Lambda整定提供非振荡响应，其响应时间(Lambda)由工厂设定。七个工业实例说明了该方法的相关性和简单性。Lambda整定PID参数在过程控制回路中有效吗吗？—Mark T.Coughran

PID是目前工业过程中最常见的反馈控制算法。许多控制工程师被要求选择P、I和D调节器的调节参数。我们经常面临这六个常见挑战中的一个或多个：


|考虑到这些挑战，寻找最佳PID参数的系统和实用方法是什么？不要把你自己与神秘的统计数据混淆；使用你对工厂的了解。从回路目的、可能与其他回路的耦合以及过程对控制器的响应能力(过程动态)开始。例如，实际上过程工业中几乎没有控制回路，其目的是振荡。为了满足工厂的生产目标，防止回路之间的相互作用，大多数回路需要在一定时间内作出响应。学习哪些回路需要快速，哪些需要缓慢，将使您的调优工作对设备更有价值。最后，过程动态(手动响应)将限制您做出闭环(自动)响应的速度。

lambda 调优在数千个控制回路中被证明是成功的，这些控制回路涵盖了以下过程控制应 用程序：
1、连续和批处理过程中的反馈控制回路(图1)。

图1 基础反馈控制回路
2、所有制造商提供的所有类型的PID调节器-DCS、PLC、单回路、气动。
3、物理过程，包括流量、压力(液体和气体)、液位(液体和固体)、温度(热交换、混合、反应)和成分(密度、pH、烟囱O₂、溶解氧等)。
4、过程工业，包括化工、炼油、石油天然气、电力、生命科学、纸浆和造纸、金属和采矿以及管道。
5、改造工厂优化、新工厂工厂启动、控制系统设计和仿真以及教育的环境。

Lambda整定概念
Lambda整定是一种与内模控制和模型预测控制相关的基于模型的方法。它背后的数学使用零极点抵消来实现所需的闭环响应。但是，要应用该方法，如果您的过程动态适合以下任何模型，则只需要简单的算法(如图2所示)：
a、一阶
b、积分器
c、积分器，一阶滞后
d、积分器，一阶超前
e、积分器，非最小相位
f、二阶，过阻尼
g、二阶，欠阻尼
h、二级，超前
i、二阶，超前超调
j、二阶非最小相位

每个过程模型包括纯滞后。类型a、f和j是自衡对象；也就是说，对于输出阶跃，PV最终会达到一个新值。过程动态模型通常通过手动模式(开环)下的阶跃测试来辨识。阶跃测试也有助于识别过程响应中的非线性，例如控制阀中的死区，这可能是比发现的调节器整定更大的问题。

我们假设图1中的PID调节器块包含一个PID算法。工艺块包括最终控制元件或副回路、要控制的工艺(化学、液压、热能等)和传感器/变送器。Lambda整定对设定值变化和负载干扰提供非振荡响应。选择响应时间(Lambda或λ)以适合控制策略和单元生产目标。您工厂中的大多数过程将适用一阶模型或积分器模型模拟。

图2 两个最简单和最常见的流程响应的lambda优化方法

图2所示的过程模型内置于一些控制系统调整工具中。理想的工具包括过程模型识别、Lambda优化算法、Lambda选择建议以及预测的设定值和负载响应。

工艺装置示例
让我们来看几个来自过程工厂的例子。在每个例子中，Lambda都有明确的物理意义。我们从稳定过程动态开始。图3显示了流程回路的典型结果。

图3 天然气液体通过控制阀进入脱丙烷塔的闭环流量控制

PID调节器在DCS中执行。过程模型为一阶加纯滞后时间。纯滞后时间(出现在开环和闭环中)主要是由于控制阀响应的非线性。

调节器整定的鲁棒性考虑到过程动态学(过程增益、纯滞后时间和时间常数)可能在其他过程条件下发生显著变化。对于鲁棒性来说，选择lambda等于纯滞后时间的倍数是明智的。注：在上述情况下，我们选择了λ=3×τ。

图4 从储罐泵入烯烃装置丙烯压缩机的润滑油的压力控制

保持油压对机组运行至关重要。压力通过一个旁路控制阀将部分流量送回储液罐来控制。PID在气动控制器中执行，油直接连接到控制器传感元件，输出(3~15PSIG)进入旁路阀上的气动定位器。

这个例子表明，如果开环过程响应很快，并且工厂需要快速的回路响应，我们可以使闭环响应非常快。但请注意，我们选择的Lambda值也不小于3×τ。

积分过程通常对工厂的性能和盈利能力至关重要。对于积分过程，很难猜测比例和积分设置的组合不会引起振荡。需要一种系统的整定方法来获得稳定性和性能。第一个积分过程示例是没有流量副回路的液位控制器。

图5 油田采出水处理罐液位控制

以前的整定会在自动模式下引起较大的振荡，因此操作员会将液位控制器保持在手动模式。对于此处显示的Lambda整定数据，在负载扰动后，液位PV最初返回到SP；因此流入略大于流出。然后在负载流(流出)上出现一个阶跃；注意流入响应平稳增加。停止时间或Lambda是指PV达到最大偏差并开始返回到SP的时间。达到稳定状态后，将不会出现振荡。

我们选择Lambda=240，以使液位PV远离针对大扰动时的警报限值。对于需要严格级别控制的应用程序，可以选择较小的Lambda值。例如，在锅炉汽包水位控制中，PV警报与SP非常接近。

下一个积分过程示例来自不同的过程行业和更小的容器。

图6 2升生物反应器中的溶解氧(DO)控制

PV测量为溶液的饱和百分比。DO控制器的输出进入一个流量副回路，该回路将氧气(O2)喷射到生物反应器中，并调节lambda=20秒。CO₂流入反应器以控制酸碱度；然而，它也会取代氧气，使CO2成为负荷变量。过程模型(手动测量)是积分器。PID控制器在DCS中执行。

选择的lambda将在这个批处理应用程序中保持DP足够接近SP，因为文化的发展-以及氧气需求的变化。它还符合串级规则，即 λMASTER>>λSLAVE。

到目前为止，对于积分过程，我们只检查了负载响应。如果调节器是任何默认的标准PID类型，在调节器中使用积分作用，并且如果是积分过程，那么任何整定方法都会导致设定值阶跃超调。

图7 炼油厂汽油加氢装置反应器压力控制

PID调节器在标准结构的DCS中执行，输出到反应器出口的控制阀。过程模型(在手动模式下测量)是积分器。

原来的整定导致PV上出现一个±1PSIG的循环。周期上的尖角表明调节周期因控制阀中的死区而变得复杂。仔细检查显示死区约为控制器输出的0.7%。使用λ=110秒的Lambda整定可以消除大的整定周期；我们只剩下死区引起的小极限周期。为了测试Lambda整定回路的稳定性，操作人员无法进行载荷步骤。然而，它们可以方便地修改设定值。PV在大约110秒内穿过SP，并在返回非线性极限循环之前进行小的超调。

如果SP超调是工厂的一个问题，那么在现代调节器中，可以通过选择一个备用PID结构或添加一个设定值滤波器来很容易地防止超调。另一方面，对于许多积分过程，包括这里显示的四个例子-设定值很少改变。

最后的图形示例显示了一个调优良好的缓冲罐液位调节器。您对这个回路的主要贡献是认识到控制需要缓慢！然后Lambda调优提供了一种直接而简单的方法来实现这一点。

图8 供应脱丙烷塔的缓冲罐中天然气液体的液位控制

液位调节器输出串级到缓冲罐出口上的一个流量副回路，图3的Lambda=10。干扰是流入油箱的流量。过程模型是积分器。PID控制在DCS中执行。

原来的整定是快速和振荡的；相反，Lambda整定没有系统振荡，除非负载振荡。在这种情况下，我们选择了一个大的Lambda来吸收变化性；也就是说，将被操纵变量的变化最小化。Lambda=3000是最慢的调整，它将使PV远离最坏情况下流量变化的警报。注意，尽管在工厂启动期间，进水量发生了很大变化，但仍有稳定的流出量。

通过串级控制实例，指出了防止主从回路相互作用的必要性。Lambda优化是唯一明确提供此要求的方法；我们只需选择λMASTER＞＞λSLAVE。另一种需要回路解耦的常见物理耦合类型涉及串联的多个控制阀。例如，一个化工厂的工艺水的压力从2500磅/平方英寸降至600磅/平方英寸，第二个压力从600磅/平方英寸降至150磅/平方英寸，然后是一个流量回路。为了使所有的循环都能自动运行并具有良好的系统性能，我们选择了分别为6秒、30秒和80秒的Lambda值。

总结
昌晖仪表已经演示了Lambda整定在几个具有不同类型的PID调节器和不同的控制目标的过程工厂的应用。在每种情况下，我们都获得了一个平稳的响应，相应的响应时间(lambda或λ)-在0.6到3000秒之间。该方法考虑了过程对控制调节器(过程动态)的响应能力、回路的目的以及与其他回路的耦合。

对于我们最初的问题，“Lambda整定PID参数在过程控制回路中有效吗？”您现在应该可以回答 “是”。最重要的用户需求是根据单元目标和过程约束选择响应时间λ。公式很简单，有培训和工具。但是如果你想要一个振荡响应或者任意的响应时间，你需要寻找不同的方法。
作者：冯少辉博士(现从事先进控制工作，有一线十几年工作经历，真正理论联系实际的过程控制专家)