PID参数的整定方法.docx

1、PID参数的整定方法PID参数的整定方法第一节：PID的含义一 控制论的发展，PID的产生。1. 自动控制，又称自动调节，自十九世纪产生以来，其历史也就短短的一百多年。一百年来，尤其在工程控制领域，自动控制得到了极其普遍的应用，取得了辉煌的效果。毫不夸张地说：如果没有自动控制，我们的社会就不可能发展到现在这个地步。而大学中增加自动控制专业的历史也非常短，是有数学专业转化而来。（本人就是自动控制专业毕业的）2负反馈：在自动控制的研究过程中，提出了一个重要概念：负反馈。咱们搞自动控制的都知道，一个控制系统中，负反馈回路可以使得系统稳定，正反馈使得系统发散。负反馈理论应用非常广泛。不只工业控制使用负

2、反馈，大到国家宏观调控，中到商业管理，小到个人的行为，角角落落，无不出现负反馈的身影。负反馈过量，就是控制过度，会使得系统发生震荡。控制过度其实就是比例带过小。负反馈是不是过量，也跟比例带的设置有关系。3稳定性：负反馈的方法有了，但是怎样界定震荡与不震荡，是否控制过度呢，1932年美国通信工程师H.奈奎斯特发现电子电路中负反馈放大器的稳定性条件，即著名的奈奎斯特稳定判据。从此有了判断设计的控制系统是否稳定的手段。4. 中国人在自动控制领域的贡献工程控制论，作者钱学森。他在闲暇时（因新中国建立，他想回国，美国人就不准其接触核心科学）写出的在工程控制领域具有里程碑式的一本书。二PID是什么？1 调

3、节器：执行机构好比人手脚，本控制量好比人的眼睛和感知器官，而调节器就是人的大脑，它是一个控制系统的核心。基本的调节器具有两个输入量：被调量和设定值。被调量就是反映被调节对象的实际波动的量值。比如水位温度压力等等；设定值顾名思义，是人们设定的值，也就是人们期望被调量需要达到的值。基本的调节器至少有一个模拟量输出。大脑根据情况运算之后要发布命令了，它发布一个精确的命令让执行机构去按照它的要求动作。事实上，为了描述方便，大家习惯上更精简为两个量：输入偏差和输出指令。2 什么是PIDP就是比例，就是输入偏差乘以一个系数； I就是积分，就是对输入偏差进行积分运算； D就是微分，对输入偏差进行微分运算。至

4、于是谁发明的PID控制方法，不得而知，但确实是一个天才。3 日常生活中的PID应用在日常生活中，人们不自觉的会应用到PID控制思想，只是没有上升到理论高度。比方说桌子上放个物体，样子像块金属。你心里会觉得这个物体比较重，就用较大力量去拿，可是这个东西其实是木头做的，外观被加工成了金属的样子。手一下子“拿空了”，用力过猛，这是怎么回事？比例作用太强了。导致你的大脑发出指令，让你的手输出较大的力矩，导致“过调”。还是那个桌子，还放着一块相同样子的东西，这一次你会用较小的力量去拿。可是东西纹丝不动。怎么回事？原来这个东西确确实实是金属做的。刚才你调整小了比例作用，导致比例作用过弱。导致你的大脑发出指

5、令，命令你的手输出较小的力矩，导致“欠调”。还是那个桌子，第三块东西样子跟前两块相同，这一次你一定会小心点了，开始力量比较小，感觉物体比较沉重了，再逐渐增加力量，最终顺利拿起这个东西。为什么顺利了呢？因为这时候你不仅使用了比例作用，还使用了积分作用，根据你使用的力量和物体重量之间的偏差，逐渐增加手的输出力量，直到拿起物品以后，你增加力量的趋势才得以停止。4 PID整定口诀相信大家在学习过程中都见过下面这PID参数的整定口诀：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。曲线漂浮绕大弯， 比例度盘往小扳。曲线偏离回复慢， 积分时间往下降。曲

6、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， 前高后低四比一。一看二调多分析， 调节质量不会低。可是，对于一个初学者来说，如果没有具体的实例，还是不能判断怎么算绕大弯，怎么叫做快怎么叫做慢。咱们看看“曲线波动周期长， 积分时间再加长。”这句话。要单纯理解这句话很不容易。它的本意是说：被调量波动不能稳定且周期较长，说明积分作用过强，需要将积分时间加长。可积分时间是否过长，不是单纯看被调量的波动状况就能判断出来的。尤其是多冲量复杂调节系统，同样被调量的曲线形状，不能唯一断定是某一种因素所致，我们需要把输出曲线放在一起综合衡量。

7、5 PID的工程整定方法：其实这个方法已经被大家所熟知，并由PID优化软件进行实现。浅白一点说，就是先把系统调为纯比例作用，然后增强比例作用让系统震荡，记录下比例作用和震荡周期，然后这个比例作用乘以0.6，积分作用适当延长。公式表达如下：4为比例控制参数为微分控制参数为积分控制参数为系统开始振荡时的比例值；为极坐标下振荡时的频率这个方法只是提供一个大致的思路，具体情况要复杂得多。6 PID的不足PID控制法已经当之无愧的成了经典控制方法。我们在控制理论中都会进行大篇幅的讲述，在我们电厂热力系统的控制中，绝大部分都采用PID控制方法，我们要讲的，也就是这种经典的PID控制。可是对于大迟延的系统，

8、或者是多输入多输出的强耦合系统，PID控制往往就变得无能为力了，不能取得良好的控制效果。三现代控制理论介绍在PID调节诞生后，取得了很好的应用效果。PID调节迅速普及。但是，正如上面所述的，现实总是复杂的。有些系统是PID应付不了的。这就是现代控制理论的形成的原因。下面介绍几种常用的现代控制思想1 神经网络控制 总的来说，神经网络控制是模拟生物感知控制。它将每个信号进行加权运算和小信号切除后，进行层运算，最终多路输出。并行计算、分步信息储存、容错能力强是它突出的优点。2 模糊控制 模糊控制诞生于1965年。创始人是美国人（又是美国！）模糊控制叫做Fuzzy控制，是将精确量模糊化， 根据隶属度进

9、行控制策略的选取，因为模糊控制对精细调节的优势不明显，后来又诞生了模糊+PID控制。3 小波理论第二节 PID的参数整定一几个基本概念1. 单回路：就是指自动调节系统只含有一个PID的调节系统。 2. 串级：一个PID不够用怎么办？把两个PID串接起来，第一个PID的输出作为第二个PID的设定值，形成一个串级调节系统。又叫双回路调节系统。 3. 正作用：对于PID调节器来说，输出随着被调量增高而增高，降低而降低的作用，叫做正作用。比方说一个水池有一个进水口和一个出水口，进水量固定不变，依靠调节出水口的水量调节水池水位。那么水位如果高了，就需要调节出水量增大， 4. 负作用：对于PID调节器来说

10、，输出随着被调量的增高而降低的作用叫做负作用。还是这个水池，我们把出水量固定不变，而依靠调节进水量来调节水池水位。那么如果水池水位增高，就需要关小进水量。5. 动态偏差：在调节过程中，被调量和设定值之间的偏差随时改变，任意时刻两者之间的偏差叫做动态偏差。简称动差。 6. 静态偏差：调解趋于稳定之后，被调量和设定值之间还存在的偏差叫做静态偏差。简称静差。 7. 回调：调节器调节作用显现，使得被调量开始由上升变为下降，或者由下降变为上升。二PID参数调整要观察的曲线现在DCS在电厂控制领域很普及，曲线功能很强大，想收集什么曲线就收集什么曲线，投自动至少要观察以下曲线。1、设定值。作为比较判断依据；

11、2、被调量波动曲线。3、PID输出。就这么简单。如果是串级调节系统，我们还要收集：4、副调的被调量曲线；5、PID输出曲线。三PID控制作用的特性分析为今后曲线分析方便，我们把PID的作用人为分开，单独进行分析1. P比例作用曲线的特征分析所谓的P，就是比例作用，就是把调节器的输入偏差乘以一个系数，作为调节器的输出。一般来说，设定值不会经常改变，那就是说：当设定值不变的时候，调节器的输出只与被调量的波动有关。那么我们可以基本上得出如下一个概念性公式： 输出波动=被调量波动*比例增益 通过概念性公式，我们可以得到如下结论，对于一个单回路调节系统，单纯的比例作用下： 输出的波形与被调量的波形完全相

12、似。一句话简述：被调量变化多少，输出乘以比例系数就变化多少。P - 比例作用下被调量曲线的几点推论： （1） 对于正作用的调节系统，顶点、谷底均发生在同一时刻。 （2） 对于正作用的调节系统，被调量的曲线上升，输出曲线就上升；被调量曲线下降，输出曲线就下降。两者趋势完全一样。 （3） 对于负作用的调节系统，被调量曲线和输出曲线相对。 （4） 波动周期完全一致。（5） 只要被调量变化，输出就变化；被调量不变化，不管静态偏差有多大，输出也不会变化。上面5条推论很重要，请大家牢牢记住。只有熟练掌握这些，才真正能够判断PID的影响。对于一些最简单的有自平衡能力的调节系统，比如水池水位，就可以用一个单纯

13、的比例调节系统完成调节。2. I - 纯积分作用曲线的特征分析I就是积分作用。积分相当于一个斜率发生器。启动这个发生器的前提是调节器的输入偏差不等于零，斜率的大小与两个参数有关：输入偏差的大小、积分时间。在许多调节系统中，规定单纯的积分作用是不存在的。它必须要和比例作用配合在一起使用才有意义。为了分析方便，咱们把积分作用剥离开来，对其作单纯的分析。那么单纯积分作用的特性总结如下：（1）输出的升降与被调量的升降无关，与输入偏差的正负有关。（2）输出的升降与被调量的大小无关。（3）输出的斜率与被调量的大小有关。（4）被调量不管怎么变化，输出始终不会出现阶跃扰动。（5）被调量达到顶点的时候，输出的变

14、化趋势不变，速率开始减缓。（6）输出曲线达到顶点的时候，必然是输入偏差等于零的时候。积分作用下的调节曲线因输出的响应较比例作用不明显，故被调量开始变化的时刻t2，较比例作用缓慢。在t1到t2的时间内，因为被调量不变，即输入偏差不变，所以输出以不变的速率上升，即呈线性上升。调节器的输出缓慢改变，导致被调量逐渐受到影响而改变。 在t2时刻，被调量开始变化时，输入偏差逐渐减小，输出的速率开始降低。 到t3时刻，偏差为0时，输出不变，输出曲线为水平。然后偏差开始为正时，输出才开始降低。 到t4时刻，被调量达到顶点开始回复，但是因偏差仍旧为正，故输出继续降低只是速率开始减缓。 直到t5时刻，偏差为0时，

15、输出才重新升高。一般来说，积分作用容易被初学者重视，重视是对的，因为它可以消除静态偏差。可是重视过头了，就会形成积分干扰。3. D - 纯微分作用曲线的特征分析D就是微分作用。单纯的微分作用是不存在的。同积分作用一样，我们之所以要把微分作用单独隔离开来讲，就是为了理解的方便。微分作用的特点一句话简述：被调量不动，输出不动；被调量一动，输出马上跳。微分作用的特点总结如下：（1）微分作用与被调量的大小无关，与被调量的变化速率有关； （2）与被调量的正负无关，与被调量的变化趋势有关； （3）如果被调量有一个阶跃变化，就相当于输入变化的速度无穷大，那么输出会直接到最小或者最大。所以，实际微分都是对幅度

16、有限制的（Kd）。 （4）微分参数分为两个：微分增益和微分时间。微分增益表示输出波动的幅度，微分时间表示回归的快慢。合理搭配微分增益和微分时间，会起到让你起初意想不到的效果。比例积分微分三个作用各有各的特点。总结如下：比例作用： 输出与输入曲线相似。 积分作用： 只要输入有偏差输出就变化。 微分作用： 输入有抖动输出才变化，且会猛烈变化4. 比例积分作用的特征曲线分析 比例积分作用，就是在被调量波动的时候，纯比例和纯积分作用的叠加。普通的工程师最容易犯的毛病，就是难以区分波动曲线中，哪些因素是比例作用造成的，哪些因素是积分作用造成的。 如图所示，定值有阶跃扰动时，比例作用使输出曲线Tout同时

17、有一个阶跃扰动，同时积分作用使Tout开始继续增大。t2时刻后，被调量响应Tout开始增大。此时比例作用因e减小而使Tout开始降低（如图中点划线Tout()所示）；但是前文说了积分作用与e的趋势无关，与e的正负有关，积分作用因e还在负向，故继续使Tout增大，只是速率有所减缓。比例作用和积分作用的叠加，决定了Tout的实际走向，如图Tout(i)所示。只要比例作用不是无穷大，或是积分作用不为零，从t2时刻开始，总要有一段时间是积分作用强于比例作用，使得Tout继续升高。然后持平（t3时刻），然后降低。 在被调量升到顶峰的t5时刻，同理，比例作用使Tout也达到顶点（负向），而积分作用使得最终

18、Tout的顶点向后延时（t6时刻）。 从上面的分析可以看出：判断t6时刻的先后，或者说t6距离t5的时间，是判断积分作用强弱的标准。 一般来说，积分作用往往被初学者过度重视。因为积分作用造成的超调往往被误读为比例作用的不当。 四PID参数的整定1. 整定比例带（比例增益）整定参数要根据上面提到的孤立分析的原则，先把系统设置为纯比例作用。也就是说积分时间无穷大，微分增益为0。最传统、原始的提法是比例带。比例带是输入偏差和输出数值相除的差。比例带越大，比例作用越弱。它是增益的倒数。就是说比例作用越强，比例增益也就越大。整定比例作用比较笨的办法，逐渐加大比例作用，一直到系统发生等幅震荡，然后在这个基

19、础上适当减小比例作用即可，或者把比例增益乘以0.60.8。不过上述方法是有一点点风险的。有的系统不允许设定值偏差大，要想明显地看出来什么是等幅震荡，就有可能威胁系统安全。并且，在比例作用比较弱的时候，波动曲线往往也是震荡着的，有人甚至会把极弱参数下的波动当成了震荡，结果是系统始终难以稳定。 那么到底怎么判断震荡呢？一般来说，对于一个简单的单回路调节系统，比例作用很强的时候，振荡周期是很有规律的，基本上呈正弦波形状。而极弱参数下的波动也有一定的周期，但是在一个波动周期内，往往参杂了几个小波峰。根据这个我们几乎大致可以判断比例作用了。最终你所整定的系统，其调节效果应该是被调量波动小而平缓。在一个扰

20、动过来之后，被调量的波动应该是 “一大一小两个波”。 2. 整定积分时间 一个初学者往往过分注重积分作用，积分作用过强，容易造成系统震荡，或者损害执行机柜。对于主调来说，主调的目的就是为了消除静态偏差。如果能够消除静态偏差，积分作用就可以尽量的小。在整定比例作用的时候，积分作用先取消。比例作用整定好的时候，就需要逐渐加强积分作用，直到消除静差为止。我们需要注意的是：一般情况下，如果比例参数设置不合理，那么静差也往往难以消除。在没有设置好比例作用的时候，初学者往往以为是积分作用不够强，就一再加强积分作用，结果造成了积分的干扰。那么积分作用设置多少合理？上图中，我们最需要关注的几个点是：t5、t6

21、、t7。在t5，t7之间，t6的时刻反映了积分的强度。t6过于靠近t5，则积分作用过弱；t6过于靠近t7，则积分作用过强。t6所处的位置，应该在t5、t7之间的1/2靠前一点。也就是说，t6的位置等于，（t7t5）之间的1/4到1/2之间。 为什么积分要这么弱？当被调量回调的时候（t5时刻），说明调节器让执行机构发挥了调节作用，此时调节机构的开度足以控制被调量不会偏差更大，为了消除静态偏差，可以保持这个开度，或者让执行机构稍微继续动作一点即可。如果此时被调量回调迅速，则说明执行机构的调节已经过量，那么必须也要让执行机构回调，执行机构的回调是怎样产生的？是比例作用克服了积分作用而产生的，是比例和

22、积分的叠加。而此时Tout()和Tout(i)所调节的方向是不一样的，一个为正，一个为负。从上面的叙述，我们还可以验证前面的一个推理：积分作用和比例作用是相对的。当比例作用强的时候，积分也可以随之增强；比例作用弱的时候，积分也必须随之下调。积分作用只是辅助比例作用进行调节，它仅仅是为了消除静态偏差。3. 整定微分作用 微分作用比较容易判断，那就是PID输出“毛刺”过多。一般来说，微分作用包含两个参数：微分增益和微分时间。实际微分环节在前面已经说过。图4就是实际应用中的微分环节。其实理想的微分环节并不是这样的。当阶跃扰动来临的时候，理想微分环节带来的调节输出是无穷大的。微分为什么具有超前调节作用

23、？ （1）、波动来临时，不管波动的幅度有多大，只要波动的速度够大，调节器就会令输出大幅度调整。也就是说，波动即将来临的时候，波动的征兆就是被调量的曲线开始上升。对于比例和积分作用来说，开始上升不意味着大幅度调节；对于微分作用来说，开始上升就意味着调节进行了，因为“开始”的时候，如果速度上去了，输出就可以有一个大幅度的调整。这是超前调节的作用之一。（2）波动结束后，如果调节器调节合理，一般被调量经过一个静止期后，还会稍微回调一点。在被调量处于静止期间，因为微分时间的作用，不等被调量回调，调节器首先回调。这是微分的超前作用之二。在微分增益增大的时候，一定要考虑到微分时间的调整。否则调节曲线上会有很

24、多毛刺。毛刺直接影响到执行机构的频繁动作，一般来说，它是有害的。好的调节效果，往往在调节曲线上是看不到毛刺的。只可以在输出曲线上看到一个突出的陡升或者陡降。要合理利用微粉增益和微分时间的搭配，会取得很好的调节效果。微分作用是最容易判断的。但是对于一个熟练整定PID参数的人来说，怎样充分发挥微分参数的“超前调节”作用，并且不增加对系统有害的干扰，仍旧是一个需要长久思考的问题。有的系统把微分作用分出调节器以外。比如火电厂主汽温度控制，许多人用“导前微分调节”。所谓的“导前微分”，就是把微分分出调节器，专门对温度前馈量进行微分运算，然后把运算的结果叠加到PID的输出，去控制执行机构。4. 几点建议一

25、个精通参数整定的人，首先要熟悉系统工艺原理，更要观察运行人员对系统的操作。只有我们知道怎样操作是正确的，才能够知道PID发出的指令是否正确的，才能够知道怎样修改PID参数。对于系统工艺操作的理解，对于实际发生的各种干扰问题，运行操作员比我们更熟悉。所以，我们还要虚心向他们请教。系统发生了波动，到底是什么原因造成的？什么因素之干扰的主要因素？怎样操作弥补？了解清楚之后，再加上我们的分析，才能得到最真实的资料。 五自动控制系统的调节指标 1、衰减率：大约为0.75最好。用俗话说“一大一小两个波”最好2、最大偏差：系统稳定后，被调量与设定值的最大偏差。一个整定好的稳定的调节系统，一般第一个波动最大，

26、因为“一大一小两个波”，后面就趋于稳定了。如果不能趋于稳定，系统调节就不成功3、波动范围：实际运行中的调节系统，扰动因素是不断存在的，因而被调量是不断波动着的，所以波动范围基本要达到一个区间。 4、执行机构动作次数。动作次数决定了执行机构的寿命。这里说的执行机构不光包括执行器，还包括调节阀门。执行机构频繁动作不光损坏执行器，还会让阀门线性恶化。5、稳定时间：阶跃扰动后，被调量回到稳态所需要的时间。稳定时间决定了系统抑制干扰的速度。六PID 整定需要注意的几个问题 1、 执行机构动作次数： 执行机构动作次数不能过频，过频则容易损坏执行机构。动作次数与比例积分微分作用都有关系。一般来说，合适的比例

27、带使得系统波动较小，调节器的输出波动也就小，执行器波动也少；如果输入偏差不为零，积分作用就会让输出一直向一个方向积下去。积分过强的话，会让执行器一次只动作一点，但是频繁地一点点向一个方向动作；微分作用会让执行器反复波动。2、 PID死区问题：为了减少执行器动作次数，一般都对PID调节器设置个死区。在偏差的死区内，都认为输入偏差为0。当超过死区后，输入偏差才开始计算。死区可以有效减少执行器的动作次数。但是死区过大的话又带来调节精度降低的问题，对于一般不强调调节精度的调节系统，死死区应用很广泛。提高死区降低精度的同时，也会降低调节系统稳定性。因为它造成了调节滞后。系统迟延。这一点不大容易被人理解。

28、图8：死区过大带来调节滞后，影响系统稳定性。对于串级调节系统，主调的死区可以降低甚至取消。设置副调的死区就可以降低执行机构的动作次数了。 3、 调节裕度：调节系统要有一个合适的调节裕度。如果执行机构经常处于关闭或者开满状态，那么调节裕度就很小，调节质量就受到影响。一般来说，阀门开度在80%以上，流量已经达到最大，所以执行机构经常开度在80%也可以说裕度减小了。 4、 通流量问题：调节阀门的孔径都是经过严格计算的。不过也存在计算失误的时候。通流量过大，执行机构稍微动作一点就可能发生超调；反之执行机构大幅度动作还不能抑制干扰。系统稳定不了。所以，系统如果不能稳定，还应从系统以外找原因。5、 空行程

29、问题在一定的开度内，调节器输出有变化，执行器也动作了，可是阀门流量没变化，这属于空行程问题。一般的机构都存在这个问题。空行程一般都比较小，可以忽略。可是如果过大，就不得不要重视这个问题了。解决空行程的办法有很多，一般都在DCS内完成。当然，如果执行器和阀门能够解决的，要以硬件解决为主。6、 线性问题一般来说阀门开度与流量的关系都成平滑的线性关系。如果阀门使用时间长，或者阀门受到损伤，线性就会改变。线性问题可以有多种解决办法，既有参数整定的，也有控制策略的。当然最根本的解决办法在于对线性恶化的治理。如果是比较贵重的调速泵线性恶化，难以治理更换，那只好从调节系统寻找解决办法了。在火电厂中普遍存在的

30、问题：减温水调节阀的线性恶化。这基本上是个顽疾。因为减温水调节阀动作频繁，经常在完全关闭和打开之间反复波动，相当多的电厂减温水阀门线性都很不好，而且还伴随着空行程偏大。两个问题加起来，给自动调节带来很大的困难。 7、 耦合问题 一个调节系统或者执行机构的调节，对另一个系统产生干扰互相干扰，或者是两个调节系统间互为干扰，产生直接耦合。解耦的办法是先整定主动干扰的调节系统，再整定被动系统。也可以在主动干扰七参数整定的几个认识误区 1、 对微分的认识误区 认为微分就是超前调节，如果被调量或者测量值有滞后，就要加微分。微分是有超前调节的功能，但是微分作用有些地方不能用：测量值存在不间断的微小波动的时候

31、。尤其是水位、气压测量，波动始终存在，我们一直在考虑滤波呢，再加个微分，就会造成调节干扰。不如不要微分。2、 对积分的认识误区有些人发现偏差就要调积分，偏差存在有可能是系统调节缓慢，比例作用也有可能影响，如果积分作用盖过了比例作用，那么这个系统就很难稳定。3、 对耦合系统中，超前调节的认识误区对于耦合系统，不管初学者熟练者都容易考虑一个捷径：增加前馈调节。这个问题甚至搞自动控制的老手都容易犯，毕竟捷径谁都想走。比如众所周知的协调控制，经典控制法中，就有负荷和汽压互为前馈的控制策略设计。这个方法也不为错，但是更普适更好的方法是一种整定参数的思想，参数设置合理的话这个前馈画蛇添足。要积极探讨各种控制办法。 4、 反馈过强 复杂调节系统中，前馈信号和反馈信号过强的话，会造成系统震荡，所以调解过程中不仅仅要注意PID参数，还要注意反馈参数。尤其在汽包水位三冲量调节系统中，蒸汽流量和给水流量的信号都要经过系数处理。有些未经处理的系统，在负荷波动的时候，就要退掉自动，否则会发生震荡的危险。5、 改变设定值以抑制超调 频繁改变设定值是干扰自动调节。尤其减温水调节系统，没有必要依靠改变设定值来