現(xiàn)場PID功能詳細(xì)分析

1、詳解】現(xiàn)場 PID 功能詳細(xì)分析一、 PID 控制簡介PID( Proportional Integral Derivative) 控制是最早發(fā)展起來 的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高， 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模 型的確定性控制系統(tǒng)。 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào) 節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又 稱 PID 調(diào)節(jié)，它實(shí)際上是一種算法。 PID 控制器問世至今已 有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、 調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié) 構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，

2、控制 理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須 依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定， 這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方 便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或不能通過 有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)， 最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根據(jù) 系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制 的。 從信號變換的角度而言，超前校正、滯后校正、滯后 超前校正可以總結(jié)為比例、 積分、微分三種運(yùn)算及其組合。 PID 調(diào)節(jié)器的適用范圍： PID 調(diào)節(jié)控制是一個(gè)傳統(tǒng)控制方法， 它適用于溫度、壓力、流量、液位等幾乎所有現(xiàn)場，不同的現(xiàn)場

3、，僅僅是 PID 參數(shù)應(yīng)設(shè)置不同，只要參數(shù)設(shè)置得當(dāng)均可 以達(dá)到很好的效果。均可以達(dá)到0.1% ，甚至更高的控制要求。PID 控制的不足 1. 在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、 時(shí)變不確定，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，常規(guī)的 PID 控制器 不能達(dá)到理想的控制效果；2. 在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾， 常規(guī) PID 控制器參數(shù)往往整定不良、效果欠佳，對運(yùn)行工況 的適應(yīng)能力很差。二、PID控制器各校正環(huán)節(jié)任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要任務(wù)是 要穩(wěn)（穩(wěn)定）、快（快速）、準(zhǔn)（準(zhǔn)確）的響應(yīng)命令。 PID 調(diào) 整的主要工作就是如何實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)。增大比例系數(shù) P將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，它的作用于輸出值較

4、快，但不能很好穩(wěn) 定在一個(gè)理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動 的影響，但有余差出現(xiàn)，過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大 的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。積分能在比例的基礎(chǔ) 上消除余差，它能對穩(wěn)定后有累積誤差的系統(tǒng)進(jìn)行誤差修整， 減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控 制通道，引入微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下， 對于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果，它可以使系 統(tǒng)超調(diào)量減小， 穩(wěn)定性增加， 動態(tài)誤差減小。 綜上所述， P 比例控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性，快速作用于輸出，好比現(xiàn)在 (現(xiàn)在就起作用，快)，I積分控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，消除過 去的累積誤差， 好比 過去( 清除

5、過去積怨， 回到準(zhǔn)確軌道) ， D微分控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有超前控制作用，好比未來(放眼未來，未雨綢繆，穩(wěn)定才能發(fā)展) 。當(dāng)然這個(gè)結(jié)論也 不可一概而論， 只是想讓初學(xué)者更加快速的理解 PID 的作用。 在調(diào)整的時(shí)候，你所要做的任務(wù)就是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)允許的情況 下，在這三個(gè)參數(shù)之間權(quán)衡調(diào)整，達(dá)到最佳控制效果，實(shí)現(xiàn) 穩(wěn)快準(zhǔn)的控制特點(diǎn)。 比例控制可快速、及時(shí)、按比例調(diào)節(jié) 偏差，提高控制靈敏度，但有靜差，控制精度低。積分控制 能消除偏差， 提高控制精度、 改善穩(wěn)態(tài)性能， 但易引起震蕩， 造成超調(diào)。微分控制是一種超前控制，能調(diào)節(jié)系統(tǒng)速度、減 小超調(diào)量、提高穩(wěn)定性，但其時(shí)間常數(shù)過大會引入干擾、系 統(tǒng)沖擊大，過

6、小則調(diào)節(jié)周期長、效果不顯著。比例、積分、 微分控制相互配合，合理選擇 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)，即比例系 數(shù)KP、積分時(shí)間常數(shù) T和微分時(shí)間常數(shù) T D可迅速、準(zhǔn)確、 平穩(wěn)的消除偏差， 達(dá)到良好的控制效果。 1. 比例環(huán)節(jié) 成比 例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t) ，偏差一旦產(chǎn)生，控制器 立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸 出存在穩(wěn)態(tài)誤差( Steady-state error )。 P 參數(shù)越小比例作 用越強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)越快，消除誤差的能力越強(qiáng)。但實(shí)際系統(tǒng) 是有慣性的，控制輸出變化后，實(shí)際 y(t)值變化還需等待一 段時(shí)間才會緩慢變化。由于實(shí)際系統(tǒng)是有慣性的，比例作用不宜太強(qiáng)，

7、比例作用太強(qiáng)會引起系統(tǒng)振蕩不穩(wěn)定。 P 參數(shù)的 大小應(yīng)在以上定量計(jì)算的基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)情況，現(xiàn)場調(diào) 試決定，通常將 P 參數(shù)由大向小調(diào)，以能達(dá)到最快響應(yīng)又無 超調(diào) (或無大的超調(diào) )為最佳參數(shù)。優(yōu)點(diǎn) :調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)比例 系數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，減低系統(tǒng)的惰性，加快響應(yīng)速 度。缺點(diǎn) :僅用 P 控制器 ,過大的開環(huán)比例系數(shù)不僅會使系統(tǒng) 的超調(diào)量增大，而且會使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度變小，甚至不穩(wěn)定。2. 積分環(huán)節(jié) 控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān) 系。主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng) 弱取決于積分時(shí)間常數(shù) T,T 越大，積分作用越弱，反之則越 強(qiáng)。為什么要引進(jìn)積分作用？ 比例作

8、用的輸出與誤差的大 小成正比，誤差越大，輸出越大，誤差越小，輸出越小，誤 差為零，輸出為零。由于沒有誤差時(shí)輸出為零，因此比例調(diào) 節(jié)不可能完全消除誤差， 不可能使被控的 PV 值達(dá)到給定值。 必須存在一個(gè)穩(wěn)定的誤差，以維持一個(gè)穩(wěn)定的輸出，才能使 系統(tǒng)的 PV 值保持穩(wěn)定。這就是通常所說的比例作用是有差 調(diào)節(jié)，是有靜差的，加強(qiáng)比例作用只能減少靜差，不能消除 靜差 (靜差：即靜態(tài)誤差，也稱穩(wěn)態(tài)誤差 )。 為了消除靜差必 須引入積分作用，積分作用可以消除靜差，以使被控的 y(t) 值最后與給定值一致。引進(jìn)積分作用的目的也就是為了消除 靜差，使 y(t) 值達(dá)到給定值，并保持一致。 積分作用消除靜 差的

9、原理是，只要有誤差存在，就對誤差進(jìn)行積分，使輸出 繼續(xù)增大或減小，一直到誤差為零，積分停止，輸出不再變 化，系統(tǒng)的PV值保持穩(wěn)定，y(t)值等于u(t)值，達(dá)到無差調(diào) 節(jié)的效果。 但由于實(shí)際系統(tǒng)是有慣性的，輸出變化后， y(t) 值不會馬上變化，須等待一段時(shí)間才緩慢變化，因此積分的 快慢必須與實(shí)際系統(tǒng)的慣性相匹配，慣性大、積分作用就應(yīng) 該弱，積分時(shí)間 I 就應(yīng)該大些，反之而然。如果積分作用太 強(qiáng)，積分輸出變化過快，就會引起積分過頭的現(xiàn)象，產(chǎn)生積 分超調(diào)和振蕩。通常 I 參數(shù)也是由大往小調(diào)，即積分作用由 小往大調(diào)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)以能達(dá)到快速消除誤差，達(dá)到給定 值，又不引起振蕩為準(zhǔn)。 對一個(gè)自動控制

10、系統(tǒng)，如果在進(jìn) 入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)( System with Steady-state Error )。為了消 除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差 取決于時(shí)間的積分， 隨著時(shí)間的增加， 積分項(xiàng)會增大。 這樣， 即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動 控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因 此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài) 誤差。 PI 控制器不但保持了積分控制器消除穩(wěn)態(tài)誤差的“記 憶功能”，而且克服了單獨(dú)使用積分控制消除誤差時(shí)反應(yīng)不靈 敏的缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：消除穩(wěn)態(tài)誤差。缺點(diǎn)：

11、積分控制器的加入會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度減小。3. 微分環(huán)節(jié) 反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變 得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而 加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。在微分控制中，控制 器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比 關(guān)系。為什么要引進(jìn)微分作用？ 前面已經(jīng)分析過，不論比 例調(diào)節(jié)作用，還是積分調(diào)節(jié)作用都是建立在產(chǎn)生誤差后才進(jìn) 行調(diào)節(jié)以消除誤差，都是事后調(diào)節(jié)，因此這種調(diào)節(jié)對穩(wěn)態(tài)來 說是無差的，對動態(tài)來說肯定是有差的，因?yàn)閷τ谪?fù)載變化 或給定值變化所產(chǎn)生的擾動，必須等待產(chǎn)生誤差以后，然后 再來慢慢調(diào)節(jié)予以消除。 但一般的控制系統(tǒng)，不僅對穩(wěn)定

12、 控制有要求，而且對動態(tài)指標(biāo)也有要求，通常都要求負(fù)載變 化或給定調(diào)整等引起擾動后，恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的速度要快，因此 光有比例和積分調(diào)節(jié)作用還不能完全滿足要求，必須引入微 分作用。比例作用和積分作用是事后調(diào)節(jié) ( 即發(fā)生誤差后才進(jìn) 行調(diào)節(jié))，而微分作用則是事前預(yù)防控制，即一發(fā)現(xiàn)y(t)有變大或變小的趨勢，馬上就輸出一個(gè)阻止其變化的控制信號， 以防止出現(xiàn)過沖或超調(diào)等。D 越大，微分作用越強(qiáng)， D 越小，微分作用越弱。系統(tǒng)調(diào)試 時(shí)通常把 D 從小往大調(diào)，具體參數(shù)由試驗(yàn)決定。 如：由于給定值調(diào)整或負(fù)載擾動引起y(t)變化，比例作用和微分作用 一定等到 y(t) 值變化后才進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且誤差小時(shí)，產(chǎn)生的 比例

13、和積分調(diào)節(jié)作用也小， 糾正誤差的能力也小， 誤差大時(shí)， 產(chǎn)生的比例和積分作用才增大。因?yàn)槭鞘潞笳{(diào)節(jié)動態(tài)指標(biāo)不 會很理想。而微分作用可以在產(chǎn)生誤差之前一發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)生誤 差的趨勢就開始調(diào)節(jié)，是提前控制，所以及時(shí)性更好，可以 最大限度地減少動態(tài)誤差，使整體效果更好。但微分作用只 能作為比例和積分控制的一種補(bǔ)充，不能起主導(dǎo)作用，微分 作用不能太強(qiáng)，太強(qiáng)也會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生振蕩，微分 作用只能在 P 和 I 調(diào)好后再由小往大調(diào)，一點(diǎn)一點(diǎn)試著加上 去。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振 蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或 有滯后 (delay) 組件，具有抑制誤差的作用，

14、其變化總是落后 于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超 前”，即在誤差接近零時(shí)， 抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。 這就 是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的 作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”， 它能預(yù)測誤差變化的趨勢。 這樣，具有比例 +微分的控制器， 就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從 而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被 控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的 動態(tài)特性。 PD 控制只在動態(tài)過程中才起作用，對恒定穩(wěn)態(tài) 情況起阻斷作用。因此，微分控制在任何情況下都不能單獨(dú) 使用。優(yōu)點(diǎn)：使系統(tǒng)的

15、響應(yīng)速度變快， 超調(diào)減小， 振蕩減輕， 對動態(tài)過程有“預(yù)測”作用。 在低頻段，主要是 PI 控制規(guī)律 起作用，提高系統(tǒng)型別，消除或減少穩(wěn)態(tài)誤差；在中高頻段 主要是 PD 規(guī)律起作用，增大截止頻率和相角裕度，提高響 應(yīng)速度。因此，控制器可以全面地提高系統(tǒng)的控制性能。 三、 PID 控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。 它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器 的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 PID 控制器參數(shù) 整定的方法很多， 概括起來有兩大類： 1. 理論計(jì)算整定法 它 主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。 這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)

16、未必可以直接用，還必須通過工 程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。 2. 工程整定方法 它主要依賴工程 經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌 握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。 PID 控制器參數(shù)的工程整定 方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法 各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公 式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的 控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn) 在一般采用的是臨界比例法。 利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參 數(shù)的整定步驟如下： (1) 首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓 系統(tǒng)工作；(2) 僅加入比例控制環(huán)節(jié)， 直到系統(tǒng)對輸入的

17、階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3) 在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID 控制器的參數(shù)。PID調(diào)試一般原則a.在輸出不振蕩時(shí)，增大比例增益P。b. 在輸出不振蕩時(shí)，減小積分時(shí)間常數(shù)Ti。c. 在輸出不振蕩時(shí)，增大微分時(shí)間常數(shù)Td。 PID調(diào)試一般步驟 a. 確定比例增益 P 確定比例增益 P 時(shí)，首先去掉 PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)， 一般是令Ti=0、Td=O (具體見PID 的參數(shù)設(shè)定說明) ，使 PID 為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%70%，由0逐漸加大比例增益 P，直 至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時(shí)的比例增益 P逐漸減小， 直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益 P 為當(dāng)前值的 60%70% 。比例增益 P 調(diào)試完成。 b. 確定積分時(shí)間常數(shù) Ti 比例增益 P 確定后， 設(shè)定一個(gè)較大 的積分時(shí)間常數(shù) Ti