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      為何工業上把PID的積分作用命名為重置或重置時間?

      2025/9/4 13:00:21 人評論 次瀏覽 分類:過程控制  文章地址:http://www.fg316.com/tech/6204.html

      為何工業上把PID的積分作用命名為重置?馮恩波博士給了以下說明。

      先舉兩個實例:

      1、PID的積分時間在艾默生DeltaV DCS系統里單位是秒,但是叫reset time重置時間而不是積分時間;
      2、在AB的PLC里如果選擇非獨立形式,PID的積分作用的單位是minute/repeat,表示每次復位需要的時間。
      這些和比例度類似,都是工業上常見的路徑依賴。


      1939年,Foxboro儀器公司為了克服靜態偏差問題,想了一個使得系統調節“恰好”彌補偏差的方法。他們稱之為“重置”(hyper-reset)。后來人們專門設置了自動重置技術(Automatic reset),每一時刻都根據上一時刻的偏差,自動修改系數,使得偏差不為零的時候,執行機構一直動作下去,很明顯,這就是積分作用了。


      將PID的積分作用命名為重置,反映了工程師關注解決問題本身的特質。純比例控制有余差這個事實,并沒有被深入研究背后的科學原因。而是把純比例控制有余差當作一個問題進行解決,解決的方法體現了工業上know-how的特點。


      穩定性、根軌跡、傳遞函數、甚至PID的本質這些know-what、know-why的研究,則要依靠麥克斯韋、奈奎斯特、伯德等這些理論功底深厚的科學家。奈奎斯特和伯德在貝爾實驗室工作,也算企業界的一員。


      操作人員手動控制回路再自動,會觸發控制回路初始化控制算法偏置項的機制,從而消除余差。在下圖的例子中,純比例控制有余差,所以操作工要經常手動再自動以消除余差。如果不是積分對象,任何干擾或者設定值變化都會產生余差。比例作用強一些,余差就能小到可以接受的程度。但是如果純滯后比較大,比例作用太強,閉環系統會振蕩,這時候余差的問題就會比較突出。

      純比例控制有余差

      早期PID的發明者,為了推出更符合工業需求的控制算法,將這個手動重置偏置項的工作放到控制算法中,并命名為自動重置。具體的做法被當作商業機密沒有準確描述,積分作用的工業實現類似下圖,就是將控制器的輸出做一個一階濾波,然后放到比例控制器的偏置項上。


      看下面的傳遞函數可以知道,這個比例作用+正反饋在數學上恰好是一個PI控制器

      PI控制器傳遞函數

      這個被保留下來能實現反饋控制的算法什么時候被正式命名為PI控制算法,現在并不準確知道。通常把PID理論的初步形成歸功于米諾斯基(1922年)。

      原來早先的控制系統大多采用比例控制器,僅依靠比例作用來調節系統輸出。通過調節比例系數,控制器能夠根據偏差的大小進行調整,但問題在于,無論比例如何增大,最終總會有一個小的偏差無法消除。這時,我們需要引入一種“外部注入”作用量,這個外部的控制量能夠疊加到比例作用上,將偏差減小到更小的程度。

      為了施加這個外界作用量,控制器必須先切換到手動模式,手動注入外部量后,即改變控制器輸出后,再切換回自動模式,這就像是給系統做一個“重新啟動”的操作,這個過程我們稱之為“重置”。然而,單次的重置往往不足以消除持續的偏差,因此,控制系統需要周期性地進行重置,這個周期便稱為“重置時間”。

      重置周期的長短直接影響外部注入控制量的大小。周期越短,注入的控制量累計就越大;而為了保持系統穩定,必須同時減少內部的比例控制作用,從而保證總體控制量在合理范圍內不發生過大波動。換句話說,“重置周期”與比例作用之間的關系是密切相連的,這也形成了我們調節控制系統的基本整定原理。

      從數學角度來看,重置的作用累加起來,相當于對偏差進行積分調整。控制量的累積作用逐步消除了偏差的存在,這就是積分控制的基本思想。盡管現代控制理論普遍采用“積分”這個概念,但在很多工業實踐中,依然使用“重置”或“重置時間”這一傳統術語。

      作者:馮恩波

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