攻克PID整定的“老大难”：启发式整定
发布时间：2026-07-06 作者：Ed Bullerdiek
图片来源：CEChina
需要对一个持续振荡的积分过程进行整定。已完成所有检查，确认问题确实出自整定环节。若无法进行开环测试，应如何解决该问题？启发式方法可提供有效的解决方案。
积分过程的启发式整定（引导试错）较为复杂。这并非因为整定本身难度大，难点是需要在实现主要整定目标的同时，还要满足次要约束条件。这就意味着，对于"好整定"的标准，并不存在硬性规定，也就是说在不同的应用场景中，基于其在整体过程中的角色定位，两个完全相同的过程可能需要完全不同的整定方式。
▲图1：积分过程PI控制器整定图（Kp=0.2%/分钟，T1/T2/T3=30秒，Dt=0秒）。图片来源：CE
图1展示了一个过程增益（Kp）为0.2%/分钟、包含三个30秒滞后环节（T1、T2、T3）且死区时间（Dt）为零的积分过程整定图，该图有助于说明在整定最常见的积分过程（液位控制）时可能遇到的问题。通过该图可以确定积分过程控制器增益与积分时间的可设置范围：
•在标注为 “稳定界限”的红线左上方区域，该过程处于不稳定状态。
• 标注为“最小包容增益”的蓝线，表示当容器处于50%液位时，能够容纳输入（或输出）流量变化50%时，所需的控制器增益与积分时间的最小组合值。若掌握特定的过程知识，可自行设定最小值。
• 标注为“带积分的最小增益”的绿线，表示能够抑制积分作用引发振荡的最小控制器增益值。需要利用控制器的增益，来防止因控制器积分作用而引发的过程失控波动；积分作用越快，为防止不稳定所需的控制器增益就越大。在此特定过程中，当积分时间低于6.0分钟/次时，无论控制器增益如何设置，都会开始出现振荡。此时振荡将持续发生，且随着积分时间的缩短而加剧。位于蓝绿线上方、红线右下方的区域即为该控制器可行的整定范围。
• 最后，标注为“100%增益裕度”的黑色虚线，代表最大稳定控制器增益（红线值）的一半。超过此线将引发控制器增益驱动的振荡，因此控制器增益通常不应大幅超越此线。
对于液位控制而言，存在三种潜在的性能目标。如果按出现频率排序，分别为：喘振控制、干扰抑制以及设定值跟踪整定。可以看出，每种目标都对应整定窗口中的特定区域，其中喘振控制和设定值跟踪整定的可接受的整定范围，可能非常宽泛。各性能目标的整定要点可概括如下：
• 喘振控制：在将过程变量控制在允许范围内的前提下，采用最小控制器增益及最慢积分速度。
• 干扰抑制：在最小振荡的前提下，采用最大控制器增益与最快积分速度。
• 设定值跟踪：采用无振荡的最大控制器增益，以及具有可接受干扰恢复能力的最慢积分速度。
需要特别指出：若需要平衡多个目标，最佳整定参数可能位于三个区域之间的某个位置。
启发式整定方法的两种类型
根据控制器用途的不同，存在两种启发式整定方法。若控制器以设定值响应为目的，则采用与自限过程相同的整定方法：
1.确认过程稳定且过程变量处于设定值。
2.改变控制器设定值（控制器处于自动模式）。
3.观察过程响应；符合哪种振荡模式？
4.执行对应模式的调整规则。
5.按需重复上述步骤。
若为喘振控制或扰动抑制进行整定，则需向过程注入扰动：
1.确认过程稳定且过程变量处于设定值。
2.将控制器切换至手动模式。
3.改变控制器输出值。
4.立即将控制器切回自动模式。
5.观察过程响应；符合哪种振荡模式？
6.执行对应模式的调整规则。
7.按需重复上述步骤。
采用这种方法的原因在于,积分过程对设定值变化与扰动响应的机制存在本质差异。同时，还假设过程对输入流量与输出流量变化的响应方式基本一致。
图2展示了积分过程在不同时点对不同扰动的响应：5分钟时点对人为扰动的响应、30分钟时点对自然扰动的响应以及60分钟时点对设定值变化的响应。过程变量对人为扰动与自然扰动的响应相似，但不完全相同。这是因为过程对输入流量变化会立即响应，而对输出流量的响应则会因三个30秒的滞后环节而产生延迟。
▲图2：积分过程人为扰动测试方法（整定参数：K=3.5， Ti=10分钟/次， Td=0分钟）
尽管如此，这两种响应模式的相似度足以让我们通过人为扰动响应而得出有效结论。值得注意的是，设定值变化的响应特征与前两者存在显著差异，这充分说明当控制器以处理扰动为主要目的时，必须采用人为引入扰动的方式进行整定。
控制器增益过高的整定
液位控制器很少出现增益过高的情况，因为典型液位系统具有较大的填充时间/死区时间比。若确实出现过程变量与控制器输出波峰对齐的现象，则首先应检测是否存在死区时间过大的问题。调整规则如下：
• 将控制器增益减少30%（处于25%-50%之间即可），重复操作，直至振荡减小到可接受的水平。
• 若整定记录显示控制器增益近期曾被上调，应采取折中调整方案。
• 若振荡呈现四分之一幅衰减或更强（每个波峰达到前一个波峰尺寸的25%或更大），应利用闭环整定规则重新估算整定参数。
若最终控制器增益值低于1.0，则需对过程进行深入核查：该过程是否合理？控制器可能已无法将过程变量维持在限定范围内。
积分时间过快的整定
这是液位控制器最常见的问题。缺乏经验的控制系统调试人员可能未能充分理解积分过程的特殊性，错误地采用自平衡的整定方法，导致控制器增益不足且积分时间过快。当遇到OP波峰滞后于PV波峰的工况时，请遵循以下规则：
• 将积分时间延长50%（位于25%~75%之间均可），重复操作直至振荡减小到可接受的水平。
• 若整定记录显示积分时间近期曾被缩短，应采取折中调整方案。
• 根据控制器用途的不同，可考虑同时提升控制器的增益。
控制器增益不足的整定
这种情况可能源于对喘振控制整定的错误尝试，或试图通过减小控制器增益来抑制积分作用所引发的振荡（这是大多数年轻控制工程师被灌输的修复振荡控制器的标准方法）。若遇到振荡非常缓慢且控制器增益低于1.0的情况，请遵循以下规则：
• 采用开环测试规则来设定控制器增益。需注意：若过程具有低填充时间/死区时间比，此方法可能导致系统不稳定。若为干扰抑制控制器（控制器增益低于1.0时可能性较小），持续增加增益直至出现轻微振荡，随后适当降低增益值；若旨在实现喘振控制，可通过扰动测试从响应曲线来估算过程填充时间与死区时间，并运用开环整定规则来计算新的控制器增益与积分整定参数。
• 若整定记录显示控制器增益近期曾被下调，应采取折中调整方案。
积分过慢的整定
若控制器以设定值跟踪或喘振控制为目的，积分时间应设置为能在合理时间内将过程变量恢复至设定值。虽无硬性规定，但通常积分时间应设置在10至50分钟/次之间。但若需实现干扰抑制整定，应：
• 将积分时间缩短25%至50%，重复操作直至检测到轻微振荡，必要时可适当回调。
• 若整定记录显示积分时间近期曾被延长，应采取折中调整方案。
微分过量的整定
液位控制器通常无需微分作用，故应将微分设置为零。但对于其它具有多重滞后特性的积分过程，微分作用可能会有所帮助。通用整定过程如下：
• 将微分时间设置为零。
• 验证并修正控制器增益与积分时间（必要时）。
• 逐步增加微分时间直至达到预期性能或出现振荡。
与自限过程不同，将微分时间设置为积分时间的四分之一可能不适用，建议从更小的数值开始尝试。
启发式整定的要点和局限性
在通常情况下，除在执行人为扰动测试时需要将控制器切换至手动模式数秒外，其余时间控制器均保持自动状态，因此启发式整定安全可靠。无论采用何种测试方法，都需与操作人员共同确定其可接受的最大设定值或控制器输出阶跃的幅度。
推荐使用较大幅度的阶跃，因为噪声和控制阀对结果的影响会更小。若怀疑存在阀门问题，则应进行不同幅度的上、下双向多次阶跃测试。若过程响应不一致，则可能存在无法通过整定就能解决的问题。
应保持回路整定记录。维护整定日志有多重好处，其一便是若采用启发式方法，可通过历史记录指导整定操作。例如近期提高了控制器增益，现在发现调整幅度过大，便可取上一次设定值与当前设定值的中间值。
我们所处理的大多数积分过程响应缓慢，必须等待响应完全展开，才能准确判断问题。当然，当面对性能严重劣化的过程时，可快速进行整定并立即完成问题诊断（这正是我推崇启发式方法的根本原因）。但完成首次调整后，就需要保持耐心。
启发式方法可能需要多步调整。若控制回路整定参数严重偏离，最好先采用开环整定获取初步参数，再通过启发式方法最终确定整定常数。然而，在整定基础较好的工厂中，当需要重新整定某个控制回路时，现有整定参数很可能已接近最优值。此时采用启发式方法会更高效——特别是当趋势图中存在近期设定值变化记录时，可以快速估算新的整定参数。
引入扰动测试的前提，是过程对输入/输出变化的响应特性一致。若该条件不成立，测试结果可能失效性能不佳的控制阀可能会扭曲回路整定结果。
控制阀故障最常见的问题之一，是滞环效应会引发极限环振荡。若未能识别出故障阀门特有的信号特征，可能误判为控制器增益或积分过量。此时任何整定操作都无法消除振荡，反而可能使回路响应迟缓至失效状态。