PID回路整定简易说明

PID回路整定简易说明分五个部分对PID进行通俗易懂的分析说明一、中控ECS700-标准PID控制算法二、举例说明PID三参数三、举例说明PID控制器的基本原理四、举例说明PID反馈控制的动作曲线五、PID回路的参数整定方法•△MVn---调节阀开度的增量•PB—比例度大小•Ti—积分时间•Ts—采样周期（1-3s）•En—采样周期间隔的偏差的差值（PVn-SPn）-（PVn-1-SPn-1）•△En—偏差，即：PV-SP•△Un—微分时间，即：Td/Ts（采样周期间隔的PV偏差值）PVn-PVn-1•从公式可以看出：•1、PB比例参数：可以控制阀门所有变量的整体变化速率；•2、PB比例值、Ti积分值越小，调节阀变化率越大，Td微分值越大，微分效果越明显。3、三种系数相关的偏差值，定义是各不相同的。4、如果没有偏差，阀门输出的增量为零。5、微分跟踪的是PV测量值的变化，所以有好超前调节的特性。一、中控ECS700-标准PID控制算法二、举例说明PID三参数PID是比例、积分、微分的简称，PID控制的难点不是编程，而是控制器的参数整定。参数整定的关键是正确地理解各参数的物理意义。PID控制的原理可以用操作人员对热油炉炉温的手动控制来理解。有经验的操作人员手动控制热油炉的炉温，可以获得非常好的控制品质，PID控制与人工控制的控制策略有很多相似的地方。举例：由于热油循环量突然增加，热油炉出口温度就会降低，此时需工艺手动提升炉温•第一步，工艺手动加大给煤量，炉温上升，热油炉出口温度快速上升，（要求在一定时间内快速上升至热油温度目标值，相当于比例控制）此时偏差很大，相当于比例/积分控制为主（比例积分控制可形容为火上浇油，比例是火，积分是油）•第二步，工艺手动减少给煤量，当油温接近目标值时，以降低热油升温速度（减少超调，防止出口热油温度过高，提前操作，相当于微分控制）提前操作相当于微分控制开始起作用•第三步，工艺少量或增或减给煤量，直到热油的波动范围达到工艺指数•此时偏差减小，以积分控制为主第四步，工艺员如果经验足够丰富，在热油循环量刚开始增加、而油温未降时，就可以手动增加给煤量（提前增加给煤量，可以减少出口油温较大的波动，相当于微分控制）此时偏差忽略不计，以微分控制为主第一部分举例说明第二部分P、I、D三参数说明•操作人员怎样用比例控制的思想来手动控制电加热炉的炉温。操作人员用眼睛读取炉温，并与炉温给定值比较，得到温度的偏差值。然后用手操作燃油调节阀，控制燃油量，使炉温保持在给定值附近。•炉温小于给定值时，偏差为正，给煤量增大，以热油的加热量。炉温大于给定值时，偏差为负，减小给煤量。上述控制策略就是比例控制，即PID控制器输出中的比例与出口热油的温度偏差成正比。•此时如果比例太大，调节的力度就会不够，使系统输出量变化缓慢，调节所需的总时间就会过长。如果比例过小，调节力度就会太强，将造成调节过头，甚至使温度忽高忽低，来回震荡。•减小比例使PID回路反应灵敏，调节速度加快，并且可以减小稳态偏差。但是比例过小会使超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。•单纯的比例控制很难保证调节得恰到好处，消除不了静差。1.P-比例作用二、举例说明PID三参数2.I-积分作用•手动调节温度时，积分控制相当于实时的偏差值，周期性地控制阀门的开度，每次调节的增量值与当时的偏差值成正比。温度低于设定值时偏差为正，积分项增大，使给煤量逐渐增大，反之积分作用减小。因此只要偏差不为零，控制器的输出就会因为积分作用而不断变化。积分调节的“大方向”是正确的，积分作用有减小偏差的作用。一直要到系统处于稳定状态，这时偏差恒为零，比例部分和微分部分均为零，积分部分才不再变化，并且刚好等于稳态时需要的控制器的输出值。•对应于上述温度控制中调节阀开度。因此积分部分的作用是消除稳态偏差，提高控制精度，积分作用一般是必须的。••PID控制器输出中的积分部分与偏差的积分成正比。因为积分时间TI在积分项的分母中，TI越小，积分项变化的速度越快，积分作用越强。3．D-微分作用有经验的操作人员在温度上升过快，但是尚未达到设定值时，会根据温度变化的趋势，预感到温度将会超过设定值，出现超调。于是手动减少给煤量。这相当于开车看到红灯时，考虑到汽车减速的时间，需要一定的提前量一样。偏差的微分就是偏差的变化速率，偏差变化越快，其微分绝对值越大。偏差增大时，其微分为正；偏差减小时，其微分为负。控制器输出量的微分部分与偏差的微分成正比，反映了被控量变化的趋势。•经验总结：•如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应增加比例、增大积分时间。•如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数。•如果消除偏差的速度较慢，可以适当减小积分时间，增强积分作用。•反复调节比例系数和积分时间，如果超调量仍然较大，可以加入微分控制，微分时间从0逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数。•总之，PID参数的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程，实际调试过程中的多次尝试是非常重要的，也是必须的。三、举例说明PID控制器的基本原理PID属于无模型控制，调节三个环节的参数P、I、D会产生什么影响根据控制对象的不同也会有很大差别。假设有一个水箱液位控制系统，从空箱补水至某个高度，我们能控制的是比例水龙头的开关大小。简单的数学模型就是：△MV=(PV-SP)/PB只需要一个比例调节也就是说，开始比例水龙头开大点，快灌满的时候关小一点，到了设定高度全关。1、比例作用假设这个水箱有供水用户，用水量是一个定值，那么达到稳态时，就会产生净偏差，如果PB越小，这个净偏差就越小。结论：减小比例PB，有利于减小净偏差。2、积分作用--如何消除这个净偏差假设我们增加一个补水的龙头，来消除这个偏差。这个龙头的开关规则是水位低于设定值就一直往大开，高于设定值就一直关小，如果用户用水量不变，那么第二个龙头的补水速度总会与用水速度相同，偏差就消除了。结论：积分作用可以消除偏差。当仅有一个比例龙头注水时，水不会注多的，因为偏差的存在，液位越接近设定值，水龙头就关的越小。但第二个积分水龙头在达到水位设定值时，开度是最大的，水自然就注多了。就是“超调”了，第二个水龙头越粗，多注的水就越多，达到设定值就越快，当然振荡也最多。结论：积分时间增大，可以减小超调，减少振荡，使系统的稳定性增加，但是系统偏差消除时间变长。看下页左图过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。右图为何相反呢?上面提到积分水龙头接近设定值时，开度最大。而比例水龙头越粗，那么它在超出设定液位时对超调的抑制也最明显。结论：PID参数整定的结论是根据普遍经验总结的，但是针对某个具体的系统不一定完全适用。3、微分作用在上面的水箱系统中，我们假设用户的供水量是一个定值，但实际上供水量是变化的。此时液位随着时间就会一直波动，光用比例和积分无法使回路输出追上输入的变化步骤，此时需要加入微分调节，可使输入的变化率等于输出的变化率。那么才可以追踪并抑制变化的信号。结论：优点：微分环节主要作用是在响应过程中抑制偏差朝任何方向的变化。缺点：微分常数不易过大，否则会使响应过程提前制动、延长调节时间。微分是增大系统阻尼的，系统阻尼大了怎么会降低抗干扰性能？当大的外部干扰导致de变大时，如果微分系数大，则控制器会输出较大的控制力抵消干扰的作用，如果微分系数小，系统只能在偏差变的足够大后才能产生足够大的控制力去抵消外干扰，所以很明显增大微分系数是增大系统抗干扰能力的，削弱的是抗噪声的能力。微分系数很大的情况下，阻尼很大，系统e的变化会被很强的抑制住。相当于微分相把比例项和积分项的控制效果也抑制住了，控制器的调节就会变的很慢。4、后话变化信号的变化率只能是常数，也就是斜坡信号，PID控制器对线性好、输入不超过斜坡的回路是简单实用的，但是当变化率是时间的常数时，PID就无法处理了。因为控制器只有一个一阶微分，对于求导后信号还是变化的，是没有办法的。也就是说PID是一种线性的控制器，对于复杂非线性和复杂信号追踪，就无法控制了。四、举例说明PID反馈控制的动作曲线此处的比例是比例增益，中控的是比例度比例增益值越大，作用越强，比例度刚好相反此处KP越大，相当于中控的比例度P值越小目前PID回路整定基本以经验法为主•在调试中最重要的问题是在PID回路性能不能令人满意时，知道应该调节哪一个参数，该参数应该增大还是减小。•网上的PID整定口诀是前辈们总结给一线的工程师们使用的，大体上正确。•但是随着知识水平的提高，不能满足于背口诀，我这个回答就是为了说明口诀的原理•调PID的时候先调P和I是比较常用的办法，为什么先调P和I？它什么时候是对的？什么时候不对？•就需要理论作为基础•下面将分成两部分进行说明•（一）、PID参数整定-经验法PID整定•（二）、PID参数整定-软件法PID整定五、PID回路的参数整定方法（一）、PID参数整定-经验法PID整定参数整定寻最佳，从大到小顺次查。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。曲线波动周期长，积分时间再加长。理想曲线两个波，调节过程高质量。PID经验整定•“参数整定寻最佳，从大到小顺次查。”中的最佳参数问题，很多仪表工程师都有这样的体会，在现场的调节器工程参数整定中，如果只按4:1衰减比进行整定，那么可以有很多对的比例度和积分时间同样能满足4:1的衰减比，但是这些对的数值并不是任意的组合，而是成对的，一定的比例度必须与一定的积分时间组成一对，才能满足衰减比的条件，改变其中之一，另一个也要随之改变。因为是成对出现的，所以才有调节器参数的“匹配”问题。•“从大到小顺次查”是说在具体操作时，先把比例度、积分时间放至最大位置，把微分时间调至零。因为我们需要的是衰减振荡的过渡过程，并避免出现其它的振荡过程，在整定初期，把比例度放至最大位置，目的是减小调节器的放大倍数。而积分放至最大位置，目的是先把积分作用取消。把微分时间调至零也是把微分作用取消了。“从大到小……”就是从大到小改变比例度或积分时间刻度，实质是慢慢的增加比例作用或积分作用的放大倍数。也就是慢慢的增加比例或积分作用的影响，避免系统出现大的振荡。最后再根据系统实际情况决定是否使用微分作用。•“先是比例后积分，最后再把微分加。”是经验法的整定步骤。比例作用是最基本的调节作用，口诀说的:“先是比例后积分”，目的是简化调节器的参数整定，即先把积分作用取消和弱化，待系统较稳定后再投运积分作用。尤其是新安装的控制系统，对系统特性不了解时，dlr要做的就是先把积分作用取消，待调整好比例度，使控制系统大致稳定以后，再加入积分作用。对于比例控制系统，如果规定4:1的衰减过渡过程，则只有一个比例度能满足这一规定，而其它的任何比例度都不可能使过渡过程的衰减比为4:1。因此，对比例控制系统只要找到能满足4:1衰减比时的比例度就行了。•在调好比例控制的基础上再加入积分作用，但积分会降低过渡过程的衰减比，则系统的稳定程度也会降低。为了保持系统的稳定程度，可增大调节器的比例度，即减小调节器的放大倍数。这就是dlr在整定中投入积分作用后，要把比例度增大约20％的原因。其实质就是个比例度和积分时间数值的匹配问题，PID经验整定•“曲线振荡很频繁，比例度盘要放大”说的是比例度过小时，会产生周期较短的激烈振荡，且振荡衰减很慢，严重时甚至会成为发散振荡，如图2所示。这时就要调大比例度，使曲线平缓下来。•“曲线漂浮绕大弯，比例度盘往小扳”说的是比例度过大时会使过渡时间过长，使被调参数变化缓慢，即记录曲线偏离给定值幅值较大，时间较长，这时曲线波动较大且变化无规则，形状像绕大弯式的变化，如图3所示。dlr这时就要减小比例度，使余差尽量小。•“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”说的是积分作用的整定方法。当积分时间太长时，会使曲线非周