如何實(shí)現(xiàn)PID回路的最優(yōu)性能

在工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)，盡管大部分人將比例-積分-微分 (PID) 算法作為閉環(huán)過(guò)程控制的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，但優(yōu)化PID回路以達(dá)到最優(yōu)性能的最佳方法，仍然沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。這些實(shí)踐在概念上很簡(jiǎn)單：選擇用于定義總體控制量的比例、積分和微分的相對(duì)大小的增益、速率和重置參數(shù)。

在實(shí)踐中，回路整定與其說(shuō)是科學(xué)，不如說(shuō)是藝術(shù)。優(yōu)化參數(shù)的最佳選擇取決于各種因素，包括受控過(guò)程的動(dòng)態(tài)行為、運(yùn)行人員確定的性能目標(biāo)以及運(yùn)行人員對(duì)調(diào)節(jié)工作方式的理解。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種手動(dòng)技術(shù)，來(lái)幫助運(yùn)行人員調(diào)整其回路，但即使在專業(yè)軟件的幫助下，回路整定也可能是一項(xiàng)艱難而耗時(shí)的差事。

“自動(dòng)整定”或“自整定”PID控制器旨在簡(jiǎn)化問(wèn)題，方法是根據(jù)對(duì)受控過(guò)程行為的某種自動(dòng)分析來(lái)選擇自己的調(diào)節(jié)參數(shù)。這些自動(dòng)過(guò)程，通常涉及過(guò)程輸入/輸出之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)行人員提供的信息可以改進(jìn)這些數(shù)學(xué)關(guān)系 (參見(jiàn)圖 1)。

圖 1：自動(dòng)調(diào)節(jié)PID 控制器，通過(guò)測(cè)量過(guò)程輸入 (控制量) 和輸出 (過(guò)程變量)，然后更新其自己的調(diào)節(jié)參數(shù)，以滿足運(yùn)行人員對(duì)閉環(huán)性能的要求。

“自整定” 指的是那些在控制器在線調(diào)節(jié)工藝過(guò)程時(shí)持續(xù)執(zhí)行的程序。"自動(dòng)整定" 是指控制器處于離線狀態(tài)時(shí)按需執(zhí)行的過(guò)程。但是，這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)通?；Q使用，因?yàn)樽哉ê妥詣?dòng)整定控制器都可以自動(dòng)調(diào)整自身。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在下文中，這兩個(gè)詞用"自動(dòng)調(diào)節(jié)器"代替 。

步進(jìn)測(cè)試

在調(diào)試回路的過(guò)程中，自動(dòng)調(diào)節(jié)器可以簡(jiǎn)單的自動(dòng)執(zhí)行操作員可能需要手動(dòng)執(zhí)行的調(diào)整程序，例如，在控制活動(dòng)中強(qiáng)制一個(gè)波動(dòng)、觀察結(jié)果并相應(yīng)調(diào)整參數(shù)。但是，自動(dòng)調(diào)節(jié)器在執(zhí)行這些步驟時(shí)會(huì)有所不同。

例如，最基本的自動(dòng)調(diào)節(jié)器可以執(zhí)行經(jīng)典的“步進(jìn)測(cè)試”或“階躍測(cè)試”，在這種情況下，控制工作會(huì)以循序漸進(jìn)的方式改變，并禁用反饋。從理論上講，該過(guò)程對(duì)階躍輸入的響應(yīng)，將提供足夠的信息來(lái)表征過(guò)程的動(dòng)態(tài)行為，這反過(guò)來(lái)又會(huì)決定調(diào)節(jié)參數(shù)。然而在實(shí)踐中，對(duì)于那些在所有時(shí)間內(nèi)必須將過(guò)程變量波動(dòng)降至最低的應(yīng)用中，僅僅為了調(diào)節(jié)控制器而為過(guò)程引入階躍擾動(dòng)，是不切實(shí)際的。

某些自動(dòng)調(diào)節(jié)器在執(zhí)行步進(jìn)測(cè)試時(shí)，可以通過(guò)響應(yīng)設(shè)定值的變更來(lái)避免此類問(wèn)題。無(wú)論如何，進(jìn)程都會(huì)受到干擾，在試圖推動(dòng)過(guò)程變量向新設(shè)定值變化的過(guò)程中，控制器可以承擔(dān)在進(jìn)程中較小的階躍變化。

例如，當(dāng)運(yùn)行人員請(qǐng)求更改設(shè)定值時(shí)，控制器應(yīng)施加100% 的控制量 (正步驟)，然后在過(guò)程變量到達(dá)新設(shè)定值 (負(fù)步驟) 之前關(guān)閉。然后，控制器就會(huì)檢測(cè)到過(guò)程變量中的波動(dòng)，以確定過(guò)程行為的數(shù)學(xué)模型（請(qǐng)參閱圖2 中所示的步進(jìn)測(cè)試）。

圖 2：對(duì)于某些應(yīng)用程序，如果該過(guò)程以可預(yù)測(cè)的方式運(yùn)行，那么設(shè)定值的微小變化，就足以識(shí)別過(guò)程行為。執(zhí)行設(shè)定值響應(yīng)測(cè)試的自動(dòng)調(diào)節(jié)器，會(huì)中斷控制器對(duì)設(shè)定值更改的初始響應(yīng)，以進(jìn)行兩步測(cè)試：一個(gè)正向測(cè)試和一個(gè)負(fù)向測(cè)試。在過(guò)程變量完成一個(gè)完整變化之后，自動(dòng)調(diào)節(jié)器就可以計(jì)算出一組新的調(diào)節(jié)參數(shù)，然后重新激活PID算法。當(dāng)過(guò)程變量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制器已經(jīng)被調(diào)整到運(yùn)行人員期望的閉環(huán)控制，這涉及到回路的上升時(shí)間、過(guò)沖率、建立時(shí)間等因素。

過(guò)程的時(shí)間常數(shù)可以推導(dǎo)出來(lái)，或者用從控制器關(guān)機(jī)到過(guò)程變量開(kāi)始下降之間的時(shí)間間隔。然后，可以使用任意的優(yōu)化規(guī)則以及運(yùn)行人員對(duì)閉環(huán)性能的偏好，從進(jìn)程死區(qū)時(shí)間、增益和時(shí)間常數(shù)來(lái)計(jì)算相應(yīng)的 PID 參數(shù)。優(yōu)化完成后，控制器可以恢復(fù)正常的閉環(huán)控制操作，將過(guò)程變量繼續(xù)調(diào)節(jié)到設(shè)定值。

噪聲和擾動(dòng)

盡管概念簡(jiǎn)單，但步進(jìn)測(cè)試對(duì)自動(dòng)化來(lái)講可能也是一個(gè)挑戰(zhàn)。如果在測(cè)試過(guò)程中，過(guò)程變量發(fā)生擾動(dòng)，則結(jié)果會(huì)被扭曲。經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)行人員，在執(zhí)行手動(dòng)步進(jìn)測(cè)試時(shí)，通?？梢宰R(shí)別正在發(fā)生的干擾，或者等恢復(fù)正常后再啟動(dòng)測(cè)試或在必要時(shí)重新啟動(dòng)測(cè)試。賦予自動(dòng)調(diào)節(jié)器類似的觀察技能則非常難。

當(dāng)過(guò)程變量受測(cè)量噪聲的影響時(shí)，該問(wèn)題尤為嚴(yán)重。自動(dòng)調(diào)節(jié)器并不是總能區(qū)分虛假噪聲和真實(shí)擾動(dòng)。即使可以區(qū)分，測(cè)量噪聲仍可能會(huì)破壞響應(yīng)曲線的精確形狀，從而損壞過(guò)程模型的計(jì)算。

某些自動(dòng)調(diào)節(jié)器可以通過(guò)多次執(zhí)行自動(dòng)步進(jìn)測(cè)試，然后將結(jié)果平均或選擇最常出現(xiàn)的結(jié)果來(lái)處理測(cè)量噪聲。復(fù)雜的自動(dòng)調(diào)節(jié)器，還可以計(jì)算出對(duì)過(guò)程模型的估計(jì)是否能夠適應(yīng)嘈雜的數(shù)據(jù)，或者報(bào)告它在最新結(jié)果中的可信度，或者重復(fù)測(cè)試，直到達(dá)到運(yùn)行人員定義的置信度。

沒(méi)有萬(wàn)能藥

但自動(dòng)啟發(fā)式調(diào)節(jié)也有缺點(diǎn)。如果自動(dòng)調(diào)節(jié)器經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，無(wú)法獲得過(guò)程行為模式，或者如果進(jìn)程以完全意外的方式運(yùn)行，那么自動(dòng)調(diào)節(jié)器就會(huì)不知道該做什么?；谀：壿嫽?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/150/" target="_blank">人工智能的啟發(fā)式自動(dòng)調(diào)節(jié)器，雖然能記錄運(yùn)行人員的體驗(yàn)，可以重新對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練以識(shí)別新模式，但仍然需要經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)行人員的幫助，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)時(shí)間，它不能自動(dòng)完成。

啟發(fā)式調(diào)優(yōu)也可能需要很長(zhǎng)時(shí)間和幾個(gè)迭代才能達(dá)到最終結(jié)果。另外，啟發(fā)式自動(dòng)調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)參數(shù)的度和頻率方面傾向于保守，以免導(dǎo)致過(guò)調(diào)節(jié)。