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浅谈自我调节和整合集成过程中使用的PID控制器的技术
编辑:https://www.abdeli.net 来源:mg4355线路检测 发布时间:2018-12-03
       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。
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       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。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。
       水平过程通常具有积分响应,可能的例外是当容器的流出是重力驱动时。其他过程可以具有整合响应。例如,“低压,大容量”气压控制应用可以具有整合过程。积分过程的另一个例子是反应器温度控制器,其级联到“夹套水入口温差”控制器。该控制器根据反应堆内容物温度控制器输出指定的设定值控制反应器内容物温度与夹套水入口温度之间的差异。
挑战
       调整积分过程的PID控制器的挑战之一是当控制器的积分作用与过程的积分器功能相结合时,如果控制器的积分作用“太快”,控制回路将振荡(即,积分时间太短)。知道积分时间太短是不直观的。另一个挑战是用于集成过程的大多数PID调整方法不提供调整闭环响应的积极性的方法。如果控制器比例增益(P)减小以使闭环响应不那么激进,则环路更可能振荡。当这种策略用于自我调节过程时,这是完全相反的结果。
调整整合过程
       称为PID控制器调整的调整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。用于积分过程的PID控制器调整导致调整,其产生针对阶跃负载或设定点变化的“临界阻尼”非振荡响应(即,当λ小于死区时间的三倍时的一些振荡)。对于积分响应的设定点变化和负载变化的响应以及使用PID控制器方法调整的PID控制器如图2所示。
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用于集成过程的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显示了集成过程的动态参数。描述积分响应的动态参数是死区时间(Td),以时间为单位,以及积分过程增益(Kp),以PV跨度/时间单位/百分比输出跨度为单位。请注意,在实行步骤测试以测量过程动态时,过程变量可能具有非零的初始斜率。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导致过程增益降低。如果控制器输出级联到“从”循环的设定点,
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积分过程增益,Kp =(最终斜率 - 初始斜率)/Δ%OUT 
图3.确定积分过程的过程动态。
       下一步是选择PID控制器以实现循环所需的过程控制目标。如果目标是最佳负载调节,请选择较短的PID控制器。如果目标是通过允许水平变化并减少控制器输出和操纵变量的移动来吸取容器中的可变性,则选择更长的λ。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。积分加死区时间过程的PID控制器下限(响应中没有延迟或超前)等于死区时间,尽管这提供了非常低的增益裕度和相位裕度。对PID控制器更合理的下限是死区时间的三倍。如果将PID控制器设置为等于死区时间,则应注意确保在任何其他条件下死区时间不会增加。从稳定性的角度来看,PID控制器没有上限。但是,PID控制器必须足够快,以使过程变量保持在最大负载扰动(MLD)的允许过程偏差(APD)内。所需的λ可以用等式1估算,受λ的最小限制。注意,λ的时间单位将与用于积分过程增益的时间单位Kp相同。所需的λ可以用等式1估算,受λ的最小限制。注意,λ的时间单位将与用于积分过程增益的时间单位Kp相同。所需的λ可以用等式1估算,受λ的最小限制。注意,λ的时间单位将与用于积分过程增益的时间单位Kp相同。
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       无论是否需要“紧密”控制,都可以使用该公式,以提供良好的负载调节,或者需要“平均”控制,以通过减小控制器输出运动来减小操纵变量的可变性。
       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来获得积分过程增益,死区时间和λ。对于纯积分器加死区时间过程(无明显滞后或超前),控制器增益和复位时间用以下公式计算。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。注意,控制器增益和积分时间随着λ(λ)的变化而变化。
       考虑图4中的蒸馏塔进料储罐液位控制过程。液位控制器LIC-1输出级联到色谱柱进料流量控制器FIC-2的设定点。FIC-2已经适当地调整并以非振荡方式响应,闭环响应时间λ为6秒。希翼通过使用进料罐的容量来减少塔进料速率的变化,以减弱反应器流入罐中的可变性向罐外流出的转移,这是蒸馏的进料流。柱。
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图4.蒸馏进料罐系统的过程和控制图
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图5.在Feed干线级别上分析控制器输出步骤测试
       图5显示了液位控制器的步骤测试,以识别过程动态。积分过程增益为-0.000216%水平/秒/百分比输出,死区时间约为30秒。根据流程目标,为PV级别选择的APD为30%。在这些应用中,通常使用标称控制器输出的一小部分作为MLD。大家的想法是找到MLD,控制器应该在没有操作员干预的情况下将PV保持在APD内。由于其他后果,预计大于所选MLD的负载变化需要操作员干预。在审查过程后,最大负载干扰选择为标称80%控制器输出的50%,即40%。这表示同时损失两个反应器。使用λ调谐方法得到的λ和所得到的调谐参数分别由等式1,2和3计算。这些值如下所示。
PID控制器 = 6,900秒
积分时间= 13,830秒
控制器增益= 1.34
       模拟对等于40%控制器输出(MLD)的阶跃负载扰动的过程响应,证实推荐的调谐将使电平偏差(APD)保持在±30%以下,并且响应是非振荡的。计算出的调谐安装在液位控制器中,系统根据需要实行。
满足流程目标
       与调节自调节过程相比,调节PID控制器以实现积分或近似积分过程是违反直觉的。积分过程最出版PID控制器整定方法被设计为最佳负载排斥,未必最佳处理性能。PID控制器调整方法提供了调整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可变性衰减。
 

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