PID控制还不够“好”？—— 6种先进策略让PID足够强大！
- 2024/7/17 17:09:15 22342
- 来源：控制工程网
比例-积分-微分(PID)控制方案是可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统 (DCS) 用来控制复杂过程和管理动态工业系统的常用方法。许多可用的在线资源都围绕着如何控制偏差和最小化过程波动的设置和控制回路调谐方法的基本原理展开，包括如何选择初始增益、何时使用微分控制、如何调整PID以获得响应时间和减少超调量等。
虽然PID控制对于大多数工业控制应用而言都是不错的选择，但有时它不足以处理具有挑战性或无法归结为简单设定值(SP)、过程变量(PV)和控制变量(CV)的系统。有些系统的死区时间较长，即 CV 发生变化到 PV 发生明显变化所需的时间。在这种情况下，有六种先进策略可以简化流程，帮助在具有挑战性的应用中补充 PID控制。
01 调谐仪表以获得更好的PID结果
PID 的 PV 输入驱动着控制环路其他部分的一切运行。有噪声的测量会使偏差计算(SP和PV之间的差值)不稳定。
在对输入和输出(I/O)进行扫描的单个周期内，如果偏差出现显著变化或波动，那么微分输出就比较大，CV会立即冲到最小或最大值。调整或更换产生噪声PV的仪表，可以将不稳定的控制回路转变为性能良好的系统。
02 信号滤波清理PID信息
一些过程参数有噪声，仪表会准确记录这些噪声。处理该噪声的一种方法是使用信号滤波。这种方法包括对PV使用基于时间的滤波器，并将瞬时信号替换为某个时间段内的平均值。
在选择滤波方案时，目标应该是在消除噪声的同时尽可能多地保留有意义的信号。重要的是要记住，PID积分项是对偏差的时间滤波评估，因此应用了两次滤波。为了控制带噪声的PV，一些控制回路的调整过于激进。在这种情况下，减少增益以对PID进行去调谐，将比信号滤波效果更佳。信号滤波可能会对运行人员和控制回路隐藏重要的过程信息，因此要谨慎使用。
03 级联控制，使用一个PID来控制另一个PID
控制高难度PV的另一种方法，是使用一个PID来控制另一个PID，这被称为级联PID控制。高优先级PV被馈送到低速主PID，该主PID将动态SP发送到快速二级PID，该二级PID控制不同的二级PV，然后通过过程交互影响主PV。例如，蒸汽热交换器的压力是一个快速变化的属性，可以通过调节来控制流出热交换器的流体的慢速温度。通过控制次级PV(压力)，可以使初级PV(温度)更快地达到其SP值，并使其保持在SP值上，几乎不会出现直接使用单个PID控制温度所产生的振荡。
04 前馈控制：基于未来预期的变化
有时，控制系统设计者准确地知道：CV变化时PV将如何反应，他们可以将这些知识编码到控制策略中。这就是广泛使用的前馈。PID系统基本上是一种反馈方案，在CV发生变化，测量由此产生的PV变化以计算新的偏差项。在前馈中，控制逻辑使用CV变化来计算误差项的预期变化，并将其用于 PID逻辑。
许多现代PID控制逻辑对象都包含一个前馈项的输入，它通常有自己的增益调整常数。通常情况下，如果比例-积分 (PI) 控制器出现问题，最好的改进方法是增加一些前馈项，而不是增加微分控制，前提是能找到合适的前馈变量。
05 增益调度有时可以帮助PID
对于在预定运行范围内是非线性的过程，如果运行范围内的每一段基本上都是线性响应，那么PID控制仍然是一种选择。可以为每个分段确定比例、积分和微分增益，然后在PID对象中进行编程，以便在流程沿不同线性域移动时对其进行更改。这通常称为增益调度。
在进行增益调度时要谨慎，要特别注意增益区间的界限。如果该过程经常在边界附近运行，则应考虑更改增益调度，以避免在增益之间频繁切换。
06 模型预测控制可利用控制器的强大功能
现代PLC和DCS中使用更快的中央处理单元(CPU)。有些人可能还记得，为了避免控制器出现故障或跳过例程，人们曾煞费苦心地管理控制器内存使用率和时钟周期。现在，控制器的CPU具有惊人的计算能力，这开启了被称为模型预测控制(MPC)的控制方案创新。在MPC中，控制系统工程师与物理过程方面的专家合作，为物理过程设计一个数学模型，并将其置于控制器中。这种实时过程模型使控制逻辑能够预测不同CV设置下所有相关的PV变化。这些预测用于确定实现整体工艺过程状态所需的最佳CV更改。
对于控制复杂过程或动态工业系统而言，基本的PID控制通常就足够了，但它绝不是唯一可用的工具。有许多不同的选项可用于控制这些过程和系统。将这些选项以各种方式组合起来，就能实现操作人员和生产需求所要求的结果。当一个工艺似乎注定要振荡，并需要操作人员持续、积极地监督时，可以考虑这里介绍的先进控制策略。它们可以将最具挑战性的过程，转变为平稳运行设施中可靠、高正常运行时间、几乎不出问题的部分。
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