浅谈PID回路整定的两种方法

作者 | Benjamin Langton

了解比例-积分-微分（PID）控制原理以及闭环、开环和级联回路所涉及的参数设定非常重要。

整定控制回路是一项由相对简单的控制法则驱动的复杂活动。目标是协调一个或多个参数，以实现在特性边界范围内稳定的过程。本文是关于整定比例-积分-微分（PID）控制回路过程的入门介绍。

PID控制基于反馈。测量设备或过程的输出，并将其与目标或设定值进行比较。如果检测到差异，则计算并实施校正。再次测量输出，并重新计算任何必要的校正。

并不是每个控制器都使用PID中的所有三个数学函数。许多过程都可以通过比例-积分项处理到可接受的水平。然而，精细控制，尤其是避免超调，需要增加微分控制。

在比例控制中，校正系数由设定值和测量值之间的差值大小决定。问题是，当差值接近零时，校正也会接近与零，结果是差值永远不会变为零。

积分函数通过考虑累积偏差来解决这个问题。设定值与实际值之间的差异持续的时间越长，计算的校正系数就越大。然而，当对校正的响应存在延迟时，这会导致超调，并可能围绕设定值振荡。避免这种结果就需要微分函数，它着眼于所实现的变化率，随着接近设定值，逐步修改校正因子以减少其影响。

即使设备基本相同，每个过程都有其独特的性质。例如，烤箱周围的气流会变化，环境温度会改变流体密度和粘度，大气压也会随时间而变化。必须选择PID设置（主要是应用于校正因子的增益以及积分和微分计算中使用的时间，被称为“重置”和“速率”）以适应这些局部差异。

将过程分为下面四类可能是有益的：

■ 快速回路，如流量和压力；

■ 慢速回路，如温度；

■ 积分过程，如液位和绝缘温度；

■ 嘈杂回路，测量值不断变化。

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闭环整定过程

调整闭环回路的第一步是了解这个过程。识别需要调整的回路，并确定回路的速度。如果回路的响应时间从小于1秒到大约10秒，就是快速回路，使用PI控制器就足够了。如果回路的响应时间为几秒至30秒，可选择PI或PID控制器。对于响应时间超过30秒的慢速回路，建议使用PID控制器。

第二步是了解控制器。比例项可以是比例增益或比例带。积分项可以是时间常数、重置速率或积分增益（重置速率乘以比例增益）。微分项可以是时间常数或微分增益（微分时间常数乘以比例增益）。在本文中，假定比例增益、积分重置率和微分增益。

最后一步是观察响应。首先小幅度改变设定值（小于5%），或者等待过程中出现干扰。然后观察过程变量和控制输出响应。

■ 如果控制输出没有瞬时变化或没有明显的超调，则将比例增益增加50%。

■ 如果过程变量不稳定或持续振荡，超调大于25%，则将比例增益降低50%，将积分重置率降低50%。

■ 如果过程变量振荡持续存在可容忍的超调，则将比例增益降低20%，将积分重置率降低50%。

■ 如果设定值变化时出现三个或三个以上连续峰值，则将积分重置率降低30%，并将微分增益增加50%。

■ 如果在改变设定值或扰动开始后，过程变量在设定值附近保持相对平稳很长一段时间，则将积分重置率提高100%。

■ 重复上述步骤，直到闭环响应令人满意。

▲图：非积分过程模型。图片来源：ControlSoft

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开环整定过程

类似于闭环过程，从了解过程和控制器开始。对于非积分回路请使用以下过程：

■ 将回路置于手动控制模式，保持控制输出恒定，等待过程稳定。

■ 在控制输出上做一个小的阶跃变化（小于10%），并观察响应。

■ 评估过程模型，其中：

– 模型增益等于过程变量除以控制输出变化。

– 死区时间等于控制输出变化与过程变量可观察变化之间的时间间隔。

– 时间常数等于过程变量达到总变化量的63%所需的时间。

■ 选择初始PID值，如：

– P等于2除以模型增益。

– I等于死区时间加上时间常数。

– D等于死区时间除以3或时间常数除以6。

■ 这些初始PID值应提供合理的闭环响应。使用闭环整定方法对控制器进行微调。

对于级联控制应用，例如由蒸汽阀加热的储罐，调整程序从内回路开始，然后是外回路。由于内回路动态特性与外部回路交互作用，一次只调整一个回路。

■ 将外回路置于手动模式。

■ 对内回路进行闭环整定程序，然后将内回路置于自动状态。

■ 等待外回路稳定下来。

■ 在外回路上执行闭环整定程序。

PID控制器通常用于工业中的自动过程控制，以整定流量、温度、压力、液位和其它过程变量。比例和积分控制器对于大多数控制回路是必不可少的；微分模式经常用于运动控制。温度控制通常使用所有三种控制模式。

审核编辑：黄飞