PID调节及参数整定

w195654

PID调节及参数整定

摘要：在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。本文介绍了PID调节的概念以及在工程上常用PID参数整定方法及适用场合

关键词：PID；PID调节；参数整定；方法

1 概念

PID是比例，积分，微分的缩写。PID调节又叫PID控制，是比例（Proportional）、积分（Integral）、微分（Differential）进行控制的调节器简称，主要针对控制对象来进行参数调节[1]。PID控制器问世至今，控制理论经历了一个自动控制系统的过渡过程或者控制质量，与被控对象的特性、干扰形式与大小、控制方案的确定及控制器的参数整定有着密切关系。对象特性和干扰情况是受工艺操作和设备特性限制的。在确定控制方案时，只能尽量设计合理，并不能任意改变它。一旦方案确定了，对象各通道的特性就已成定局。这时控制质量只取决于控制参数的整定了。所谓PID参数的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好时的PID参数值，具体来说，就是确定最合适的控制器比例度P、积分时间Ti和微分时间Td[2]。

2  PID调节

2.1 比例(P)控制

在比例控制中，控制器的输出与输入的误差信号成比例关系，是一种简单的控制方式。当控制器仅为比例控制方式时，系统会出现稳态误差。对于控制精度要求不高的场合，可以采用仅采用比例控制的方式就可以了。系统一旦出现偏差，调解器的比例控制作用就会产生一个与偏差成比例的调节信号，该调解信号使偏差减小。比例作用大可以加快调节时间，减少误差，但是过大就会影响系统的稳定性甚至使系统处于不稳定状态。

2.2  积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入的误差信号的积分成正比关系。若系统在比例控制的作用下进入了稳态，但是控制效果始终存在误差，这时采用积分作用可以消除这个进入稳态之后出现误差。因为该积分项对误差进行时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。随着时间的积累，积分项逐渐增大，从而使控制器的输出增大，最终结果是使稳态误差减小，直到零。这样比例+积分的控制方式一般被流量或快速压力系统等得控制所采用。积分调节作用可以消除系统的稳态误差，提高控制精度。若系统存在误差，积分项就不断增大，调节器的输出也不断增大， 直到误差输入为零，积分项为一常值，系统稳态误差得到消除。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用越强，反之则越弱。积分控制可使系统的超调加大，从而使系统的稳定性下降。除此以外，积分作用还会使系统的冬天响应变慢。

2.3 微分（D）作用

在微风控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。弱系统在引入了比例和积分调节规律时，虽然控制系统的稳态效果比较满意，但是动态效果仍然比较差，这时就可引入微分作用。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。其原因是由于存在较大惯性组件或滞后组件，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，在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零，即微分项的引入能做到这一点。比例微分积分控制适用于有较大惯性或滞后的被控对象或多容过程。微分控制反应系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差的变化趋势，所以能产生超前控制作用，在偏差还没有形成之前就被微分调节作用消除。总的来说微分作用可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调节时间，从而改善系统的动态性能[3，6]。

3  PID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。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，主要有临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法法[4]。

PID控制器参数的工程整定，各种调节系统中PID参数经验数据以下可参照：

温度T：P=20%~60%，I=180~600s，D=3~180s

压力P：P=30%~70%，I=24~180s；

液位L：P=20%~80%，I=60~300s；

流量L：P=40%~100%，I=6~60s。

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[5]。

3.1 临界比例度法[2，7]

这是目前使用较多的一种方法。它是先通过试验得到临界比例度PB和临界周期Tk，然后根据经验公式求出控制器各参数值。具体做法如下：

1)被控系统稳定后，把控制器的积分时间放到最大，微分时间放到零(相当于切除了积分和微分作用，只使用比例作用)。

2)通过外界干扰或使控制器设定值作一阶跃变化，观察由此而引起的测量值振荡。

3)从大到小逐步把控制器的比例度减小，看测量值振荡的变化是发散的还是衰减的，如是衰减的则应把比例度继续减小;如是发散的则应把比例度放大。

4)连续重复2)、3)步骤，直至测量值按恒定幅度和周期发生振荡，即持续4~5次等幅振荡为止。此时的比例度示值就是临界比例度PB。

5)从振荡波形图来看，来回振荡1次的时间就是临界周期Tk，即从振荡波的第一个波的顶点到第二个波的顶点的时间。如果有条件用记录仪，就比较好观察了，即可看振荡波幅值，还可看测量值输出曲线的峰———峰距离，把该测量值除以记录纸的走纸速度，就可计算出临界周期Tk;如果是dcs控制，在趋势记录曲线中可直接得出Tk(如图1)。

得到了临界比例度PB和临界周期Tk后，就可根据表1中的经验公式求出控制器的P、Ti、Td参数值了。

临界比例度整定法又称为“闭环振荡法”，它的特点是：不需要求得控制对象的特性，而直接在闭合的控制系统中进行整定，适用于一般的控制系统但对于临界比例度很小的系统不适用，在某些生产过程中不允许振荡的场合，此整定法也不适用。

3.2 衰减曲线法[2，7]

衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值的，有4∶1和10∶1两种衰减曲线法，具体做法如下(以4∶1为例)：

1)在闭合的控制系统中，将控制器变为纯比例作用，比例度放在较大的数值上。

2)系统达到稳定后，通过外界干扰或使控制器设定值作一阶跃变化，观察记录曲线的衰减比。

3)从大到小改变比例度，直至出现4∶1衰减比为止，记下此时的比例度Ps(叫4∶1衰减比例度)并从曲线上得出衰减周期Ts。对有些控制对象，控制过程进行较快，难以从记录曲线上找出衰减比。这时，只要被控量波动2次就能达到稳定状态，可近似认为是4∶1的衰减过程，其波动1次时间为Ts。

得到了衰减比例度Ps和衰减周期Ts后，就可根据表2中的经验公式求出控制器的P、Ti、Td参数值了。

有的过程4∶1衰减比仍嫌振荡过强，可采用10∶1衰减曲线法。方法同4∶1衰减曲线法，得到10∶1衰减曲线后，记下此时的比例度Ps′和最大偏差时间T升(又称上升时间，在10∶1曲线中到达第一个峰值所用的时间)，然后根据表3中的经验公式，求出相应的P、Ti、Td参数值。

衰减曲线法比较简便，适用于一般情况下的各种参数的控制系统。但对于干扰频繁，记录曲线不规则，不断有小摆动时，由于不易得到正确的衰减比例度Ps和衰减周期Ts，使得这种方法难于应用。

3.3 经验凑试法[2，7]

经验凑试法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法。它是根据经验公式先将控制器参数放在一个数值上，直接在闭合的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，观察过渡过程曲线，运用P、Ti、Td对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度P、积分时间Ti和微分时间Td逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。具体做法如下：

1)在闭合的控制系统中，根据经验并参考表4的数据，选出一个合适的P、Ti值作为起始值，将系统投入自动。

2)通过改变设定值对控制系统施加一个干扰，现场观察判断控制曲线形状。若曲线不够理想，可改变P或Ti，再观察控制过程曲线，经反复凑试直到控制系统符合动态过程品质要求为止，这时的P和Ti就是最佳值。

3)如果调节器是PID三作用方式，那么要在整定好的P和Ti的基础上加进微分作用。由于微分作用有抵制偏差变化的能力，所以确定一个Td值后，可把整定好的P和Ti值减小一点再进行现场凑试，直到P、Ti和Td取得最佳值为止。

经验凑试法的特点是方法简单，适用于各种控制系统，因此应用非常广泛。特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。但是此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往费时较多。为了缩短整定时间，可以运用优选法，使每次参数改变的大小和方向都有一定的目的性。值得注意的是，对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，可能得出不同的参数，这是由于对每一条曲线的看法，有时会因人而异，没有一个很明确的判断标准，而且不同的参数匹配有时会使所得过渡过程衰减情况一样。

4 结语

PID控制是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律，它具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点。但在实际在线调试中，需要遵循一定的规律，掌握一定的调试技巧才能又快又好地将控制系统调整到最佳的效果[4]。同时，在一个控制系统投运时，控制器的参数必须整定，才能获得满意的控制质量。在生产进行的过程中，如果工艺条件改变，或负荷有很大变化，被控的对象特性就要改变，因此，控制器的参数必须重新整定[2]。

   

参考文献

[1] 徐竞跃．控制系统PID调节的分析与整定．技术与市场，2008，（12）：13～14

[2] 戴雅馨．浅析PID参数整定方法．纯碱工业，2009，（6）：15～17

[3] 王敏．PID调节及参数整定．科技创新导报，2009：57

[4] 沈承，黄光宏，曹世宏．PID控制系统的参数调节技巧．机械工程与自动化，.2008，（4）：155～158

[5] 宋逢春，孟红莉，张彬．PID参数的设定调节．电工技术，.2009，（10）：49～50

[6] 李桢．PID调节概念及基本原理．科教视野，2007，（29）：46

[7] 王伟，张晶涛，柴天佑．PID参数先进整定方法综述．自动化学报，2000，（3）：347～355