为何工业上把PID的积分作用命名为重置或重置时间?

2025/9/4 13:00:21 人评论 次浏览 分类:过程控制  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/6204.html

为何工业上把PID的积分作用命名为重置?冯恩波博士给了以下说明。

先举两个实例:

1、PID的积分时间在艾默生DeltaV DCS系统里单位是秒,但是叫reset time重置时间而不是积分时间;
2、在AB的PLC里如果选择非独立形式,PID的积分作用的单位是minute/repeat,表示每次复位需要的时间。
这些和比例度类似,都是工业上常见的路径依赖。


1939年,Foxboro仪器公司为了克服静态偏差问题,想了一个使得系统调节“恰好”弥补偏差的方法。他们称之为“重置”(hyper-reset)。后来人们专门设置了自动重置技术(Automatic reset),每一时刻都根据上一时刻的偏差,自动修改系数,使得偏差不为零的时候,执行机构一直动作下去,很明显,这就是积分作用了。


将PID的积分作用命名为重置,反映了工程师关注解决问题本身的特质。纯比例控制有余差这个事实,并没有被深入研究背后的科学原因。而是把纯比例控制有余差当作一个问题进行解决,解决的方法体现了工业上know-how的特点。


稳定性、根轨迹、传递函数、甚至PID的本质这些know-what、know-why的研究,则要依靠麦克斯韦、奈奎斯特、伯德等这些理论功底深厚的科学家。奈奎斯特和伯德在贝尔实验室工作,也算企业界的一员。


操作人员手动控制回路再自动,会触发控制回路初始化控制算法偏置项的机制,从而消除余差。在下图的例子中,纯比例控制有余差,所以操作工要经常手动再自动以消除余差。如果不是积分对象,任何干扰或者设定值变化都会产生余差。比例作用强一些,余差就能小到可以接受的程度。但是如果纯滞后比较大,比例作用太强,闭环系统会振荡,这时候余差的问题就会比较突出。

纯比例控制有余差

早期PID的发明者,为了推出更符合工业需求的控制算法,将这个手动重置偏置项的工作放到控制算法中,并命名为自动重置。具体的做法被当作商业机密没有准确描述,积分作用的工业实现类似下图,就是将控制器的输出做一个一阶滤波,然后放到比例控制器的偏置项上。


看下面的传递函数可以知道,这个比例作用+正反馈在数学上恰好是一个PI控制器

PI控制器传递函数

这个被保留下来能实现反馈控制的算法什么时候被正式命名为PI控制算法,现在并不准确知道。通常把PID理论的初步形成归功于米诺斯基(1922年)。

原来早先的控制系统大多采用比例控制器,仅依靠比例作用来调节系统输出。通过调节比例系数,控制器能够根据偏差的大小进行调整,但问题在于,无论比例如何增大,最终总会有一个小的偏差无法消除。这时,我们需要引入一种“外部注入”作用量,这个外部的控制量能够叠加到比例作用上,将偏差减小到更小的程度。

为了施加这个外界作用量,控制器必须先切换到手动模式,手动注入外部量后,即改变控制器输出后,再切换回自动模式,这就像是给系统做一个“重新启动”的操作,这个过程我们称之为“重置”。然而,单次的重置往往不足以消除持续的偏差,因此,控制系统需要周期性地进行重置,这个周期便称为“重置时间”。

重置周期的长短直接影响外部注入控制量的大小。周期越短,注入的控制量累计就越大;而为了保持系统稳定,必须同时减少内部的比例控制作用,从而保证总体控制量在合理范围内不发生过大波动。换句话说,“重置周期”与比例作用之间的关系是密切相连的,这也形成了我们调节控制系统的基本整定原理。

从数学角度来看,重置的作用累加起来,相当于对偏差进行积分调整。控制量的累积作用逐步消除了偏差的存在,这就是积分控制的基本思想。尽管现代控制理论普遍采用“积分”这个概念,但在很多工业实践中,依然使用“重置”或“重置时间”这一传统术语。

作者:冯恩波

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