控制回路振蕩的根源和解決方法

2024/3/8 2:11:28 人評(píng)論次瀏覽分類：過程控制文章地址：http://www.huatongjz.com/tech/5391.html

有時(shí)，現(xiàn)有的控制回路早已在振蕩狀態(tài)持續(xù)運(yùn)行了很久，可以把控制回路的整定當(dāng)作故障排除活動(dòng)。控制回路故障排除是藝術(shù)和技術(shù)的綜合，需要工程常識(shí)、過程洞察力、控制知識(shí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和足夠的耐心。盡管存在不確定性，但一些通用的指導(dǎo)方針和過程可以幫助減少故障排除工作的難點(diǎn)。過程變量周期性振蕩有許多可能的原因，而且問題往往不一定是PID參數(shù)造成的。如果將PID控制器置手動(dòng)模式，控制回路還是振蕩，那么很可能是由其他外界原因造成的，而不是控制系統(tǒng)自身的問題。有一種可能是受到另一個(gè)控制回路的耦合作用而導(dǎo)致過程變量振蕩。如果將PID控制器設(shè)置為手動(dòng)模式，控制回路立刻停止振蕩，那可能通過PID控制器參數(shù)整定就能夠解決問題。

在振蕩控制回路中，重點(diǎn)是要觀察過程變量和PID控制器輸出的峰谷時(shí)間的振蕩相位關(guān)系。如果PID控制器輸出處于峰谷時(shí)的時(shí)間點(diǎn)，過程變量也差不多同時(shí)處于峰或谷，則可能是比例作用太強(qiáng)引起的。將比例增益減半往往振蕩就會(huì)逐漸消失，如果比例增益減半后振蕩幅度反而變大，則說明有周期性外部擾動(dòng)影響該控制回路。相反地，如果過程變量與PID控制器輸出在明顯不同的時(shí)間點(diǎn)達(dá)到波峰或波谷，則可能是積分作用太強(qiáng)造成的。將積分時(shí)間翻倍往往振蕩就會(huì)逐漸消失。將積分時(shí)間設(shè)置為峰值到峰值的振蕩周期則更保守和安全。

如圖1所示，如果PID控制器輸出和過程變量同時(shí)達(dá)到極值(波峰或波谷)，即兩者同相位振蕩，通常是由比例增益過強(qiáng)引起的。比例作用太強(qiáng)引起的振蕩可以總結(jié)為：
波峰波谷同時(shí)刻，升降同時(shí)同拐點(diǎn)；
波動(dòng)周期都一樣，靜態(tài)偏差沒法辦。

圖1 比例作用太強(qiáng)引起的振蕩

如圖2所示，過程變量與PID控制器輸出在明顯不同的時(shí)間點(diǎn)達(dá)到波峰或波谷，即兩者異相位振蕩，則可能是積分作用太強(qiáng)引起的。積分作用太強(qiáng)引起的振蕩可以總結(jié)為：
極值中間同時(shí)刻，此消彼長異相位；
積分作用適當(dāng)用，消除余差不波動(dòng)。

圖2 積分作用太強(qiáng)引起的振蕩

如圖3所示，如果過程變量呈方波形式振蕩，而PID控制器輸出呈鋸齒形狀振蕩，原因很可能是閥門存在非線性，如黏滯或靜摩擦。另一個(gè)原因可能是PID控制器輸出達(dá)到飽和點(diǎn)，例如全關(guān)或全開。如果調(diào)節(jié)閥上沒有定位器，也可能存在滯后問題。當(dāng)存在滯后時(shí)，PID控制器輸出上升，閥門位置可能偏低，但控制輸出下降，閥門位置可能偏高。在這些情況下，問題出在設(shè)備上而不是PID控制器參數(shù)。一般來說，當(dāng)過程變量振蕩但形狀不是平滑曲線時(shí)，很可能是設(shè)備問題。這種情況下首先應(yīng)該對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修減少非線性。如果PID控制器輸出和過程變量的動(dòng)態(tài)特性比較緩慢，通過和更快的副過程變量組成串級(jí)控制，也可能顯著改善控制性能。