【儀表網 行業科普】當 PID 控制器表現不佳時，我們是否需要重新開始？如果開環或閉環整定方法已經接近目標，我們能否利用所觀察到的現象和一些簡單的規則和步驟來完善PID 控制器的整定？
對于某些難以控制的回路，啟發式方法(模式識別)可能是唯一可行的回路整定方式。PID回路常見的三種整定方法包括：開環整定、閉環整定和啟發式整定。
在完成開環或閉環整定后，通常用啟發式方法來最終確定調優常數(微調)，或對隨時間退化的控制器進行調優。開環或閉環整定方法一般不能直接得到“最終”的整定常數。啟發式方法不僅適用于優化已整定的回路，還適用于未經整定的控制回路。對于某些難以控制的回路，它可能是唯一可行的方法。不過，對于新控制器而言，開環整定通常是最佳選擇。
控制回路的啟發式整定
“試湊法”整定的的效果有時候并不好，原因是顯而易見的。雖然對于大多數使用試湊法的人，都有一個理想的控制器響應圖(這是積極的方面)，但卻不清楚如何實現這一目標(這才是問題所在)。
啟發式方法，實際上是模式識別的一種更復雜的表達方式。如果人們清楚自己在尋找哪種模式，并且明白找到模式后的處理方法，他們通常會在模式識別上表現得更出色。啟發式回路整定就是觀察控制器響應并回答以下問題：
■ 控制器增益是過多還是過少？
■ 積分是過多還是過少？
■ 微分是否過多？
所有具有相似滯后/死區時間比的自調節控制回路，它們的行為模式都是相似的，唯一的區別在于規模。無論開環穩定時間是以毫秒還是天為單位，我們所尋找的模式都是一致的，應用規則也都是相同的。
啟發式整定是一個多步驟過程(如圖1所示)。我們初步觀察控制器時，推測其控制器增益和積分常數均過小(這一推測帶有一定假設成分，尤其是在認為控制器增益和積分常數較小時，因此使用了較大的橢圓標記)。我們的第一步是增大控制器增益。
接下來的評估表明，控制器增益過大(出現了整定過度的情況)，但積分常數仍然偏小(這使我們更加確信積分常數過小)。因此，我們調低了控制器增益，并增加了積分常數。
隨后，我們的評估發現控制器增益仍然過大(整定未徹底)，同時積分常數也過大(整定過度)。因此，我們進行了相應的修正。在倒數第二次評估時，我們發現控制器增益再次偏小，而積分常數依然偏大(不過，這時已接近理想狀態)。最終的整定取得了滿意的效果。
你可能會想：“這聽起來步驟太多了。”但實際上， 這個案例屬于復雜的反復整定過程。通常，如果你是基于開環或閉環調節測試提供的調節常數來進行調節，一般一次就能完成整定，最多不超過兩次。當然，隨著經驗的積累，你的調節能力也會不斷提升。
如果你采用啟發式方法來調節一個難以控制的系統(通常是響應較慢的控制器)，使用啟發式整定進行調節所需的屏幕操作時間通常比開環或閉環整定方法更短。對于響應極慢的控制器，實際調節時間可能會持續數天；我曾經歷過一次調整過程，四天才完成所有四個調節步驟。
下一個問題可能是：“如何判斷整定已完成？”一個非常好的答案是：“當人們停止抱怨時。”但更嚴謹的做法是：在調校控制回路前，明確您期望的響應類型。例如：
■ 控制器是否需要快速達到設定值點(例如，它是一個級聯的二級控制器)？
■ 控制器是否需要抑制擾動？
■ 控制器是否提供慢速優化(也稱為“保持在合理范圍內”)？
這些問題的答案決定了控制器的整定方式(臨界阻尼、欠阻尼或過阻尼)，同時可能會影響控制器的配置方式。
控制回路何時應開始糾正負載擾動？
控制回路的自然周期(Pn)是閉環調節中的一個重要概念。它不僅有助于理解控制器的性能，還能為控制器的調節提供重要指導。其中一個重要見解是，在至少半個自然周期的時間過去之前，您無法看到控制回路整定變化的效果。一個簡單方法可以估算自然周期：
自然周期 (Pn) = 4 × 死區時間 (Dt)
簡而言之，在更改控制回路整定后，需要至少等待 ? 自然周期后再進行觀察。更好的做法是，等待一個完整的自然周期。
試湊法整定中最大的問題之一是，是在過程有時間“消化”之前的調試更改之前，就將調試更改疊加在一起。未能理解自然周期的重要性會導致大量時間浪費，并導致調試效果不佳，要么是因為調試人員放棄了，要么是錯誤地將當前響應解釋為最后一次調試調整的實際反映——而實際上可能并非如此。
啟發式整定方法解析
啟發式整定通常包含四個步驟：
1.改變控制器設定點(控制器處于自動模式)。
2.觀察過程響應，并判斷它符合哪種模式？
3.根據識別出的模式執行相應的調整規則。
4.根據需要重復調整。
在現實應用中，你可能會發現實際模式與上述模式不完全匹配。這并不罕見；通常需要調節的控制器可能存在多個問題。請選擇最接近的模式并按照相應的規則進行調節。它可能需要多次調整，但最終可以實現理想的調節效果。
控制器增益過高的規則
圖2顯示了一個增益過大的控制器，在設定值點(SP)附近進行階躍測試時的表現。該控制器的增益似乎過大，過程變量(PV)和輸出(OP)的峰值幾乎完全重疊。積分作用確實會導致輸出(OP)在過程變量(PV)變化后稍微改變方向，但相比峰值之間四分鐘的間隔，這個延遲僅為幾秒鐘，影響較小。降低控制器增益的規則如下：
■ 將控制器增益降低30%(在25-50%之間均可)。重復此步驟，直到振蕩減少到可接受的水平。
■ 如果調節日志顯示控制器增益最近被提高過，則取中間值進行調整。
如果不需要進一步檢查積分調節，可以更新調節日志(你會記錄維護調節日志嗎？)，然后繼續進行日常工作。
但如果你認為積分調節也需要關注(積分可能過慢)，可以利用調整控制器增益所學到的經驗，來估算積分調節常數。
積分作用過強的規則
圖3展示了一個積分作用過強的控制器，在設定點(SP)階躍測試中的表現。可以明顯看出積分過強，OP峰值顯著滯后于PV峰值。降低積分作用的規則是：
■ 將積分增加50%(25-75%之間的任何值都可以)。重復直到波動降低到可接受的水平。
■ 如果調優日志顯示積分最近被降低，則取中間值。
如果沒有必要檢查控制器增益，你可以更新調優日志，然后繼續你的工作。然而，如果有理由認為控制器增益需要調整，可以利用在修正積分過程中獲得的經驗，來估算合適的控制器增益。
控制器增益過小的規則
增加控制器增益的規則如下：
■ 將控制器增益增加不超過50%。重復此步驟，直至震蕩較小，如有必要再進行適當降低。
■ 如果調節日志顯示控制器增益已被降低，則取中間值進行調整。
注意：如果控制器增益低于基準控制器增益 Kbase，并且你確定這不是一個死區主導的過程，那么第一步應將控制器增益設定在Kbase附近或稍低于它。
然而，對于滯后主導的過程，控制器增益過小可能不會表現出明顯的跡象。這是因為即使控制器增益達到基線增益(Kbase)的數倍，系統仍可能保持穩定。相反，控制器的表現可能讓人誤以為增益已足夠。此外，控制器增益的上限可能受其它因素限制，例如避免對下游過程產生干擾。
你可能會好奇，為什么這會成為一個問題。更高的控制器增益能夠減少過程干擾的影響，限制干擾的幅度和持續時間。如果該控制器的主要目的是抑制過程干擾，那么最大化控制器增益將是理想選擇。在這種情況下，可以逐步增加控制器增益，直至系統出現振蕩，然后再根據需要適當降低。
這正是保持調優日志的重要性之一。特別是對于滯后主導的過程，記錄下調優決策的原因至關重要——無論是為了提高增益以抑制干擾，還是為了降低增益以避免影響下游過程。這樣一來，任何查看該控制器調優記錄的人都能清楚地了解其背后的考量，從而確保調優策略的一致性和可追溯性。
在接近合適的控制器增益之前，不要急于估算積分調優常數。如果在控制器增益過小時進行估算，所得的積分調優常數可能會過快，從而會增加系統不穩定的風險。
積分調整過慢的規則
加快積分速度的規則是：
■ 將積分減少25%到50%。重復直到檢測到輕微震蕩，然后根據需要增加。
■ 如果調優日志顯示積分最近被減慢，則取中間值。
當積分設置過慢時，控制器在SP變化或受到干擾后，很難消除誤差。這一點適用于滯后主導和中等自限過程。請記住，控制器增益無法單獨消除誤差，只有積分才能完成這一任務。然而，對于滯后主導過程，如果控制器增益足夠高，可能很難判斷積分是否過慢。如果控制器增益是基線控制器增益的10倍，那么僅憑控制器增益就能消除約90%的誤差。
在接近合適的積分調優常數之前，不要急于估算控制器增益。如果在積分調優常數過慢時進行計算，可能會得出過大的控制器增益，從而導致系統不穩定。
微分作用過強的規則
修正微分過強的規則是：
■ 將微分設置為零。
■ 必要時糾正控制器增益和積分。
■ 如果在校正后，該過程看起來像一個中等過程，請考慮將微分設置為積分的 1/4(Td = 0.25 * Ti)。如果這導致問題，則移除微分。
大多數控制回路不應使用微分。在某些情況下，微分可以改善控制器響應。但在應用微分之前，請確保你正在處理的是具有多個滯后的中等自限過程。
啟發式整定的技巧和局限性
由于啟發式整定是通過在自動模式下更改 SP 來完成的，因此對過程的風險非常小。不過，必須與操作 人員合作，確定其能夠接受的最大 SP 變化。較大的 SP 變化有助于獲得更好的結果，因為噪聲和控制閥問題對結果的影響較小。如果你懷疑閥門有問題，應該進行多次不同幅度的上下調整。如果過程響應不一致，那么你可能遇到了調優無法解決的問題。
務必保留一個回路整定日志。保留日志的好處多多，其中之一是，如果你使用啟發式方法，日志可以幫助指導你的整定工作。具體來說，如果你最近提高了控制器增益，但現在看起來調節過度，可以通過取上次設置和當前設置的中間值來調整。啟發式整定的目標是加快整定過程，而整定日志則能助你一臂之力。
耐心是試湊法整定的常見問題。啟發式方法其實是“有指導的試湊法”的一種簡化說法，而我看到的最大問題是人們不愿意等待。請記住，任何整定更改的結果，只有在自然周期的一半過去后才會顯現，而自然周期大約是過程死區時間的四倍。如果你正在處理一個慢速過程，那就可以在進行調整后離開，以避免在當前調整完全生效之前進行另一次更改的沖動。在調整生效之前堆疊更改會掩蓋結果，并且會延長整定過程的時間。
正如我們在上面看到的，使用啟發式方法可能需要多個步驟。如果控制回路的調優偏離目標太遠，最好先使用開環整定來獲得一個初步近似值，然后再使用啟發式方法最終確定調優常數。話雖如此，隨著經驗的積累，你才能更有根據的預測，多大更改才能實現最佳值。此外，如果你所在的設施調試得相當好，而你需要重新調試一個控制回路，那么現有的調試常數很可能離最優值不遠。使用啟發式方法會更快，特別是如果在最近的趨勢中SP發生變化，這時可以估算出新的調優常數。
一個壞的控制閥會扭曲回路整定結果。壞閥門的常見問題之一是滯后會導致極限循環擺動。如果你不了解壞閥門產生的獨特特征，可能會將其誤認為是控制器增益或積分過多的問題。那么無論你做什么，可能都無法修復這種擺動，但你的調優努力可能會使回路變得過于緩慢，以至于無法正常工作。
啟發式整定簡單且安全，只需要你避免大幅度調整。和所有整定方法一樣，經驗和對PID方程的理解很有幫助。啟發式整定還可以與其他循環調試方法互為補充，可用于優化其他方法的結果。啟發式整定會加快并改進你的調試工作。開環和閉環方法的結果往往不完全符合我們的需求，啟發式整定無需從頭開始，可智能地調整調試常數，以獲得所需的性能。
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