什么是Lambda整定?

2021/11/14 0:46:52 人评论 次浏览 分类:过程控制  文章地址:/tech/4021.html

PID调节器已经成功应用近百年。尽管有各种整定技术但是有明显实际应用效果而且被工业界接受的却很少。许多大学本科课程仍在讲解由John G. Ziegler和Nathaniel B. Nichols在20世纪40年代开发的Ziegler-Nichols整定方法。

上个世纪八十年代之前的大多数整定方法都关注克服不可测阶跃扰动时的峰值和累积偏差。这种积极行为对防止激活减灾系统或启动停车条件非常重要,但是由于鲁棒性不足不适合处理实际问题或实现其他控制目标。整定结果存在增益大、积分时间短的问题,不可避免地在系统中引起振荡,难以使系统达到整体性能最佳的控制目标,不适合大多数化工应用。最近的Lambda整定方法关注增加鲁棒性、最小化非线性、耦合和振荡影响并满足其他过程目标:最大化吸收干扰的缓冲罐液位控制,比值控制的回路协调和串级控制中底层回路的设定值响应等。


Lambda整定是用于减少过程波动的成功方法。从最简单的意义上讲,Lambda整定以所需的闭环响应速度实现回路的非振荡响应。通过选择一个闭环时间常数(通常称为Lambda)来设置响应速度。通过选择该闭环时间常数,可以在一个单元过程中协调一组回路的协调整定,从而使它们的共同作用有助于建立整个过程的理想动态。Lambda整定规则仅需要用户指定一个性能参数:λ。这不仅仅是为了简化KC和TI的计算过程,还是为了让用户能够通过具有物理意义的参数来选择控制器的预期性能,而不使用那些没那么直观的概念,例如比例度和积分时间,从而实现整定工作的科学化。


闭环时间常数的选择随回路及其在整体控制策略中的作用而异。选择闭环时间常数的最常见依据:

1、在确保鲁棒性和防止过度振荡的前提下,使回路尽可能快。
2、使回路的响应速度与控制并行管线的另一个回路完全相同。
3、使回路的响应速度慢于通过该过程耦合的另一个更重要回路的响应速度,以实现解耦。
4、使串级副回路的响应速度快于串级主回路。
5、在确?刂破髂芄淮硭姓P枨蟊浠耐保×考跣《韵喙刈爸玫挠跋欤垢没芈返南煊λ俣(通常是缓冲罐液位控制器)尽可能慢。
6、将闭环时间常数与随机干扰噪声结构相匹配,以使变化最小。

Lambda整定概念的基础可以追溯到1957年Newton,Gould和Kaiser的分析设计方法。简而言之,一旦知道了过程模型并且选择了闭环特性,该方法就可以直接合成所需的调节器。1968年,EB Dahlin在数字控制器上的工作为Lambda整定提供了主要推动。Dahlin将所需的闭环响应速度描述为“Lambda”。Dahlin只关心一阶纯滞后对象,而Morari和Chien等人将该技术推广到一般的传递函数。设计方法的基础是零极点配置,其中调节器零点用于抵消过程极点。


Lambda整定规则(有时也称为内部模型控制(IMC)整定)为针对速度的整定规则(例如 Ziegler-Nichols和Cohen-Coon等)提供了强大的替代方法。尽管Lambda和IMC规则的推导不同,但对自衡对象的PI调节器产生相同的规则。Ziegler-Nichols和Cohen-Coon整定规则的目标是4:1 衰减振荡,而Lambda整定规则的目标是一阶纯滞后对设定值的响应。

Lambda整定规则优点

1、过程变量在发生干扰或设定值变化后不会超调。
2、Lambda整定规则对通过阶跃测试确定过程纯滞后时间时所犯的任何错误的敏感性要低得多。这个问题在时间常数为主的过程中很常见,因为很容易低估或高估了过程纯滞后时间。当纯滞后时间不正确时,Ziegler-Nichols 和Cohen-Coon整定规则可能会给出非常糟糕的结果。
3、整定非常鲁棒,这意味着即使过程特性与用于整定的过程相比发生了较大变化,控制回路也能保持稳定。
4、Lambda整定的控制回路可以更好地吸收干扰,并将更少的干扰传递给下游过程。对于高度耦合过程,这是一个非常有吸引力的特性。造纸机上的控制回路通常使用Lambda整定规则进行整定,以防止整个机器由于过程相互耦合和反馈控制而发生振荡。
5、用户可以为控制回路指定所需的响应时间(实际上是闭环时间常数)。这提供了一个λ整定因子,可用于加快或减慢回路响应。
不幸的是,Lambda整定规则也有一个缺点。他们将控制器的积分时间设置为等于过程时间常数。如果过程具有非常长的时间常数,则调节器将因此具有非常长的积分时间。较长的积分时间会使系统从干扰中恢复的速度非常慢。

Lambda整定的控制器中使用微分控制毫无意义。如果需要快速回路响应,则应使用微分控制,因此应与快速整定规则(如 Cohen-Coon)结合使用。Lambda整定不适用于获得超快速的闭环响应。如果响应速度是整定目标,请使用其他整定规则。


注意

1、Lambda整定PID参数适用于具有串联或理想形式的PID,但不适用于并行形式(独立增益)PID。
2、Lambda整定方法计算控制器增益(KC),而不是比例度(PB)。PB=100/KC。
3、该方法假定控制器的积分设置为积分时间TI(以分钟为单位),而不是积分增益KI。KI=KC/TI。
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)

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