PID調(diào)節(jié)器已經(jīng)成功應(yīng)用近百年。盡管有各種整定技術(shù)但是有明顯實(shí)際應(yīng)用效果而且被工業(yè)界接受的卻很少。許多大學(xué)本科課程仍在講解由John G. Ziegler和Nathaniel B. Nichols在20世紀(jì)40年代開發(fā)的Ziegler-Nichols整定方法。
上個(gè)世紀(jì)八十年代之前的大多數(shù)整定方法都關(guān)注克服不可測(cè)階躍擾動(dòng)時(shí)的峰值和累積偏差。這種積極行為對(duì)防止激活減災(zāi)系統(tǒng)或啟動(dòng)停車條件非常重要，但是由于魯棒性不足不適合處理實(shí)際問(wèn)題或?qū)崿F(xiàn)其他控制目標(biāo)。整定結(jié)果存在增益大、積分時(shí)間短的問(wèn)題，不可避免地在系統(tǒng)中引起振蕩，難以使系統(tǒng)達(dá)到整體性能最佳的控制目標(biāo)，不適合大多數(shù)化工應(yīng)用。最近的Lambda整定方法關(guān)注增加魯棒性、最小化非線性、耦合和振蕩影響并滿足其他過(guò)程目標(biāo)：最大化吸收干擾的緩沖罐液位控制，比值控制的回路協(xié)調(diào)和串級(jí)控制中底層回路的設(shè)定值響應(yīng)等。
Lambda整定是用于減少過(guò)程波動(dòng)的成功方法。從最簡(jiǎn)單的意義上講，Lambda整定以所需的閉環(huán)響應(yīng)速度實(shí)現(xiàn)回路的非振蕩響應(yīng)。通過(guò)選擇一個(gè)閉環(huán)時(shí)間常數(shù)(通常稱為L(zhǎng)ambda)來(lái)設(shè)置響應(yīng)速度。通過(guò)選擇該閉環(huán)時(shí)間常數(shù)，可以在一個(gè)單元過(guò)程中協(xié)調(diào)一組回路的協(xié)調(diào)整定，從而使它們的共同作用有助于建立整個(gè)過(guò)程的理想動(dòng)態(tài)。Lambda整定規(guī)則僅需要用戶指定一個(gè)性能參數(shù)：λ。這不僅僅是為了簡(jiǎn)化KC和TI的計(jì)算過(guò)程，還是為了讓用戶能夠通過(guò)具有物理意義的參數(shù)來(lái)選擇控制器的預(yù)期性能，而不使用那些沒(méi)那么直觀的概念，例如比例度和積分時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)整定工作的科學(xué)化。
閉環(huán)時(shí)間常數(shù)的選擇隨回路及其在整體控制策略中的作用而異。選擇閉環(huán)時(shí)間常數(shù)的最常見(jiàn)依據(jù)：
1、在確保魯棒性和防止過(guò)度振蕩的前提下，使回路盡可能快。
2、使回路的響應(yīng)速度與控制并行管線的另一個(gè)回路完全相同。
3、使回路的響應(yīng)速度慢于通過(guò)該過(guò)程耦合的另一個(gè)更重要回路的響應(yīng)速度，以實(shí)現(xiàn)解耦。
4、使串級(jí)副回路的響應(yīng)速度快于串級(jí)主回路。
5、在確?？刂破髂軌蛱幚硭姓Ｐ枨笞兓耐瑫r(shí)，盡量減小對(duì)相關(guān)裝置的影響，使該回路的響應(yīng)速度(通常是緩沖罐液位控制器)盡可能慢。
6、將閉環(huán)時(shí)間常數(shù)與隨機(jī)干擾噪聲結(jié)構(gòu)相匹配，以使變化最小。
Lambda整定概念的基礎(chǔ)可以追溯到1957年Newton，Gould和Kaiser的分析設(shè)計(jì)方法。簡(jiǎn)而言之，一旦知道了過(guò)程模型并且選擇了閉環(huán)特性，該方法就可以直接合成所需的調(diào)節(jié)器。1968年，EB Dahlin在數(shù)字控制器上的工作為L(zhǎng)ambda整定提供了主要推動(dòng)。Dahlin將所需的閉環(huán)響應(yīng)速度描述為“Lambda”。Dahlin只關(guān)心一階純滯后對(duì)象，而Morari和Chien等人將該技術(shù)推廣到一般的傳遞函數(shù)。設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)是零極點(diǎn)配置，其中調(diào)節(jié)器零點(diǎn)用于抵消過(guò)程極點(diǎn)。
Lambda整定規(guī)則(有時(shí)也稱為內(nèi)部模型控制(IMC)整定)為針對(duì)速度的整定規(guī)則(例如 Ziegler-Nichols和Cohen-Coon等)提供了強(qiáng)大的替代方法。盡管Lambda和IMC規(guī)則的推導(dǎo)不同，但對(duì)自衡對(duì)象的PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生相同的規(guī)則。Ziegler-Nichols和Cohen-Coon整定規(guī)則的目標(biāo)是4:1 衰減振蕩，而Lambda整定規(guī)則的目標(biāo)是一階純滯后對(duì)設(shè)定值的響應(yīng)。
Lambda整定規(guī)則優(yōu)點(diǎn)
1、過(guò)程變量在發(fā)生干擾或設(shè)定值變化后不會(huì)超調(diào)。
2、Lambda整定規(guī)則對(duì)通過(guò)階躍測(cè)試確定過(guò)程純滯后時(shí)間時(shí)所犯的任何錯(cuò)誤的敏感性要低得多。這個(gè)問(wèn)題在時(shí)間常數(shù)為主的過(guò)程中很常見(jiàn)，因?yàn)楹苋菀椎凸阑蚋吖懒诉^(guò)程純滯后時(shí)間。當(dāng)純滯后時(shí)間不正確時(shí)，Ziegler-Nichols 和Cohen-Coon整定規(guī)則可能會(huì)給出非常糟糕的結(jié)果。
3、整定非常魯棒，這意味著即使過(guò)程特性與用于整定的過(guò)程相比發(fā)生了較大變化，控制回路也能保持穩(wěn)定。
4、Lambda整定的控制回路可以更好地吸收干擾，并將更少的干擾傳遞給下游過(guò)程。對(duì)于高度耦合過(guò)程，這是一個(gè)非常有吸引力的特性。造紙機(jī)上的控制回路通常使用Lambda整定規(guī)則進(jìn)行整定，以防止整個(gè)機(jī)器由于過(guò)程相互耦合和反饋控制而發(fā)生振蕩。
5、用戶可以為控制回路指定所需的響應(yīng)時(shí)間(實(shí)際上是閉環(huán)時(shí)間常數(shù))。這提供了一個(gè)λ整定因子，可用于加快或減慢回路響應(yīng)。
不幸的是，Lambda整定規(guī)則也有一個(gè)缺點(diǎn)。他們將控制器的積分時(shí)間設(shè)置為等于過(guò)程時(shí)間常數(shù)。如果過(guò)程具有非常長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)，則調(diào)節(jié)器將因此具有非常長(zhǎng)的積分時(shí)間。較長(zhǎng)的積分時(shí)間會(huì)使系統(tǒng)從干擾中恢復(fù)的速度非常慢。
Lambda整定的控制器中使用微分控制毫無(wú)意義。如果需要快速回路響應(yīng)，則應(yīng)使用微分控制，因此應(yīng)與快速整定規(guī)則(如 Cohen-Coon)結(jié)合使用。Lambda整定不適用于獲得超快速的閉環(huán)響應(yīng)。如果響應(yīng)速度是整定目標(biāo)，請(qǐng)使用其他整定規(guī)則。
注意
1、Lambda整定PID參數(shù)適用于具有串聯(lián)或理想形式的PID，但不適用于并行形式(獨(dú)立增益)PID。
2、Lambda整定方法計(jì)算控制器增益(KC)，而不是比例度(PB)。PB=100/KC。
3、該方法假定控制器的積分設(shè)置為積分時(shí)間TI(以分鐘為單位)，而不是積分增益KI。KI=KC/TI。
作者：馮少輝博士(現(xiàn)從事先進(jìn)控制工作，有一線十幾年工作經(jīng)歷，真正理論聯(lián)系實(shí)際的過(guò)程控制專家)
