PID調(diào)節(jié)器已經(jīng)成功應(yīng)用近百年。盡管有各種整定技術(shù)但是有明顯實(shí)際應(yīng)用效果而且被工業(yè)界接受的卻很少。許多大學(xué)本科課程仍在講解由John G. Ziegler和Nathaniel B. Nichols在20世紀(jì)40年代開發(fā)的Ziegler-Nichols整定方法。
上個世紀(jì)八十年代之前的大多數(shù)整定方法都關(guān)注克服不可測階躍擾動時的峰值和累積偏差。這種積極行為對防止激活減災(zāi)系統(tǒng)或啟動停車條件非常重要，但是由于魯棒性不足不適合處理實(shí)際問題或?qū)崿F(xiàn)其他控制目標(biāo)。整定結(jié)果存在增益大、積分時間短的問題，不可避免地在系統(tǒng)中引起振蕩，難以使系統(tǒng)達(dá)到整體性能最佳的控制目標(biāo)，不適合大多數(shù)化工應(yīng)用。最近的Lambda整定方法關(guān)注增加魯棒性、最小化非線性、耦合和振蕩影響并滿足其他過程目標(biāo)：最大化吸收干擾的緩沖罐液位控制，比值控制的回路協(xié)調(diào)和串級控制中底層回路的設(shè)定值響應(yīng)等。
Lambda整定是用于減少過程波動的成功方法。從最簡單的意義上講，Lambda整定以所需的閉環(huán)響應(yīng)速度實(shí)現(xiàn)回路的非振蕩響應(yīng)。通過選擇一個閉環(huán)時間常數(shù)(通常稱為Lambda)來設(shè)置響應(yīng)速度。通過選擇該閉環(huán)時間常數(shù)，可以在一個單元過程中協(xié)調(diào)一組回路的協(xié)調(diào)整定，從而使它們的共同作用有助于建立整個過程的理想動態(tài)。Lambda整定規(guī)則僅需要用戶指定一個性能參數(shù)：λ。這不僅僅是為了簡化KC和TI的計算過程，還是為了讓用戶能夠通過具有物理意義的參數(shù)來選擇控制器的預(yù)期性能，而不使用那些沒那么直觀的概念，例如比例度和積分時間，從而實(shí)現(xiàn)整定工作的科學(xué)化。
閉環(huán)時間常數(shù)的選擇隨回路及其在整體控制策略中的作用而異。選擇閉環(huán)時間常數(shù)的最常見依據(jù)：
1、在確保魯棒性和防止過度振蕩的前提下，使回路盡可能快。
2、使回路的響應(yīng)速度與控制并行管線的另一個回路完全相同。
3、使回路的響應(yīng)速度慢于通過該過程耦合的另一個更重要回路的響應(yīng)速度，以實(shí)現(xiàn)解耦。
4、使串級副回路的響應(yīng)速度快于串級主回路。
5、在確?？刂破髂軌蛱幚硭姓Ｐ枨笞兓耐瑫r，盡量減小對相關(guān)裝置的影響，使該回路的響應(yīng)速度(通常是緩沖罐液位控制器)盡可能慢。
6、將閉環(huán)時間常數(shù)與隨機(jī)干擾噪聲結(jié)構(gòu)相匹配，以使變化最小。
Lambda整定概念的基礎(chǔ)可以追溯到1957年Newton，Gould和Kaiser的分析設(shè)計方法。簡而言之，一旦知道了過程模型并且選擇了閉環(huán)特性，該方法就可以直接合成所需的調(diào)節(jié)器。1968年，EB Dahlin在數(shù)字控制器上的工作為Lambda整定提供了主要推動。Dahlin將所需的閉環(huán)響應(yīng)速度描述為“Lambda”。Dahlin只關(guān)心一階純滯后對象，而Morari和Chien等人將該技術(shù)推廣到一般的傳遞函數(shù)。設(shè)計方法的基礎(chǔ)是零極點(diǎn)配置，其中調(diào)節(jié)器零點(diǎn)用于抵消過程極點(diǎn)。
Lambda整定規(guī)則(有時也稱為內(nèi)部模型控制(IMC)整定)為針對速度的整定規(guī)則(例如 Ziegler-Nichols和Cohen-Coon等)提供了強(qiáng)大的替代方法。盡管Lambda和IMC規(guī)則的推導(dǎo)不同，但對自衡對象的PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生相同的規(guī)則。Ziegler-Nichols和Cohen-Coon整定規(guī)則的目標(biāo)是4:1 衰減振蕩，而Lambda整定規(guī)則的目標(biāo)是一階純滯后對設(shè)定值的響應(yīng)。
Lambda整定規(guī)則優(yōu)點(diǎn)
1、過程變量在發(fā)生干擾或設(shè)定值變化后不會超調(diào)。
2、Lambda整定規(guī)則對通過階躍測試確定過程純滯后時間時所犯的任何錯誤的敏感性要低得多。這個問題在時間常數(shù)為主的過程中很常見，因?yàn)楹苋菀椎凸阑蚋吖懒诉^程純滯后時間。當(dāng)純滯后時間不正確時，Ziegler-Nichols 和Cohen-Coon整定規(guī)則可能會給出非常糟糕的結(jié)果。
3、整定非常魯棒，這意味著即使過程特性與用于整定的過程相比發(fā)生了較大變化，控制回路也能保持穩(wěn)定。
4、Lambda整定的控制回路可以更好地吸收干擾，并將更少的干擾傳遞給下游過程。對于高度耦合過程，這是一個非常有吸引力的特性。造紙機(jī)上的控制回路通常使用Lambda整定規(guī)則進(jìn)行整定，以防止整個機(jī)器由于過程相互耦合和反饋控制而發(fā)生振蕩。
5、用戶可以為控制回路指定所需的響應(yīng)時間(實(shí)際上是閉環(huán)時間常數(shù))。這提供了一個λ整定因子，可用于加快或減慢回路響應(yīng)。
不幸的是，Lambda整定規(guī)則也有一個缺點(diǎn)。他們將控制器的積分時間設(shè)置為等于過程時間常數(shù)。如果過程具有非常長的時間常數(shù)，則調(diào)節(jié)器將因此具有非常長的積分時間。較長的積分時間會使系統(tǒng)從干擾中恢復(fù)的速度非常慢。
Lambda整定的控制器中使用微分控制毫無意義。如果需要快速回路響應(yīng)，則應(yīng)使用微分控制，因此應(yīng)與快速整定規(guī)則(如 Cohen-Coon)結(jié)合使用。Lambda整定不適用于獲得超快速的閉環(huán)響應(yīng)。如果響應(yīng)速度是整定目標(biāo)，請使用其他整定規(guī)則。
注意
1、Lambda整定PID參數(shù)適用于具有串聯(lián)或理想形式的PID，但不適用于并行形式(獨(dú)立增益)PID。
2、Lambda整定方法計算控制器增益(KC)，而不是比例度(PB)。PB=100/KC。
3、該方法假定控制器的積分設(shè)置為積分時間TI(以分鐘為單位)，而不是積分增益KI。KI=KC/TI。
作者：馮少輝博士(現(xiàn)從事先進(jìn)控制工作，有一線十幾年工作經(jīng)歷，真正理論聯(lián)系實(shí)際的過程控制專家)
