PID参数整定调节方法.docx

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PID参数整定调节方法

PID参数如何设定调节

内容:

PID参数如何设定调节

PID就是比例微积分调节,具体你可以参照自动控制课程里有详细介绍！

正作用与反作用在温控里就是当正作用时是加热,反作用是制冷控制。

  PID控制简介

　　目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。

同时,控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。

智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。

自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。

一个控控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。

控制器的输出经过输出接口﹑执行机构﹐加到被控系统上﹔控制系统的被控量﹐经过传感器﹐变送器﹐通过输入接口送到控制器。

不同的控制系统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。

比如压力控制系统要采用压力传感器。

电加热控制系统的传感器是温度传感器。

目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用,有各种各样的PID控制器产品,各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器（intelligent regulator）,其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。

有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC）,还有可实现PID控制的PC系统等等。

 可编程控制器（PLC）是利用其闭环控制模块来实现PID控制,而可编程控制器（PLC）可以直接与ControlNet相连,如Rockwell的PLC-5等。

还有可以实现PID    控制功能的控制器,如Rockwell 的Logix产品系列,它可以直接与ControlNet相连,利用网络来实现其远程控制功能。

  1、开环控制系统

　　开环控制系统（open-loop control system）是指被控对象的输出（被控制量）对控制器（controller）的输出没有影响。

在这种控制系统中,不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。

2、闭环控制系统

　　闭环控制系统（closed-loop control system）的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。

闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈（ Negative Feedback）,若极性相同,则称为正反馈,一般闭环控制系统均采用负反馈,又称负反馈控制系统。

闭环控制系统的例子很多。

比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统,眼睛便是传感器,充当反馈,人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。

如果没有眼睛,就没有了反馈回路,也就成了一个开环控制系统。

另例,当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净,并在洗净之后能自动切断电源,它就是一个闭环控制系统。

3、阶跃响应 

　　阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时,系统的输出。

稳态误差是指系统的响应进入稳态后﹐系统的期望输出与实际输出之差。

控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。

稳是指系统的稳定性（stability）,一个系统要能正常工作,首先必须是稳定的,从阶跃响应上看应该是收敛的﹔准是指控制系统的准确性、控制精度,通常用稳态误差来（Steady-state error）    描述,它表示系统输出稳态值与期望值之差﹔快是指控制系统响应的快速性,通常用上升时间来定量描述。

4、PID控制的原理和特点 

　　在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。

PID控制,实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

　　比例（P）控制 

　　比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

　　积分（I）控制 

　　在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。

为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。

这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。

因此,比例+积分（PI）控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

　　微分（D）控制 

　　在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会    出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。

这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

5、PID控制器的参数整定 

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。

它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类：

一是理论计算整定法。

它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。

这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改。

二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。

PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。

三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

现在一般采用的是临界比例法。

利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：

（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作﹔

（2）仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期﹔（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

PID参数的设定：

是靠经验及工艺的熟悉,参考测量值跟踪与设定值曲线,从而调整P\I\D的大小。

PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照：

　　温度T:

 P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s

　　压力P:

 P=30~70%,T=24~180s,

　　液位L:

 P=20~80%,T=60~300s,

　　流量L:

 P=40~100%,T=6~60s。

　　书上的常用口诀：

　　参数整定找最佳,从小到大顺序查

　　先是比例后积分,最后再把微分加

　　曲线振荡很频繁,比例度盘要放大

　　曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳

　　曲线偏离回复慢,积分时间往下降

　　曲线波动周期长,积分时间再加长

　　曲线振荡频率快,先把微分降下来

　　动差大来波动慢。

微分时间应加长

　　理想曲线两个波,前高后低4比1

　　一看二调多分析,调节质量不会低

    这里介绍一种经验法。

这种方法实质上是一种试凑法,它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法,并在现场中得到了广泛的应用。

    这种方法的基本程序是先根据运行经验,确定一组调节器参数,并将系统投入闭环运行,然后人为地加入阶跃扰动（如改变调节器的给定值）,观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。

若认为控制质量不满意,则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。

这样反复试验,直到满意为止。

    经验法简单可靠,但需要有一定现场运行经验,整定时易带有主观片面性。

当采用PID调节器时,有多个整定参数,反复试凑的次数增多,不易得到最佳整定参数。

    下面以PID调节器为例,具体说明经验法的整定步骤：

    ⑴让调节器参数积分系数S0=0,实际微分系数k=0,控制系统投入闭环运行,由小到大改变比例系数S1,让扰动信号作阶跃变化,观察控制过程,直到获得满意的控制过程为止。

    ⑵取比例系数S1为当前的值乘以0.83,由小到大增加积分系数S0,同样让扰动信号作阶跃变化,直至求得满意的控制过程。

   （3）积分系数S0保持不变,改变比例系数S1,观察控制过程有无改善,如有改善则继续调整,直到满意为止。

否则,将原比例系数S1增大一些,再调整积分系数S0,力求改善控制过程。

如此反复试凑,直到找到满意的比例系数S1和积分系数S0为止。

    ⑷引入适当的实际微分系数k和实际微分时间TD,此时可适当增大比例系数S1和积分系数S0。

和前述步骤相同,微分时间的整定也需反复调整,直到控制过程满意为止。

    注意：

仿真系统所采用的PID调节器与传统的工业 PID调节器有所不同,各个参数之间相互隔离,互不影响,因而用其观察调节规律十分方便。

    PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。

大惯量如：

大烘房的温度控制,一般P可在10以上,I=3-10,D=1左右。

小惯量如：

一个小电机带

    一水泵进行压力闭环控制,一般只用PI控制。

P=1-10,I=0.1-1,D=0,这些要在现场调试时进行修正的。

   我提供一种增量式PID供大家参考

   △U（k）=Ae（k）-Be（k-1）+Ce（k-2）

   A=Kp（1+T/Ti+Td/T）

   B=Kp（1+2Td/T）

   C=KpTd/T

   T采样周期 Td微分时间 Ti积分时间

   用上面的算法可以构造自己的PID算法。

U（K）=U（K-1）+△U（K）

PID调节器的适用范围

PID调节控制是一个传统控制方法，它适用于温度、压力、流量、液位等几乎所有现场，不同的现场，仅仅是PID参数应设置不同，只要参数设置得当均可以达到很好的效果。

均可以达到0.1%，甚至更高的控制要求。

2. PID参数的意义和作用指标分析

P、I、D：

   y=yP+yi+ yd

2.1. P参数设置

名称：

比例带参数，单位为（%）。

比例作用定义：

比例作用控制输出的大小与误差的大小成正比，当误差占量程的百分比达到P值时，比例作用的输出=100%，这P就定义为比例带参数。

即

yp=               ×100% =           ×100% = Kp · Err 

（1） 

（其中：

yP=KP·Δ、Δ=SP-PV，取0-100%）

KP=1/（FS·P）

也可以理解成，当误差达到量程乘以P（%）时，比例作用的输出达100%。

 例：

对于量程为0-1300℃的温控系统，当P设置为10%时，FS乘以P等于130℃，说明当误差达到130℃时，比例作用的输出等于100%，误差每变化1℃，比例作用输出变化0.79%，若需加大比例作用的调节能力，则需把P参数设置小些，或把量程设置小些。

具体多少可依据上述方法进行定量计算。

P=输出全开值/FS·100%

 P参数越小比例作用越强，动态响应越快，消除误差的能力越强。

但实际系统是有惯性的，控制输出变化后，实际PV值变化还需等待一段时间才会缓慢变化。

由于实际系统是有惯性的，比例作用不宜太强，比例作用太强会引起系统振荡不稳定。

P参数的大小应在以上定量计算的基础上根据系统响应情况，现场调试决定，通常将P参数由大向小调，以能达到最快响应又无超调（或无大的超调）为最佳参数。

2.2. I参数设置

名称：

积分时间，单位为秒。

积分作用定义：

对某一恒定的误差进行积分，令其积分“I”秒后，其积分输出应与比例作用等同，这I就定义为积分时间。

即：

Ki∫I O Errdt = Ki · I · Err = Kp · Err        （2 ）

Ki = Kp /I                  （3 ）

 yi = Ki ∫t o Err （t）dt                 （4 ）

 为什么要引进积分作用呢？

 前面已经分析过，比例作用的输出与误差的大小成正比，误差越大，输出越大，误差越小，输出越小，误差为零，输出为零。

由于没有误差时输出为零，因此比例调节不可能完全消除误差，不可能使被控的PV值达到给定值。

必须存在一个稳定的误差，以维持一个稳定的输出，才能使系统的PV值保持稳定。

这就是通常所说的比例作用是有差调节，是有静差的，加强比例作用只能减少静差，不能消除静差（静差：

即静态误差，也称稳态误差）。

为了消除静差必须引入积分作用，积分作用可以消除静差，以使被控的PV值最后与给定值一致。

引进积分作用的目的也就是为了消除静差，使PV值达到给定值，并保持一致。

 积分作用消除静差的原理是，只要有误差存在，就对误差进行积分，使输出继续增大或减小，一直到误差为零，积分停止，输出不再变化，系统的PV值保持稳定，PV值等于SP值，达到无差调节的效果。

 但由于实际系统是有惯性的，输出变化后，PV值不会马上变化，须等待一段时间才缓慢变化，因此积分的快慢必须与实际系统的惯性相匹配，惯性大、积分作用就应该弱，积分时间I就应该大些，反之而然。

如果积分作用太强，积分输出变化过快，就会引起积分过头的现象，产生积分超调和振荡。

通常I参数也是由大往小调，即积分作用由小往大调，观察系统响应以能达到快速消除误差，达到给定值，又不引起振荡为准。

3. D参数设置

名称：

微分时间，单位为秒

定义：

D是指微分作用的持续时间，是指从微分作用产生时刻起到微分作用衰减到零（接近零）所花的时间。

如下图所示。

 为什么要引进微分作用呢？

 前面已经分析过，不论比例调节作用，还是积分调节作用都是建立在产生误差后才进行调节以消除误差，都是事后调节，因此这种调节对稳态来说是无差的，对动态来说肯定是有差的，因为对于负载变化或给定值变化所产生的扰动，必须等待产生误差以后，然后再来慢慢调节予以消除。

 但一般的控制系统，不仅对稳定控制有要求，而且对动态指标也有要求，通常都要求负载变化或给定调整等引起扰动后，恢复到稳态的速度要快，因此光有比例和积分调节作用还不能完全满足要求，必须引入微分作用。

比例作用和积分作用是事后调节（即发生误差后才进行调节），而微分作用则是事前预防控制，即一发现PV有变大或变小的趋势，马上就输出一个阻止其变化的控制信号，以防止出现过冲或超调等。

 D越大，微分作用越强，D越小，微分作用越弱。

系统调试时通常把D从小往大调，具体参数由试验决定。

 如：

由于给定值调整或负载扰动引起PV变化，比例作用和微分作用一定等到PV值变化后才进行调节，并且误差小时，产生的比例和积分调节作用也小，纠正误差的能力也小，误差大时，产生的比例和积分作用才增大。

因为是事后调节动态指标不会很理想。

而微分作用可以在产生误差之前一发现有产生误差的趋势就开始调节，是提前控制，所以及时性更好，可以最大限度地减少动态误差，使整体效果更好。

但微分作用只能作为比例和积分控制的一种补充，不能起主导作用，微分作用不能太强，太强也会引起系统不稳定，产生振荡，微分作用只能在P和I调好后再由小往大调，一点一点试着加上去。

4. PID综合调试

比例作用，积分作用和微分作用的关系是：

比例作用是主要调节作用，起主导作用。

积分作用是辅助调节作用；微分作用是补偿作用。

在实际调试时可按以下步骤进行。

1） 关掉积分作用和微分作用，先调P。

即令I>3600秒，D = 0秒，将P由大往小调以达到能快速响应，又不产生振荡为好。

并需结合量程进行定量估算。

2） P调好后再调I，I由大往小调，以能快速响应，消除静差，又不产生超调为好，或有少量超调也可以。

I应考虑与系统惯性时间常数相匹配。

一般I值和惯性时间差不多。

3） P、I调好后，再调D。

一般的系统D =0，1或2。

只有部分滞后较大的系统，D值才可能调大些。

4） PID参数修改后，可以少量修改给定值，观察系统的跟踪响应，以判断PID参数是否合适。

5） P值太小，I值太小或D值太大均会引起系统超调振荡。

6） 对于个别系统，如加温快降温慢，或升压快降压慢，或液位升得快降得慢等不平衡系统是很难控制的，更难兼顾动态指标，只能将P调大些，I值也调大些，牺牲动态指标来保证稳态指标。

这是由系统的不可控制特性所决定的，而与PID调节器的性能无关。