調(diào)整PID控制器

熱處理過程例證了對PID控制的需求。為確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，烤箱或爐內(nèi)的溫度必須保持在較小的變化范圍內(nèi)。必須適當處理任何干擾，例如添加或取出產(chǎn)品或應(yīng)用升溫功能時。雖然概念簡單，但PID控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是復(fù)雜的，并且實現(xiàn)最佳性能需要為一系列相互作用的參數(shù)選擇特定于過程的值。

找到這些值的過程稱為“調(diào)整”。最佳調(diào)整時，PID溫度控制器可最大限度地減少與設(shè)定點的偏差，并快速響應(yīng)干擾或設(shè)定點變化，但超調(diào)最小。

OMEGA Engineering的白皮書介紹了如何調(diào)整PID控制器。盡管許多控制器提供自動調(diào)整功能，但了解PID調(diào)整將有助于實現(xiàn)最佳性能。個別部分涉及：

PID控制基于反饋。測量裝置或過程（例如加熱器）的輸出，并與目標或設(shè)定值進行比較。若檢測到差異，則計算并應(yīng)用校正。再次測量輸出并重新計算所需的校正。

PID代表比例-積分-微分（proportional - integral - derivative）。并非每個控制器都使用這三個數(shù)學(xué)函數(shù)。只需比例積分項就可以將許多過程處理到可接受的水平。然而，精細控制，尤其是過沖避免，需要增加微分控制。

在比例控制中，校正因子由設(shè)定值和測量值之間的差值大小確定。其問題是，當差異接近零時，校正也接近零，結(jié)果是誤差永遠不會變?yōu)榱恪?

積分函數(shù)通過考慮誤差的累積值來解決這個問題。設(shè)定值與實際值差異持續(xù)的時間越長，計算的校正因子的大小越大。然而，當響應(yīng)校正存在延遲時，會導(dǎo)致超調(diào)并且可能圍繞設(shè)定點振蕩。導(dǎo)函數(shù)的目的就是避免這種情況。這樣可以查看實現(xiàn)的變化率，逐步修改校正因子，以便在接近設(shè)定點時減小其影響。

即使設(shè)備基本相同時，每個過程也都具有獨特的特性?？鞠渲車臍饬鲿兴煌h(huán)境溫度會改變流體密度和粘度，氣壓會隨時發(fā)生變化。必須選擇PID設(shè)置（主要是應(yīng)用于校正因子的增益以及積分和微分計算中使用的時間，稱為“復(fù)位”和“速率”）以適應(yīng)這些局部差異。

從廣義上講，有三種方法可以確定這些設(shè)置的最佳組合：手動調(diào)整、調(diào)整啟發(fā)式和自動化方法。

有了關(guān)于正在控制的過程的充分信息，便可以計算增益、重置和速率的最佳值。通常這個過程太過復(fù)雜，但是通過一些知識，特別是關(guān)于它對誤差校正的響應(yīng)速度，可以達到基本的調(diào)整水平。

通過將復(fù)位時間設(shè)置為其最大值、將速率設(shè)置為零并增加增益、直到環(huán)路以恒定幅度振蕩來完成手動調(diào)整。（當快速響應(yīng)糾錯時，可以使用更大的增益。如果響應(yīng)緩慢，則需要相對較小的增益）。然后將增益設(shè)置為該值的一半，并調(diào)整復(fù)位時間，以便在可接受的時間段內(nèi)校正任何偏移。最后，增加速率，直到超調(diào)最小化。

多年來，為了解決如何調(diào)整PID循環(huán)的問題，許多規(guī)則已經(jīng)發(fā)生了變化。可能是第一個，當然也是最著名的是Ziegler-Nichols（ZN）規(guī)則。

該規(guī)則由Zeigler和Nichols于1942年首次發(fā)布，描述了兩種調(diào)整PID回路的方法。這些工作通過對系統(tǒng)施加階躍變化并觀察結(jié)果響應(yīng)來實現(xiàn)。第一種方法需要測量響應(yīng)的滯后或延遲，然后測量達到新輸出值所需的時間。第二種方法取決于建立穩(wěn)態(tài)振蕩的周期。在這兩種方法中，再將這些值輸入表中得到增益、重置時間和速率的值。

ZN方法并非沒有問題。在某些應(yīng)用中，它產(chǎn)生的響應(yīng)在超調(diào)和振蕩方面被認為過于激進。另一個缺點是在僅緩慢反應(yīng)的過程中可能會比較耗時。由于這些原因，一些控制從業(yè)者更喜歡其他規(guī)則，如Tyreus-Luyben或Rivera，Morari和Skogestad。

目前銷售的大多數(shù)過程控制器都包含自動調(diào)整功能。制造商之間的操作細節(jié)有所不同，但都遵循與上述規(guī)則類似的規(guī)則。本質(zhì)上，控制器“學(xué)習(xí)”過程如何響應(yīng)干擾或設(shè)定點的變化，并計算適當?shù)腜ID設(shè)置。對于像OMEGA Cni8系列這樣的溫度控制器，當選擇“自動調(diào)整”時，控制器會激活一個輸出。通過觀察改變的延遲和速率，它可以計算出最佳的P、I和D設(shè)置，然后可以根據(jù)需要進行手動微調(diào)。（請注意，此控制器要求設(shè)定值至少比當前過程值高10°C才能執(zhí)行自動調(diào)整）。

更新、更復(fù)雜的控制器，如OMEGA的Platinum系列溫度和過程控制器，將模糊邏輯與其自動調(diào)整功能結(jié)合在一起。這提供了一種處理（例如制造和加工行業(yè)中經(jīng)常遇到的）復(fù)雜控制情況下不精確和非線性問題的方法，并有助于調(diào)整優(yōu)化。

無論加熱材料的質(zhì)量和濕度如何變化，工業(yè)熱處理中使用的烤箱和熔爐都需要獲得一致的結(jié)果。這使得這種設(shè)備成為PID控制的理想選擇。用于移動流體的泵是類似的應(yīng)用，其中介質(zhì)屬性的變化可能改變系統(tǒng)輸出，除非實現(xiàn)有效的反饋回路。

運動控制系統(tǒng)也使用一種PID控制。然而，由于響應(yīng)比上述系統(tǒng)快幾個數(shù)量級，因此需要與此處討論的控制器不同形式的控制器。

PID控制用于管理許多過程。校正因子通過將輸出值與設(shè)定值進行比較并應(yīng)用增益來計算，這些增益可以最大限度地減少超調(diào)和振蕩，同時盡可能快地實現(xiàn)變化。

PID調(diào)整需要為被控制的過程確定適當?shù)脑鲆嬷?。雖然這可以手動完成或通過控制啟發(fā)式方法完成，但大多數(shù)現(xiàn)代控制器都提供自動調(diào)整功能。但是，控制專業(yè)人員仍然需要了解按下按鈕后會發(fā)生什么。