【儀表網 行業科普】用于調節PID控制器的方法和規則取決于過程類型。在選擇調節方法之前，您必須識別不同過程類型的特點。
過程響應有無數種，因此用只有三個調節參數的算法來控制所有可能的過程響應，看起來似乎是不可能的。不過，這是真的。在大多數應用中，使用比例-積分-微分(PID)控制器可以處理絕大多數過程。
PID控制器的調節方式，取決于過程響應的類型；每類過程都需要不同的調節規則和過程。需要正確識別和分類過程響應，以采取最有效的方法來調節PID控制器。
01 過程響應的四個類型
一般來說，過程響應可分為四大類：自限型、積分型、指數型和復合型。
每種類型的反應都根據其內部反饋的數量和類型進行分類。前三種分別是具有內部負反饋、內部無反饋和內部正反饋的過程。這三種類型通常都可以用PID控制器來進行控制。復合類型包括任何具有多個內部反饋的過程。用PID控制器控制復雜的過程，并不是任何情況都可行。
以下分別討論前三種過程響應，包括任何相關的子類別。有必要識別出每種過程響應，因為用于調節PID控制器的程序因類型而異。
02 自限型過程響應
如其名所示，自限型過程響應(圖1)在控制器輸出改變后，最終會達到一個新的穩定狀態。這種行為存在于任何具有內部負反饋的過程中。應用案例包括流量(壓降隨流量增加)和大多數溫度(熱損失隨溫度升高而增加)過程，以及更多的自限型過程。在自限型響應領域中，有三個子類別：
■ 滯后占主導地位；
■ “適度”自限型過程；
■ 死區時間占主導地位。
在討論主導過程響應之前，先了解一些相關定義：
■ 死區時間(Dt)：過程開始響應控制器輸出變化之前的時間。
■ 滯后(T1)：過程達到最終(穩態)響應的63.2%的時間。
▲圖1：在控制器輸出變化后，自限型過程響應最終會達到新的穩定狀態。
這種行為存在于任何具有內部負反饋的過程中。
在表征過程響應時，大多數過程會有多個滯后，但為了簡單起見，通常將所有滯后都集中到一個滯后中；可以將該過程看作：一階過程加死區時間(FOPDT)。圖2的過程響應是滯后占主導地位的響應，其定義為：滯后時間超過死區時間的四倍：
T1 > 4 * Dt
▲圖2：滯后占主導地位的自限型過程，其滯后時間超過死區時間的四倍。
圖3是一個死區時間占主導地位的響應，其定義為：滯后小于死區時間四分之一的響應：
T1 < Dt / 4
▲圖3：死區占主導地位的過程，其死區時間是滯后時間常數的4倍以上。
根據定義，“適度”的自限型過程既不是滯后主導的，也不是死區主導的(圖4)，它是介于二者之間：
Dt / 4 < T1 < 4 * Dt
▲圖4：一個“適度”的自限型過程，具有大約相等的滯后和死區時間(比率在0.25和4之間)。
讓我們總結一下這三種類型的特點，以便更好地了解過程反應：
■ 適度的自限型過程，可以從PID控制器所用的微分中受益?？刂破髟鲆娲笾屡c過程增益相反。
■ 滯后主導的過程可以實現較大的控制器增益，通常是過程增益倒數的幾倍。不建議采取微分，因為這通常會對控制器的響應產生不利影響。
■ 死區主導的過程要求控制器增益小于過程增益的倒數。不建議采用微分，因為它總是對控制器的響應有害。
03 積分過程響應
積分響應是質量或能量平衡的過程特征。如果流出的液體與容器中的液體不匹配，容器將被填滿或清空，直到溢出或干涸。從物理過程來講，沒有內部負反饋可以提供穩定性。這意味著積分過程必須受到控制。對自限型過程，自動控制可視為“可選”項。但對積分過程，自動控制則是必選項。
圖5顯示了積分器對輸出流量變化的響應(液位)。
當輸出流量增加時，液位持續下降，直到輸出流量降低。然后，液位持續上升，直到輸出流量上升到其初始值(以匹配輸入流量)。所示的過程沒有死區時間或任何過程滯后，但可能性是存在的，因此必須在控制器調節期間加以考慮。
▲圖5：控制器輸出變化的積分過程響應。
最后，滯后主導的自調節過程相當慢，可以被視為“近積分器”。使用積分器的調節過程來調節近積分器，可以大大減少調節所花費的時間(因為不需要等待緩慢過程達到穩定狀態)。
04 指數過程響應
呈現指數響應的過程，具有正內部反饋過程。我們通常將正內部反饋與放熱反應聯系起來。隨著溫度的升高，熱量的產生也會增加，這會導致溫度進一步升高，從而產生更多的熱量，以此類推。如果不能積極控制這些過程，將會帶來災難性結果，使人員和財產面臨風險。因此，必須對指數過程進行自動控制。
圖6顯示了正反饋的固有危險。對(假想的)放熱反應的冷卻在3到5分鐘內的減少1%，之后恢復到其原始值。最初，爬升率很小，運行人員可能會錯過該信息。最終，正反饋會導致反應呈指數級增長，進而失控。
▲圖6：對控制器輸出快速變化的指數過程響應，顯示了正反饋的固有危險。
05 復雜過程的響應
對于復雜過程的響應，其形狀幾乎可以是任何形式。如果PID控制器的響應與任何其它類型的過程大致相同，則可以用PID控制器來控制復雜過程(并調節控制器)。
當整個過程具有內部質量或能量循環時，會出現復雜的過程響應。蒸餾塔、進料/產品熱交換網絡和反應物循環流將在溫度、壓力、液位和成分控制方面產生復雜的過程響應。
如果一個復雜過程不能由普通的PID控制器控制，通?？梢允褂孟冗M的PID功能或添加前饋/解耦器來管理過程各部分之間的交互，從而對其進行控制。
06 根據不同類型確定PID調節方法
用于調節PID控制器的方法，取決于PID所控制的過程類型。在選擇調節方法之前，您必須識別不同過程類型的特點。
自限型過程是迄今為止最常見的。這些過程在受到干擾時，將會穩定在一個新的穩態值，因為它們具有內部負反饋，可以提供穩定性。流量和大多數溫度都是自限型過程的案例。這些過程的自動控制可能是可選的。
積分過程是第二常見的。當受到干擾時，積分過程將朝著新的方向發展，直到它們到達新的約束。此類過程沒有內部反饋來緩和反應。液位控制是最常見的應用。這些過程的自動控制是強制性的。
指數過程不太常見。當此類過程受到干擾時，由于具有內部正反饋，它們將以指數級的速度向約束方向發展。放熱反應器是最常見的一個應用。這些過程的自動控制是強制性的。
復雜過程發生在具有內循環的過程中，無論是質量還是能量。如果這些過程的行為與上述任何一種都比較相似，則可以使用PID控制器對其進行控制(并且可以像它們一樣進行調節)。如果沒有，那么控制可能需要更復雜的技術。
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