PID性能評估

PID控制是一個在工業控制套用中最為廣泛的控制算法，由於各種原因，會造成PID控制器性能下降，體現在工藝上，會造成工藝波動，進而影響生產效率。

為了更好地發揮PID控制器的控制作用，目前已有多種PID性能評估算法，對工業現場的PID控制器性能進行有效的評估，進而指導維護工程師及時進行維護。

基本介紹

• 中文名：PID性能評估
• 外文名：PID Performance Assessment
• 全稱：PID控制器控制性能評估/監視

PID控制中存在的問題

有文獻指出，實際工業中有60%的控制器存在性能方面的問題。而在工業過程中，導致控制迴路性能不佳的原因可以歸結為以下一種或者多種情形：

1）控制器整定不佳且缺少維護。產生這種情況的原因包括：控制器從未被整定或者是基於失配模型的整定，也可能是使用了不當類型的控制器。工業過程自動控制系統中，90%以上的控制器是PID類型的控制器，即使某些情況下使用其它控制器也許能得到更好的性能。實際上，最常見的導致控制迴路性能不佳的原因是控制器缺少維護。經過多年的運行，執行器和被控對象的動態特性可能由於磨損等原因而發生變化。而只有少數工程師維護控制迴路，且操作工與工程師常常對於控制迴路性能不佳的原因缺乏認識。

2）設備故障或結構設計不合理。控制迴路性能不佳可能是由於感測器或執行器的故障(如過度的摩擦)引起的。如果工業裝置或者裝置的組件設計不合理，則問題可能更嚴重。這些問題無法通過重新整定控制器而得到有效的解決。

3）缺少或前饋補償不足。若處理不得當，外部擾動會使迴路的性能惡化。因此，當擾動可測時，建議使用前饋控制(Feedforvvard Control，FFC)對擾動進行補償。

4）控制結構設計不合理。不合適的輸入/輸出配對，忽略系統變數間的相互耦合，競賽控制器(Competing Controllers)，自由度不足，強非線性的存在，缺乏對大時延的補償等都可能導致控制結構問題。

PID性能評估

已有文獻指出：在已知過程常規運行數據估計PID控制能實現的最小方差是可行的；對於PID控制，使用PID能實現的最小方差性能作為評價基準，評價結果更趨合理；通過擬合模型後再估計得到的PID控制器參數能夠明顯減小過程輸出方差。

目前，針對控制系統進行性能監控與評估(control performance monitoring/assessment，CPM/CPA)是當今世界過程控制界最受關注的研究方向之一。控制器性能監控與評估工作可追溯到20世紀六七十年代Astrom(1967)、DeVrieWu(1978)等人的工作；到1970年，由Box，Jenkins(1976)、Astro最小方差控制(minimum variance control，MVC)；1989年Harris(1989)用最小方差控制進行SISO系統方差性能的評估，使得此領域在隨機性能監控和評估方面有了開創性的成果和新的目標。從此，CPM/CPA技術吸引了大批控制理論界學者的關注和研究而獲得了快速的發展。經過前人的努力，此技術已經發展成為涉及控制理論、系統辨識、信號處理和機率統計等多門學科的交叉綜合技術，通常被稱作為控制迴路的性能監控與評估、控制器的性能監控與評估、性能評估等。

為了解決工業系統中PID控制器由於系統時變而導致的所在控制器迴路性能下降問題，有研究者在Edgar提出的PID可達性評估基準的基礎上，提出了一種針對PID控制器進行性能評估、最佳化及監控的方法，即：PID循環評估最佳化算法。該算法利用系統閉環輸入輸出數據進行滑窗線上辨識，使用基於MVC(MinimumVariance Control)的PID最小方差可達性準則對PID控制器性能進行評估，並將計算最小方差意義下最優PID控制器參數；將理論最小方差與輸出方差相比，作為PID系統進行線上最佳化的啟停閾值。仿真已證明其有效性。