PID控制器的參數(shù)整定(經(jīng)驗(yàn)總結(jié))

1、PID控制器的參數(shù)整定(1)PID是比例,積分,微分的縮寫.比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但是過大的比例,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無差度。因?yàn)橛姓`差,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行,直至無差,積分調(diào)節(jié)停止,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)Ti,Ti越小,積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大,則積分作用弱,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合,組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏

2、差信號(hào)的變化率,具有預(yù)見性,能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì),因此能產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此,可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下,可以減少超調(diào),減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用,因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié),對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外,微分反應(yīng)的是變化率,而當(dāng)輸入沒有變化時(shí),微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用,需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合,組成PD或PID控制器。 (2) PID具體調(diào)節(jié)方法方法一確定控制器參數(shù)數(shù)字PID控制器控制參數(shù)的選擇，可按連續(xù)-時(shí)間PID參數(shù)整定方法進(jìn)行。 在選擇數(shù)字PID參數(shù)之前，首先應(yīng)該確定控制器結(jié)構(gòu)。對(duì)允許

3、有靜差（或穩(wěn)態(tài)誤差）的系統(tǒng)，可以適當(dāng)選擇P或PD控制器，使穩(wěn)態(tài)誤差在允許的范圍內(nèi)。對(duì)必須消除穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)，應(yīng)選擇包含積分控制的PI或PID控制器。一般來說，PI、PID和P控制器應(yīng)用較多。對(duì)于有滯后的對(duì)象,往往都加入微分控制。選擇參數(shù) 控制器結(jié)構(gòu)確定后，即可開始選擇參數(shù)。參數(shù)的選擇，要根據(jù)受控對(duì)象的具體特性和對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行。工程上，一般要求整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，對(duì)給定量的變化能迅速響應(yīng)并平滑跟蹤，超調(diào)量??；在不同干擾作用下，能保證被控量在給定值；當(dāng)環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)能保持穩(wěn)定，等等。這些要求，對(duì)控制系統(tǒng)自身性能來說，有些是矛盾的。我們必須滿足主要的方面的要求，兼

4、顧其他方面，適當(dāng)?shù)卣壑蕴幚?。PID控制器的參數(shù)整定，可以不依賴于受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。工程上，PID控制器的參數(shù)常常是通過實(shí)驗(yàn)來確定，通過試湊，或者通過實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式來確定。常用的方法，采樣周期選擇， 實(shí)驗(yàn)湊試法實(shí)驗(yàn)湊試法是通過閉環(huán)運(yùn)行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)，從而確定PID控制參數(shù)。 整定步驟 實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為"先比例，再積分，最后微分"。 （1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié)

5、60;若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。 先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的5080，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。 （3）整定微分環(huán)節(jié) 若經(jīng)過步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。 先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。 實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法 擴(kuò)充臨界比例度法 實(shí)

6、驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法調(diào)整PID參數(shù)的方法中較常用的是擴(kuò)充臨界比例度法,其最大的優(yōu)點(diǎn)是，參數(shù)的整定不依賴受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，直接在現(xiàn)場整定、簡單易行。 擴(kuò)充比例度法適用于有自平衡特性的受控對(duì)象，是對(duì)連續(xù)-時(shí)間PID控制器參數(shù)整定的臨界比例度法的擴(kuò)充。 整定步驟 擴(kuò)充比例度法整定數(shù)字PID控制器參數(shù)的步驟是： （1）預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期TS。一般說TS應(yīng)小于受控對(duì)象純延遲時(shí)間的十分之一。 （2）用選定的TS使系統(tǒng)工作。這時(shí)去掉積分作用和微分作用，將控制選擇為純比例控制器，構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)行。逐漸減小比例度，即加大比例放大系數(shù)KP，直至系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍信號(hào)的響應(yīng)

7、出現(xiàn)臨界振蕩（穩(wěn)定邊緣），將這時(shí)的比例放大系數(shù)記為Kr,臨界振蕩周期記為Tr。 （3）選擇控制度。 控制度，就是以連續(xù)-時(shí)間PID控制器為基準(zhǔn)，將數(shù)字PID控制效果與之相比較。 通常采用誤差平方積分 作為控制效果的評(píng)價(jià)函數(shù)。 定義控制度 采樣周期TS的長短會(huì)影響采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng) 的品質(zhì)，同樣是最佳整定，采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)要低于連續(xù)-時(shí)間控制系統(tǒng)。因而，控制度總是大于1的，而且控制度越大，相應(yīng)的采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的品質(zhì)越差?？刂贫鹊倪x擇要從所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的控制品質(zhì)要求出發(fā)。 （4） 查表確定參數(shù)。根據(jù)所選擇的控制度，

8、查表3一2，得出數(shù)字PID中相應(yīng)的參數(shù)TS,KP,TI和TD。 （5）運(yùn)行與修正。將求得的各參數(shù)值加入PID控制器,閉環(huán)運(yùn)行,觀察控制效果,并作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以獲得比較滿意的效果。方法二2.3 PID參數(shù)整定方法 2.3.1 工程整定法 PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的參數(shù)，除了比例系數(shù)Kp，積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td外，還有1個(gè)重要參數(shù)即采樣周期T。1采樣周期T的選擇確定從理論上講，采樣頻率越高，失真越小。但是，對(duì)于控制器，由于是依靠偏差信號(hào)來進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算的，當(dāng)采樣周期T太小，偏差信號(hào)也會(huì)過小，此時(shí)計(jì)算機(jī)將失去調(diào)節(jié)作用；若采樣周期T太長，則將引起誤差。因此采樣周期T必須綜合考慮。采樣周期的

9、選擇方法有兩種，一種是計(jì)算法，另一種是經(jīng)驗(yàn)法。計(jì)算法由于比較復(fù)雜，特別是被控對(duì)象各環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)難以確定，工程上較少用。經(jīng)驗(yàn)法是一種湊試法，即根據(jù)人們?cè)诳刂乒ぷ鲗?shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)以及被控對(duì)象的特點(diǎn)，先選擇一個(gè)采樣周期T，進(jìn)行試驗(yàn)，再反復(fù)改變T，直到滿意為止。2Kp，Ti，Td的選擇方法1）擴(kuò)充臨界比例度法擴(kuò)充臨界比例度法是簡易工程整定方法之一，用它整定Kp，Ti，Td的步驟如下。 選擇最短采樣周期Tmin，求出臨界比例度Su和臨界振蕩周期Tu。具體方法是將Tmin輸入計(jì)算機(jī)，只有P環(huán)節(jié)控制，逐漸縮小比例度，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩。此時(shí)的比例度即為臨界比例度Su，振蕩周期稱為臨界振蕩周期Tu

10、。選擇控制度為： （2-15）通常當(dāng)控制度為1.05時(shí)，表示數(shù)字控制方式與模擬方式效果相當(dāng)。根據(jù)計(jì)算度，查表2-1可求出Kp，Ti，Td。 表2-1 擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù)表控制度控制規(guī)律參數(shù)TKpTiTd1.05PIPID0.03Tu0.014Tu0.53Su0.63Su0.88Tu0.49Tu/0.14Tu1.2PIPID0.05Tu0.43Tu0.49Su0.47Su0.91Tu0.47Tu/0.16Tu1.5PIPID0.14Tu0.09Tu0.42Su0.34Su0.99Tu0.43Tu/0.20Tu2.0PIPID0.22Tu0.16Tu0.36Su0.27S

11、u1.05Tu0.4Tu/0.22Tu2）擴(kuò)充響應(yīng)曲線法若已知系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性曲線，可以采用和模擬調(diào)節(jié)方法一樣的響應(yīng)曲線法進(jìn)行整定，其步驟如下。 斷開微機(jī)調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)手動(dòng)工作，當(dāng)系統(tǒng)在給定值處處于平衡后，給一階躍輸入。用儀表記錄被調(diào)參數(shù)在此階躍作用下的變化過程曲線。如圖2-12所示。 圖2-12 階躍信號(hào)下的曲線動(dòng)畫講解圖片說明在曲線最大斜率處做切線，求得滯后時(shí)間t，對(duì)象時(shí)間常數(shù)以及它們的比值/t。根據(jù)所求得的，t和/t值，查表2-2求得值Kp，Ti，Td。 表2-2 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定參數(shù)表控制度控制規(guī)律參數(shù)TKpTiTd1.05PIPID0.1t0.05t&#

12、160;0.84/t1.15/t 0.34t2.0t /0.45t1.2PIPID0.2t0.15t0.78/t1.0/t 3.6t1.9t /0.55t1.5PIPID0.50t0.34t0.68/t0.85/t3.9t1.62t /0.65t 2.0PIPID0.8t0.6t0.57/t0.6/t 4.2t1.5t /t 2.3.2 經(jīng)驗(yàn)法在實(shí)際工作過程中，由于被調(diào)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性不是很容易確定，即使確定了，不僅計(jì)算困難，工作量大，往往其結(jié)果與實(shí)際相差較大，甚至事倍功半。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中采用的是經(jīng)

13、驗(yàn)法。即根據(jù)各調(diào)節(jié)作用的規(guī)律，經(jīng)過閉環(huán)試驗(yàn)，反復(fù)湊試，找出最佳調(diào)節(jié)參數(shù)。微機(jī)調(diào)速器參數(shù)最終要在現(xiàn)場試驗(yàn)好后，才能選出最優(yōu)參數(shù)。廠家有規(guī)定的參考值，有一個(gè)范圍，是理論計(jì)算出來的。因此要選擇出最優(yōu)參數(shù)，就必須在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)做記錄曲線后方能得到。2.3.3 湊試法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)湊試法是通過模擬（或閉環(huán)）運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)（例如，階躍響應(yīng)）曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，從而確定PID的調(diào)節(jié)參數(shù)。增大比例系數(shù)Kp一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，這有利于減小靜差。但過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大式（2-2）中的Td有利于加快

14、系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但對(duì)于干擾信號(hào)的抑制能力將減弱。在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)分析控制過程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行先比例，后積分，再微分的整定步驟。其具體步驟如下： 首先整定比例部分。將比例系數(shù)由小調(diào)大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差小到允許的范圍之內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只需要用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。 當(dāng)僅調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)器參數(shù)，系統(tǒng)的靜差還達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)，首先置積分常數(shù)Ti為一個(gè)較大值，經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)會(huì)略為縮?。ㄈ鐪p小20%），然后減小積分常數(shù)，使系統(tǒng)

15、在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)修改比例系數(shù)和積分常數(shù)，直至得到滿意的效果和相應(yīng)的參數(shù)。 若使用比例積分器，能消除靜差，但動(dòng)態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整后仍達(dá)不到要求，這時(shí)可加入微分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)，先置微分常數(shù)Td為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大Td，同時(shí)相應(yīng)地改變Kp和Ti，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和參數(shù)。應(yīng)該指出，在整定中參數(shù)的選定不是惟一的。事實(shí)上，比例、積分和微分三部分作用是相互影響的。從應(yīng)用角度來看，只要被控制過程的主要性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么比例、積分和微分參數(shù)也就確定了。表2-3給出了一些常見的調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇范圍。表2-3 常見

16、被調(diào)量PID參數(shù)經(jīng)驗(yàn)選擇范圍被調(diào)量特 點(diǎn)參 數(shù)KpTi/ minTd/ min流量時(shí)間常數(shù)小，并有噪聲，故Kp比較小，Ti較小，不用微分12.50.11 溫度對(duì)象有較大滯后，常用微分1.653100.53壓力對(duì)象的滯后不大，不用微分1.43.50.43 液位允許有靜差時(shí)，不用積分和微分1.255  （3）總結(jié)PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(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)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。二是工程整定方法，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?，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(duì)輸入的階躍響應(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參數(shù)的設(shè)定：是靠經(jīng)驗(yàn)及工藝的熟悉，參考測量值跟蹤與設(shè)定值曲線，從而調(diào)整PID的大小。PID控制器參數(shù)的工程整定,各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中P.I.D參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以下可參