[轉貼] PID的类型与选项

PID的類型與選項 <?:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

作者:Hans HeinzControl Engineering Europe 

http://www.cechinamag.com/Cstmf/BCsy/AtcShow.asp?AID=103

 

以軟體為基礎的PID控制可以更多的方式達到平衡,因而,許多供應商採用此技術。

 

多年以來,PID控制器幾乎沒有什麼改變,基本保持40年代最初推出時的結構。原因是,這幾十年來,它的功能都體現在硬體上——氣動、電氣或電子控制器,而且,PID控制器在演算法上不容易更改。

 

隨著軟體為基礎數位控制器的推出,這一情況徹底改觀,現在出現了各種各樣不同類型的PID控制器。

 

但是,它們真的能讓我們受益非淺嗎? 還是,只是個說服我們去買DCS或是其他控制器的小花招呢。

 

PID不再一樣

PID是運用最廣的控制器演算法,在程序控制中最常見。當我們說“PID控制器”時,我們得明白它其實包含了3個概念:比例、積分和微分控制。

 

早期,一些不同的供應商提供完全不同的類型,如相互作用和不相互作用的PID。但是只要控制器的性能是體現在硬體上的,生產不同類型的PID控制器就顯得麻煩而昂貴了。

 

數位式控制器和系統的出現突破了這一限制,它用軟體來實現控制功能,以公式形式表示,修改方便且成本低廉。

 

因此,現在大部分DCS系統都採用幾種不同的PID,或者至少能設置選項改變PID特性。

 

 

3種形式PID

如今,控制系統中有許多不同類型的PID,在特性上它們大相徑庭。有時使用它們的幾率卻也不高。那麼,是這些PID形式用處不大,還是使用者不明白其中的使用價值呢?

 

DCS說明書總是提到一些特殊的PID形式,卻從不給出諸如是什麼,以及如何使用等問題的充分的資料。供應商的培訓課程也是如此。

 

下面一起來看一下以下3PID形式或選項,看看它們能帶給我們些什麼:

--選擇比例作用

--Smith預估

--非線形差方PID

 

1)基於誤差或過程變數的比例作用比例控制中,與給定值和測量值或過程變數(PV)之間的誤差成比例關係。

 

此類控制的一個典型特點是所謂的比例反彈(proportional kick,P-kick,它是由階躍誤差引起的控制器輸出中的階躍變化。P-kick可加速環路中的響應,因而,在允許範圍內盡可能地加強它。當然,一旦過量,環路也會很快不穩定。

 

給定值的改變一般是個階躍變化。然而,當擾動影響了控制過程,過程變數和誤差就逐漸改變,不再是階躍變化。因而,形不成P-kick,控制器的回應緩慢。

 

為補償系統,可加強比例作用,控制器對擾動的回應會改善。但如果不穩定,給定值改變,就至少會產生一個超調量。

 

很長一段時間以來,人們嘗試很多方法以解決這個問題。如,內部過濾給定值。然而一個簡單而有效的方法是使比例控制器只對PV回應,而非誤差。

 

換句話說,有了這一選項,控制器能被很好的設置和調整,可處理給定值改變和擾動的問題。充分利用這一特性,就需要一個能涉及 以上兩方面的調整工具。

 

 

2Smith預估

雖然PID在程序控制中適用範圍很廣,但它要解決積分控制器(I-controller)中所固有的死區時間(deadtime)的問題。

 

1957年,O.J.M. Smith提出一種方案,能完全解決這一問題。簡單地說,他提出以過程動態模型的輸出作為PID輸入信號。此模型被描述成過程的短暫行為,就像不存在死區(deadtime)一樣。這樣,PID可進行很好地調整,並保持穩定。雖然看起來這是一種迂回的方法,但卻證明有效。

 

如今,以預測控制器為基礎的易於使用的模型(MBPC)被廣泛的使用。但當Smith預估和前饋控制合併時,有時也會產生問題。

 

 

3)非線形差方(error squaredPID

PID 原形公式中,在輸入和輸出間設定一個線形關係,這就意味著,不管過程與給定值的相對位置在什麼怎樣,回應過程變化的控制作用總是 一樣的。

 

最典型的例子是液位控制。這裏不再需要使PV 嚴格地保持在給定值上,可以在一定範圍內浮動。因此,不需使控制器對任何小的偏離都強烈作用。事實上,在允許的的範圍內,不需要 它做出回應,因為這可避免後部控制的不必要擾動。只有在擾動過大時,控制器才動作,進行控制。這種特性是非線形或差方( error squaredPID控制器所特有的。

 

非線形控制器的缺點是調整不太方便,但配置合適的工具,如TOPAS(www.act-control.com),用戶指定擾動允許範圍,就可解決這個問題。

 

 

小結

看了以上3種控制系統中使用的PID形式,其中兩種優點明顯,且使用方便,尤其是Smith預估法。對操作性能的要求日益提高,能提高控制器性能的簡單而有效的方法就不容忽視。在選擇或訂購新DCS時,這些是檢查PID特性、類型和功能的有效方法。