PID控制還不夠“好”？—— 6種先進(jìn)策略讓PID足夠強(qiáng)大！

　　【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】雖然PID控制對(duì)于大多數(shù)過程控制應(yīng)用來說是一個(gè)很好的選擇，但有時(shí)應(yīng)用的挑戰(zhàn)性過大或過于復(fù)雜。在這種情況下，有六種策略可以簡(jiǎn)化過程。
 

　　比例-積分-微分(PID)控制方案是可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng) (DCS) 用來控制復(fù)雜過程和管理動(dòng)態(tài)工業(yè)系統(tǒng)的常用方法。許多可用的在線資源都圍繞著如何控制偏差和最小化過程波動(dòng)的設(shè)置和控制回路調(diào)諧方法的基本原理展開，包括如何選擇初始增益、何時(shí)使用微分控制、如何調(diào)整PID以獲得響應(yīng)時(shí)間和減少超調(diào)量等。
 

　　雖然PID控制對(duì)于大多數(shù)工業(yè)控制應(yīng)用而言都是不錯(cuò)的選擇，但有時(shí)它不足以處理具有挑戰(zhàn)性或無法歸結(jié)為簡(jiǎn)單設(shè)定值(SP)、過程變量(PV)和控制變量(CV)的系統(tǒng)。有些系統(tǒng)的死區(qū)時(shí)間較長(zhǎng)，即 CV 發(fā)生變化到 PV 發(fā)生明顯變化所需的時(shí)間。在這種情況下，有六種先進(jìn)策略可以簡(jiǎn)化流程，幫助在具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中補(bǔ)充 PID控制。
 

　　01  調(diào)諧儀表以獲得更好的PID結(jié)果
 

　　PID 的 PV 輸入驅(qū)動(dòng)著控制環(huán)路其他部分的一切運(yùn)行。有噪聲的測(cè)量會(huì)使偏差計(jì)算(SP和PV之間的差值)不穩(wěn)定。
 

　　在對(duì)輸入和輸出(I/O)進(jìn)行掃描的單個(gè)周期內(nèi)，如果偏差出現(xiàn)顯著變化或波動(dòng)，那么微分輸出就比較大，CV會(huì)立即沖到最小或最大值。調(diào)整或更換產(chǎn)生噪聲PV的儀表，可以將不穩(wěn)定的控制回路轉(zhuǎn)變?yōu)樾阅芰己玫南到y(tǒng)。
 

　　02  信號(hào)濾波清理PID信息
 

　　一些過程參數(shù)有噪聲，儀表會(huì)準(zhǔn)確記錄這些噪聲。處理該噪聲的一種方法是使用信號(hào)濾波。這種方法包括對(duì)PV使用基于時(shí)間的濾波器，并將瞬時(shí)信號(hào)替換為某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的平均值。
 

　　在選擇濾波方案時(shí)，目標(biāo)應(yīng)該是在消除噪聲的同時(shí)盡可能多地保留有意義的信號(hào)。重要的是要記住，PID積分項(xiàng)是對(duì)偏差的時(shí)間濾波評(píng)估，因此應(yīng)用了兩次濾波。為了控制帶噪聲的PV，一些控制回路的調(diào)整過于激進(jìn)。在這種情況下，減少增益以對(duì)PID進(jìn)行去調(diào)諧，將比信號(hào)濾波效果更佳。信號(hào)濾波可能會(huì)對(duì)運(yùn)行人員和控制回路隱藏重要的過程信息，因此要謹(jǐn)慎使用。
 

　　03  級(jí)聯(lián)控制，使用一個(gè)PID來控制另一個(gè)PID
 

　　控制高難度PV的另一種方法，是使用一個(gè)PID來控制另一個(gè)PID，這被稱為級(jí)聯(lián)PID控制。高優(yōu)先級(jí)PV被饋送到低速主PID，該主PID將動(dòng)態(tài)SP發(fā)送到快速二級(jí)PID，該二級(jí)PID控制不同的二級(jí)PV，然后通過過程交互影響主PV。例如，蒸汽熱交換器的壓力是一個(gè)快速變化的屬性，可以通過調(diào)節(jié)來控制流出熱交換器的流體的慢速溫度。通過控制次級(jí)PV(壓力)，可以使初級(jí)PV(溫度)更快地達(dá)到其SP值，并使其保持在SP值上，幾乎不會(huì)出現(xiàn)直接使用單個(gè)PID控制溫度所產(chǎn)生的振蕩。
 

　　04  前饋控制：基于未來預(yù)期的變化
 

　　有時(shí)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)者準(zhǔn)確地知道：CV變化時(shí)PV將如何反應(yīng)，他們可以將這些知識(shí)編碼到控制策略中。這就是廣泛使用的前饋。PID系統(tǒng)基本上是一種反饋方案，在CV發(fā)生變化，測(cè)量由此產(chǎn)生的PV變化以計(jì)算新的偏差項(xiàng)。在前饋中，控制邏輯使用CV變化來計(jì)算誤差項(xiàng)的預(yù)期變化，并將其用于 PID邏輯。
 

　　許多現(xiàn)代PID控制邏輯對(duì)象都包含一個(gè)前饋項(xiàng)的輸入，它通常有自己的增益調(diào)整常數(shù)。通常情況下，如果比例-積分 (PI) 控制器出現(xiàn)問題，最好的改進(jìn)方法是增加一些前饋項(xiàng)，而不是增加微分控制，前提是能找到合適的前饋?zhàn)兞俊?br /> 

　　05  增益調(diào)度有時(shí)可以幫助PID
 

　　對(duì)于在預(yù)定運(yùn)行范圍內(nèi)是非線性的過程，如果運(yùn)行范圍內(nèi)的每一段基本上都是線性響應(yīng)，那么PID控制仍然是一種選擇。可以為每個(gè)分段確定比例、積分和微分增益，然后在PID對(duì)象中進(jìn)行編程，以便在流程沿不同線性域移動(dòng)時(shí)對(duì)其進(jìn)行更改。這通常稱為增益調(diào)度。
 

　　在進(jìn)行增益調(diào)度時(shí)要謹(jǐn)慎，要特別注意增益區(qū)間的界限。如果該過程經(jīng)常在邊界附近運(yùn)行，則應(yīng)考慮更改增益調(diào)度，以避免在增益之間頻繁切換。
 

　　06  模型預(yù)測(cè)控制可利用控制器的強(qiáng)大功能
 

　　現(xiàn)代PLC和DCS中使用更快的中央處理單元(CPU)。有些人可能還記得，為了避免控制器出現(xiàn)故障或跳過例程，人們?cè)焚M(fèi)苦心地管理控制器內(nèi)存使用率和時(shí)鐘周期。現(xiàn)在，控制器的CPU具有驚人的計(jì)算能力，這開啟了被稱為模型預(yù)測(cè)控制(MPC)的控制方案創(chuàng)新。在MPC中，控制系統(tǒng)工程師與物理過程方面的專家合作，為物理過程設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)學(xué)模型，并將其置于控制器中。這種實(shí)時(shí)過程模型使控制邏輯能夠預(yù)測(cè)不同CV設(shè)置下所有相關(guān)的PV變化。這些預(yù)測(cè)用于確定實(shí)現(xiàn)整體工藝過程狀態(tài)所需的最佳CV更改。
 

　　對(duì)于控制復(fù)雜過程或動(dòng)態(tài)工業(yè)系統(tǒng)而言，基本的PID控制通常就足夠了，但它絕不是唯一可用的工具。有許多不同的選項(xiàng)可用于控制這些過程和系統(tǒng)。將這些選項(xiàng)以各種方式組合起來，就能實(shí)現(xiàn)操作人員和生產(chǎn)需求所要求的結(jié)果。當(dāng)一個(gè)工藝似乎注定要振蕩，并需要操作人員持續(xù)、積極地監(jiān)督時(shí)，可以考慮這里介紹的先進(jìn)控制策略。它們可以將最具挑戰(zhàn)性的過程，轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)運(yùn)行設(shè)施中可靠、高正常運(yùn)行時(shí)間、幾乎不出問題的部分。