是最大负载调节还是对其他循环的协调响应。注意,用于积分过程的λ调整方法也可以用于滞后主导的自调节过程,以实现优异的负载调节。本系列的后续文章将先容这种技术以及对更复杂动态的调整。

上一篇:浅谈自我调节和整合集成过程中使用的PID控制器的技术
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