PID參數(shù)整定分析

1、1 1PID參數(shù)整定u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)。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，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，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，最適合用PID控制技術(shù)。 2 2PID參數(shù)整定uPID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

2、差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。u比例（P）控制u比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。3 3PID參數(shù)整定u積分（I）控制u在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(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)對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，

3、積分項(xiàng)也會隨著時間的增加而加大，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。4 4PID參數(shù)整定u微分（D）控制u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。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，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，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。5 5PID參數(shù)整定u這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，

4、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。6 6PID參數(shù)整定u也就是說，偏差存在積分作用就會有輸出，它起著消除余差的作用，積分作用太強(qiáng)也會引起振蕩，太弱會使系統(tǒng)存在余差；微分調(diào)節(jié)作用的動作與偏差的變化速度成正比，其效果是阻止被調(diào)參數(shù)的一切變化，有超前調(diào)節(jié)的作用。對滯后大的對象有很好的效果。但不能克服純滯后，主要適用于溫度調(diào)節(jié)。使用微分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)收斂周

5、期的時間縮短，但微分時間太長也會引起振蕩。 7 7PID參數(shù)整定u常規(guī)的PID參數(shù)的整定方法主要有兩大類,四種方法：1.理論計算整定法 2.臨界比例法3.衰減曲線法4.經(jīng)驗(yàn)試湊法（反應(yīng)曲線法）8 8PID參數(shù)整定uPID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)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類,四種方法：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(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。9 9PID參數(shù)整定u二是工程

6、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。 1010PID參數(shù)自整定的方法uPID參數(shù)自整定的方法及實(shí)現(xiàn)近年來出現(xiàn)的各種DCS系統(tǒng)，一般都具有PID參數(shù)自整定功能。儀表在初次使用時，可通過自整定確定系統(tǒng)的最佳P、I、D調(diào)節(jié)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)理想的調(diào)節(jié)控制。在自整定啟動前，因?yàn)橄到y(tǒng)在不同設(shè)定值下整定的參數(shù)值不完全相

7、同，應(yīng)先將儀表的設(shè)定值設(shè)置在要控制的數(shù)值上。在啟動自整定后，儀表強(qiáng)制系統(tǒng)產(chǎn)生擾動，經(jīng)過23個振蕩周期后結(jié)束自整定狀態(tài)。 1111PID參數(shù)自整定的方法u儀表通過檢測系統(tǒng)從超調(diào)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)（測量值與設(shè)定值一致）的過度特性，分析振蕩的周期、幅度及波形來計算儀表的最佳調(diào)節(jié)參數(shù)。理想的調(diào)節(jié)效果是，設(shè)定值應(yīng)與測量值保持一致，可從動態(tài)（設(shè)定值變化或擾動）和穩(wěn)態(tài)（設(shè)定值固定）兩個方面來評價系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)，通過PID參數(shù)自整定，能夠滿足大多數(shù)的系統(tǒng)。不同的系統(tǒng)由于慣性不同，自整定時間有所不同，從幾分鐘到幾小時不等。 1212PID參數(shù)整定u目前國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的方法是經(jīng)驗(yàn)試湊法，沒有成本，但需要工程師豐富的現(xiàn)場調(diào)

8、試經(jīng)驗(yàn)；而國外應(yīng)用最為廣泛的方法是軟件自動整定法，方便、快捷、可靠。1313PID參數(shù)整定口訣u參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查 u先是比例后積分，最后再把微分加u曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大 u曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳u曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降u曲線波動周期長，積分時間再加長u曲線振蕩頻率快，先把微分降下來u動差大來波動慢，微分時間應(yīng)加長 u理想曲線兩個波，前高后低4比1 u一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低 1414PID參數(shù)整定uPID整定參數(shù)經(jīng)驗(yàn)，對介質(zhì)為流體（液體、氣體）情況，PID整定參數(shù)參考如下：u1、對流量調(diào)節(jié)（F）：一般P=120200%，I=50100S，D=0S；

9、u對防喘振系統(tǒng)：一般P=120200%，I=2040S，D=1540 Su2、對壓力調(diào)節(jié)（P）：一般P=120180%，I=50100S，D=0S；u對放空系統(tǒng)：一般P=80160%，I=2060S，D=1540S； 1515PID參數(shù)整定u對液位調(diào)節(jié)（L）：u大個容器（直徑4米、高2米以上塔罐）：P=80120%，I=200900S，D=0S；u中個容器（直徑2-4米、高1.5-2米塔罐）：一般P=100160%，I=80400S，D=0S；3）u小個容器（直徑2米、高1.5米以下塔罐）：一般P=120300%，I=60200S，D=0S；u對溫度調(diào)節(jié)（T）：一般P=120260%，I=50

10、200S，D=2060S；u投自動需要耐心觀察、不斷修正1616PID參數(shù)整定u用試湊法確定PID控制器參數(shù)u試湊法就是根據(jù)控制器各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響程度,邊觀察系統(tǒng)的運(yùn)行,邊修改參數(shù),直到滿意為止。u一般情況下,減小比例度會加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,有利于減少靜差。但過小的比例度會使系統(tǒng)有較大的超調(diào),并產(chǎn)生振蕩使穩(wěn)定性變差。加大積分時間將減少積分作用,有利于減少超調(diào)使系統(tǒng)穩(wěn)定,但系統(tǒng)消除靜差的速度慢。1717PID參數(shù)整定u增加微分系數(shù)KD有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng),是超調(diào)減少,穩(wěn)定性增加,但對干擾的抑制能力會減弱。在試湊時,一般可根據(jù)以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢,對參數(shù)實(shí)行先比例、后積分、再微分的步

11、驟進(jìn)行整定。u比例部分整定。首先將積分時間最大和微分系數(shù)KD取零,即取消微分和積分作用,采用純比例控制。將比例度由大到小變化,觀察系統(tǒng)的響應(yīng),直至速度快，且有一定范圍的超調(diào)為止。如果系統(tǒng)靜差在規(guī)定范圍之內(nèi),且響應(yīng)曲線已滿足設(shè)計要求,那么只需用純比例調(diào)節(jié)器即可。1818PID參數(shù)整定u積分部分整定。如果比例控制系統(tǒng)的靜差達(dá)不到設(shè)計要求,這時可以加入積分作用。在整定時將積分時間由大逐漸減小,積分作用就逐漸增強(qiáng),觀察輸出會發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)的靜差會逐漸減少直至消除。反復(fù)試驗(yàn)幾次,直到消除靜差的速度滿意為止。注意這時的超調(diào)量會比原來加大,應(yīng)適當(dāng)?shù)募哟笠稽c(diǎn)比例度。 1919PID參數(shù)整定u微分部分整定。若使用比例積分(PI)控制器經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍達(dá)不到設(shè)計要求,或不穩(wěn)定,這時應(yīng)加入微分作用,整定時先將微分系數(shù)KD從零逐漸增加,觀察超調(diào)量和穩(wěn)定性,同時相應(yīng)地微調(diào)比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI,直到滿意為止 2020PID參數(shù)整定u以下為DCS系統(tǒng)PID參數(shù)整定方法：比例度越大，表示比例控制作用越弱。(=1/Kp ）減小比例度，會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能變差，但可相應(yīng)地減小余差，提高靜態(tài)精度。比例度過小，即比例放大系數(shù)過大時，比例控制作用很強(qiáng)，系統(tǒng)有可能產(chǎn)生振蕩；積分時間過小時，積分控制作用很強(qiáng)，易引起振蕩；微分時間過大時，微分控制作用過強(qiáng)，易產(chǎn)生振蕩。212