PID参数整定方法(20100122)

PID参数整定方法2020/4/42PID调节广泛应用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。至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。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。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。2020/4/43PID控制技术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。2020/4/44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。2020/4/45PID三作用调节器PID：ProportionalIntegralDerivativePID控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。偏差e(t)=测量值（PV）-设定值（SV）可调参数：比例度δ（P）、积分时间Ti（I）、微分时间Td（D）tedtdTdeTteKtudtip01tedtdTdeTteKtudtip01tedtdTdeTteKtudtip01tedtdTdeTteKtudtip01tedtdTdeTteKtudtip012020/4/46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（Steadystateerror）比例度减小稳态误差减少2020/4/47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。积分时间减小2020/4/48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。2020/4/49比例积分+微分控制2020/4/410PID各作用比较2020/4/411PID参数对控制性能的影响控制器增益Kc或比例度δ增益Kc的增大（或比例度δ下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降；积分时间Ti积分作用的增强（即Ti积分时问下降），使系统消除余差的能力加强，但控制系统的稳定性下降；微分时间Td微分作用增强（即Td微分时间增大），可使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用，主要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。2020/4/412工业PID控制器的选择被控参数控制器备注温度/成分PID*1流量/压力PI液位/料位P*1、当工业对象具有较大的滞后时，可引入微分作用；但如果测量噪声较大，则应先对测量信号进行一阶或平均滤波。2020/4/413常规PID参数设置指南P参数设置：1、如果不能肯定比例调节系数P应为多少,请先把P参数设置大些(如100~30%),以避免投运时出现超调和振荡。2、运行后视系统响应情况再逐步调整大小,充分发挥比例作用的效果,提高系统响应的快速性,以既能快速响应,又不出现超调或振荡为最佳.注：首先整定好P参数,在整定Ti和Td对它再微调,以求系统的稳定快速响应。2020/4/414常规PID参数设置指南I参数设置：1、如果不能肯定TI积分时间为多少,请先把Ti参数设置大些(如1800,Ti最大时为积分作用切除)。2、系统投运后应先把比例调节系数P参数整定好。3、然后再把Ti积分时间减小,增强积分作用。4、观察系统的响应,以系统能快速消除静差进入稳态，而不出现超调振荡满足工艺要求为最佳。2020/4/415常规PID参数设置指南D参数设置：如果不能肯定微分时间Td应为多少,请先把微分时间Td设置为0,都切除微分作用.系统投运后先调好P参数和I参数后,再逐步增加微分时间Td,以加入微分作用,来改善系统动态特性,超前作用增强.以系系超调量小不出现振荡为佳(多数系统可不加微分作用)。2020/4/416常用的PID整定口诀参数整定找最佳，从小到大顺序；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。2020/4/417目前状况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(intelligentregulator)，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。2020/4/418开环控制系统开环控制系统(open-loopcontrolsystem)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。2020/4/419闭环控制系统闭环控制系统(closed-loopcontrolsystem)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(NegativeFeedback)，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。2020/4/420PID控制器参数整定的方法（两大类）理论计算整定法：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。工程整定方法：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。2020/4/421PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，和对控制质量的要求有关；应根据测量值跟踪设定值曲线的变化状况，来逐步调整P/I/D参数的大小。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。PID参数与控制对象和控制方案有关。2020/4/422PID参数整定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。2020/4/423各种调节系统中P、I、D参数经验数据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。2020/4/424经验法流量系统:典型的快过程,宜用PI,且比例度要大,积分时间可小。液位系统:对只需实现平均液位控制的地方,宜用纯比例,比例度要大。压力系统:过程有快的,接近流量,也有慢的,接近温度。2020/4/425经验法温度系统:对间接加热的温度系统,因为测量变送滞后和热传滞后,所以很缓慢.比例度设置范围约20～60%,但还与温度变送器量程范围和调节伐的尺寸有关,一般积分时间较大,微分时间约是积分时间的四分之一。2020/4/426临界比例度法1、先切除PID控制器中的积分与微分作用，取比例增益KC较小值，并投入闭环运行。2、将KC由小到大变化，对应于某一KC值作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡。3、设等幅振荡时振荡周期为Tcr、控制器增益Kcr，再根据控制器类型选择以下PID参数。控制规律KcTiTdP0.5KcrPI0.45Kcr0.83TcrPID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr2020/4/427临界比例度法PID控制器参数的整定在闭环的情况下步骤如下：(1)首先将微分和积分作用全部除去。(2)仅加入比例作用，比例增益Kc由小到大的变化,对应于某一Kc值作小幅度的设定值阶跃扰动.以获得临界情况下的等幅振荡。比时,可获得临界振荡周期Pc和临界比例增益Kcmax。(3)通过公式计算得到PID控制器的参数。2020/4/428其它方法衰减振荡法（4：1或10：1）响应曲线法2020/4/429调节回路投自动前准备工作注意点1、PID正/反作用确认,保证调节动作正确。2、记住正常操作状态下,手动时的输出MV值及其变化范围。3、设定好自动输出MV值的上下限幅值设定,能限制自动时MV波动范围,能避免测量值的过度波动。4、调节回路测量值变化率和滤波时间的设定。5、输出MV值变化率的设定。6、串级控制先付环后主环投运，主环MV输出的限幅设定,副回路SV设定值的限幅设定应互相匹配。7、在新装置水运、油运期间,争取做好上述的准备工作,初步确定PID参数整定的范围。2020/4/430运行中PID整定参数更换间歇生产过程中,由于控制对象特性改变,应利用程序进行PID整定参数更换。连续生产过程中,因生产负荷,工艺设备和环境条件的变化,为保证回路调节质量PID整定参数也要作更换。谢谢大家！