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為什么說PID是可控萬物之法

2024/4/19 15:28:20 人評論 次瀏覽 分類:過程控制  文章地址:http://www.gsipv.com/tech/5512.html

PID從發明出來到今天已經100多年了。工業上絕大部分的工藝參數也是PID控制。可是關于PID還是普遍認為,其有改進優化的必要。總是感覺PID的能力有限。關于PID的實踐和認知的差別,頗有點“不知道自己知道”的感覺,其實PID是可控萬物之法。雖然基于被控對象特性,使用傳遞函數和頻域分析,能更準確地知道PID的能力和邊界。但是這些說法工程師理解起來有難度。考慮到大多數情況下PID夠用,工程上認為PID是可控之法沒有錯。(有兩個反例:①學術界需要持續地改進PID控制算法以獲得極致性能;②被控對象復雜,而且閉環性能要求和被控對象特性沖突的特定場景下,有必要改進控制算法。)

為什么說PID是可控萬物之法?


1、大滯后大純滯后PID都適用

工業界普遍認為,PID不適用于大滯后和大純滯后被控對象。這個認識是錯誤的。

當純滯后時間τ和時間常數的比很小的被控對象被稱為大滯后對象或時間常數主導對象。這個比值很大的被控對象被稱為大純滯后對象或純滯后主導對象。


大滯后對象當設置積分時間等于時間常數時,比例增益可以設置的很大直到PID調節器輸出受限也不會振蕩。這時候閉環性能已經顯著快于開環性能了。所以PID適用于大滯后對象。


大純滯后對象當設置比例增益為1/4K,積分時間設置為(T+τ)/3后也能實現閉環性能的有超調無振蕩。所以PID適用于大純滯后對象。


大滯后對象閉環穩定的PID范圍更大,閉環性能改進更明顯。大純滯后對象閉環穩定的PID范圍要小的多,而且閉環性能往往比開環還要差一些。大滯后對象閉環性能比開環性能快很多,不使用微分效果已經很少了。大純滯后對象使用微分閉環性能改進有限。所以大多數情況下不使用微分影響也不大。


2、高階對象PID都適用

學術界普遍認為,對于高階對象而言,三參數的PID的性能肯定比不過高階PID調節器。所以PI+超前滯后是改進算法的一個方向。設計不同的濾波器以提出各種控制算法是一個套路和產業。下圖所示的4個被控對象中從時域看有本質區別嗎?特別是G1~G3,實際上G1是30階多容同極點對象,而G3是10階多容同極點對象。使用PID這四個被控對象都能很好控制。將被控對象近似為一階純滯后,抓主要矛盾不對被控對象有更嚴格的區分和要求,是很好的工程處理方法。而且閉環性能往往能滿足要求。

高階PID調節器就是會各種絕技的慕容復,招數繁雜、神采飛揚、聲名赫赫。PID就是蕭峰的降龍十八掌,重劍無鋒,大巧不工,一掌可抵天下。高級算法吸引眼球,而降龍十八掌不好練。


純滯后與高階多容

純滯后與高階多容

3、PID和APC等同于老虎與金錢豹各走各的道

工業界和學術界都認為APC將替代PID,國際自控聯合會的工業委員會也認為APC是未來的方向,認為PID的影響力減弱是可預期的。筆者認為這不是事實,工業委員會會出第三份報告咱們拭目以待。

PID和APC是市場經濟和計劃經濟的區別。如果完全依靠市場,沒有合理的規則就會惡性競爭,PID如果不合理整定,進行必要的管理,裝置一定會有風險。即使是合理發達的市場經濟,必要時也需要行政和金融干預,市場經濟也需要計劃。如果完全的計劃經濟,不發揮個體的能動力,已經被早期的社會試驗證明是不科學的,計劃經濟離不開市場。PID和APC不是誰打敗誰,而是如何配合才能發揮能力的問題。


使用APC做PID的活是個行業問題,對角矩陣普遍存在。強因果單變量技術上PID肯定是夠用的。用得不好、管理上受限、技術保護這些都是理由不是技術。小快靈的事情靠PID,大慢全的工作靠APC。控制的交給PID,優化協調的交給APC。才是正道。如果管理到位、合理整定、方案恰當僅僅使用PID是個選項。想知識自動化需要APC和PID的配合。我沒有見過,不認真整定PID,單靠APC就實施的好而且有生命力的項目。就像沒有APC單靠RTO實時優化一定做不好。


4、PID的能力

最近考慮到工業上PID實際應用情況,也有一些反思的聲音。2017年郭雷院士團隊在一篇文章中指出:PID控制閉環系統無論對非線性函數的不確定性還是對PID調節器中三個參數的設計,都具有大范圍魯棒性(稱為雙邊魯棒性)。簡單說就是任意對象都有無數組PID參數保證閉環穩定。

在工程上,簡單對象PI夠用,復雜對象閉環性能要求低PI也夠用,如果要求高串級PID可以考慮。很少一部分工藝參數的控制才是先進算法的天下,多變量協調優化是PID的短板。


在一階純滯后對象中,無論是大滯后對象還是大純滯后對象,Lambda整定的PI普遍適用。而且通過選擇不同的λ,閉環性能可以普遍實現無超調、臨界阻尼、超調、1/10衰減振蕩、1/4衰減振蕩、1/2衰減振蕩、等幅振蕩。

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