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循环调整基础:集成过程

   日期:2020-01-04     浏览:60    评论:0    
核心提示:与用于自调节过程的调节相比,为积分或接近积分的过程调节PID控制器是违反直觉的。用于集成过程的大多数已发布的PID控制器调整方法都是为实现最佳负载抑制而设计的,不一定是优化过程性能。lambda调整方法可以调整PID控制器以实现过程性能目标,无论这些目标是最大负载调节还是可变性衰减。

工业制造过程中最常见的两个过程响应类别是自我调节和集成。对阶跃输入变化的自我调节过程响应的特征在于过程变量的变化,该过程变量会移动并稳定(或自我调节)为新值。对阶跃输入变化的积分过程响应的特征在于过程变量的斜率变化。从比例积分微分(PID)过程控制器的角度来看,PID控制器的输出是过程的输入。过程的输出(过程变量(PV))是PID控制器的输入。图1将过程变量的响应与PID控制器输出的阶跃变化进行了比较,以进行自调节过程和积分响应。

液位过程通常具有积分响应,可能的例外情况是容器的流出由重力驱动。其他过程可能具有积分响应。例如,“低压大容量”气压控制应用可以具有集成过程。积分过程的另一个示例是反应堆温度控制器,该温度控制器级联为“夹套水入口温度差”控制器。该控制器根据反应堆内容物温度控制器输出指定的设定点,控制反应堆内容物温度和夹套水入口温度之间的差。

挑战性

调整PID控制器以进行积分过程的挑战之一是,当控制器的积分作用与过程的积分器功能相结合时,如果控制器的积分作用“过快”,则控制回路将发生振荡(即积分时间太短)。知道积分时间何时太短是不直观的。另一个挑战是,大多数用于积分过程的PID调节方法都无法提供调节闭环响应的主动性的方法。如果减小控制器比例增益(P)以使闭环响应减弱,则环路更有可能发生振荡。这与在自我调节过程中使用此策略时相反。

调整集成过程

一种称为lambda调整的调整方法解决了这些挑战。lambda调整方法允许用户选择闭环响应时间,称为lambda,并计算相应的调整。选择λ闭环响应时间以实现所需的过程目标和稳定性标准。这可能会导致选择较小的lambda以实现良好的负载调节,而选择较大的lambda可通过允许PV偏离设定值或两个极端值之间的某个值来最小化控制器输出和操纵变量的变化。用于积分过程的Lambda调整会导致调整,该调整针对阶跃负载或设定点变化(即,当Lambda小于死区时间的三倍时会产生一些振荡)产生“临界阻尼”非振荡响应。积分响应和PID控制器的设定值变化和负载变化的响应,该PID控制器使用lambda方法进行了调整。

程序

用于集成过程的lambda调整方法包括三个步骤:

  1. 识别过程动态。

  2. 选择所需的闭环响应速度,λ。

  3. 计算所需的PID调节常数。

积分响应的动态参数是停滞时间(Td)(以时间为单位)和积分过程增益(Kp)(以PV跨度百分比/时间单位/输出跨度百分比为单位)。注意,在执行阶跃测试以测量过程动力学时,过程变量的初始斜率可以为非零。通常执行几步测试。审查结果的一致性;计算平均过程动力学,并将其用于调整参数计算。如果控制器输出直接进入控制阀,则如果输出阶跃方向相反,则阀中任何明显的死区都会导致过程增益降低。如果控制器输出级联到“从动”回路的设定点,

下一步是选择lambda,以实现所需的循环过程控制目标。如果目标是最佳负载调节,请选择较短的λ。如果目标是通过允许液位变化并减少控制器输出和受控变量的运动来吸收容器中的可变性,则选择更长的λ。较短的lambda会产生更积极的调整,而稳定性余量则较小。较长的lambda会减少积极的调整,并增加稳定性。积分加空载时间过程(响应中没有滞后或超前)的λ的下限等于空载时间,尽管这提供了非常低的增益裕度和相位裕度。Lambda的更合理的下限是死区时间的三倍。如果将lambda设置为等于空载时间,则应注意确保空载时间在任何其他条件下都不会增加。从稳定性的观点来看,λ没有上限。但是,λ必须足够快才能将过程变量保持在最大负载扰动(MLD)的允许过程偏差(APD)之内。可以用公式1估算所需的λ,但要注意λ的最小限制。请注意,λ的时间单位将与积分过程增益Kp所用的时间单位相同。可以用公式1估算所需的λ,但要注意λ的最小限制。请注意,λ的时间单位将与积分过程增益Kp所用的时间单位相同。可以用公式1估算所需的λ,但要注意λ的最小限制。请注意,λ的时间单位将与积分过程增益Kp所用的时间单位相同。

无论是否需要“紧”控制,以提供良好的负载调节,还是“平均”控制,以通过减少控制器输出运动来减少受控变量的可变性,均可使用此公式。

最后一步是根据过程动力学计算调整参数。对于积分过程增益,空载时间和λ,应注意使用一致的时间单位。对于纯积分器加空载时间过程(无明显的滞后或超前),控制器增益和复位时间可通过以下公式计算。微分时间设置为0。这些等式对于PID实现的标准(有时称为理想,非交互式)和系列(有时称为经典,交互式)形式有效。请注意,控制器增益和积分时间都随λ(λ)的变化而变化。

液位控制器LIC-1的输出级联到塔进料流量控制器FIC-2的设定点。FIC-2一直在适当调整,并以6秒的闭环响应时间lambda以非振荡方式进行响应。希望通过使用进料罐的容量来减弱塔进料速率的变化,以减弱反应器流入罐中的可变性向流出罐的流出的转移,这是蒸馏的进料流。柱。

以识别过程动态。积分过程的增益为–0.000216%的电平/秒/百分比,停滞时间约为30秒。根据过程目标,为PV级选择的APD为30%。在这些应用中,通常将标称控制器输出的一小部分用作MLD。这样做的目的是找到希望控制器将PV保持在APD内而无需操作员干预的MLD。由于其他后果,预计负载变化大于所选MLD的情况将需要操作员干预。在检查过程之后,将最大负载扰动选择为标称80%控制器输出的50%或40%。这表示两个反应器同时损失。分别根据公式1、2和3计算所需的lambda和使用lambda调整方法得到的调整参数。这些值如下所示。

Lambda = 6,900秒
积分时间= 13,830秒
控制器增益= 1.34

对阶跃负载扰动等于40%控制器输出(MLD)的过程响应进行仿真,证实了建议的调整将使水平偏差(APD)保持小于±30%,并且该响应是非振荡性的。计算出的调节值安装在液位控制器中,系统按需运行。

实现流程目标

与用于自调节过程的调节相比,为积分或接近积分的过程调节PID控制器是违反直觉的。用于集成过程的大多数已发布的PID控制器调整方法都是为实现最佳负载抑制而设计的,不一定是优化过程性能。lambda调整方法可以调整PID控制器以实现过程性能目标,无论这些目标是最大负载调节还是可变性衰减。


 
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