在工业生产过程中,被控对象除了有惯性滞后外,往往不同程度地存在纯滞后。当纯滞后时间τ与被控对象时间常数T之比τ/T≥1时,被控对象被称为大纯滞后对象或纯滞后主导对象。纯滞后和时间常数的比值大才是大纯滞后对象,纯滞后时间大不一定是大纯滞后对象。
流量是过程控制中数量占比最大的重要工艺参数。使用调节阀控制流量时,被控对象的时间常数往往都比较小,此时如果整个过程中存在纯滞后导致τ/T≥1,那么这个流量被控对象就是一个大纯滞后对象。
和流量类似的自衡对象控制回路进行参数整定时,首先整定比例增益以保证基本的稳定性,然后加必要的积分时间以消除余差,在大部分情况下这种方法很有效。使用Lambda整定方法对大纯滞后被控对象的PID参数进行整定,我们有一个普遍的流量控制回路PID推荐参数。
图1是一个典型的流量控制回路开环阶跃响应曲线。从响应曲线可以看出,由于流量被控对象的时间常数非常小,这个流量就是一个大纯滞后对象。
图1 流量开环阶跃响应曲线
有些集散控制系统默认的PID参数为1/20/0[比例增益/积分时间(s)/微分时间(s)]。很多流量控制回路都能直接使用该参数进行控制,但是对于上面的流量被控对象,控制回路采用默认参数时,其设定值阶跃响应如图2所示。同相位振荡非常明显,响应曲线说明比例作用太强了,这和被控对象的纯滞后时间有关。纯滞后时间与时间常数的比越大比例增益应该越小,否则容易导致同相位振荡。
图2 流量被控对象使用默认参数(1/20/0)的控制性能
这说明在这种情况下,即使对流量控制回路采用默认参数也不能取得令人满意的控制性能,还是要根据被控对象的特性合理选择参数。为了控制这类快速对象,推荐的PID参数为0.25/20/0。针对过程控制中常见的流量控制回路,使用这一参数的控制器的鲁棒性会得到改善,同时控制性能也能令人满意。
流量控制回路使用弱比例、强积分的PID参数,适用范围更宽、控制器鲁棒性更好,是一种综合考虑了可能存在的大纯滞后特性的合理选择。针对这个流量控制回路使用推荐的PID参数,其控制性能如图3所示。
图3 流量被控对象推荐默认参数(0.3/12/0)的控制性能
使用推荐的PID参数的流量控制回路更鲁棒,能适应更大的纯滞后时间对流量控制回路的影响。如果对流量控制的响应速度要求不高,推荐PID参数适用范围更广。如果对流量控制回路的性能有更高要求,例如流量控制回路作为串级控制的副控制回路,则要进行开环阶跃测试并用Lambda方法进行整定。
最优的PID参数要综合考虑控制回路的特性和控制要求,基于Lambda整定方法给出。