PID参数对控制质量的影响

PID参数对控制质量的影响当控制方案确定以后，必须根据对象特性和对控制质量的要求，选择控制器的控制作用，从而确定出控制器的类型，最终使得控制系统的控制质量满足工艺要求。为此必须了解控制作用对控制质量的影响。简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下:1.比例作用(P)比例控制作用是最基本的控制规律。它能较快的克服扰动影响，使系统稳定下来，但有余差.它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。比例控制参数对系统性能的影响如下：●对动态性能的影响:比例控制参数Kc加大，使系统的动作灵敏，速度加快；Kc偏大，振荡次数加多，调节时间加长；当Kc太大时，系统就会趋于不稳定；若Kc太小，又会使系统的动作缓慢。●对稳态性能的影响：加大比例控制系数Kc，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差Ess，提高控制精度；但是加大Kc只是减少Ess，却不能完全消除稳态误差。2.积分作用(I)积分控制通常与比例控制或微分控制联合作用，构成PI控制或PID控制。其中PI控制规律是应用最为广泛的一种控制规律。积分能消除余差，适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合，如某些流量、液位要求无余差的控制系统。积分控制规律对系统性能的影响如下：●对动态性能的影响：积分控制参数Ti通常使系统的稳定性能下降。Ti太小系统将不稳定；Ti偏小，振荡次数较多；Ti太大，对系统性能的影响减少；Ti合适时，过渡特性比较理想。●对稳态性能的影响：积分控制参数能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。3．微分作用(D)微分控制可以改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。但是，如果微分时间常数Td太大，这时即使偏差变化速度不是很大，但因微分作用太强而使控制器的输出发生很大变化，严重影响控制质量和安全生产。在纯比例作用基础之上加上微分作用，构成PD控制，可以增加系统的稳定性。微分时间常数越大，微分作用越强。由于微分作用时是按偏差变化速度来工作的，因而对于克服对象得容量滞后有明显的作用。对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。当控制要求较高时，微分控制又可以与比例积分控制联合作用，构成PID控制。PID控制是一种最理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。应该强调的是：调节器PID控制规律是要根据过程特性和工艺要求来选取的，决不是说PID控制规律具有较好的控制性能，可以不分场合的选用，如果这样，会给其他工作增加复杂性，并带来困难（如参数整定）。控制器参数的工程整定调节器参数的整定，是指调节器的比例系数Kc、积分时间常数Ti和微分时间常数Td的确定。整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。PID调节器的设计，可以用理论方法，也可通过实验确定。用理论方法设计调节器的前提是要有被控对象的准确模型。这在工业过程中一般较难做到，即使花了很大代价进行系统的辨识，所得的模型也只是近似的；加上系统的结构和参数都在随时间变化，在近似模型基础上设计的最优控制器在实际过程中就很难说是最优的。因此，在工程上PID调节器的参数常常通过工程整定方法来确定。工程整定方法有现场凑试法、过渡过程响应法、扩充临界比例度法、参数归一法和参数寻优法等。下面介绍几种常用的工程整定方法。1．现场凑试法凑试法也叫经验法，是通过模拟或闭环运行（如果允许的话）观察系统的响应曲线（例如阶跃响应），然后根据各调节参数对系统响应的大致影响反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID调节参数，具体整定步骤如下：⑴置调节器积分时间Ti＝∞，微分时间Td＝0，在比例度δ（δ＝1/Kc）按经验设置初值的条件下，将系统投入运行，整定比力度。若曲线振荡频繁，则加大比例度；若曲线超调量大，且趋于非周期过程，则减小比例度，得到满意的过渡过程曲线。⑵引入积分作用（此时应将比例度加大1.2倍）。将Ti由大到小进行整定。若曲线波动较大，则应增大积分时间常数；若曲线偏离给定值时间，长时间回不来，则需减小Ti，以得到理想的过渡过程曲线。⑶若需引入微分作用时，则将Td按经验或按Td=(1/3～1/4)Ti设置，并由小到大加入。若曲线超调量大而衰减慢，则需增大Td；若曲线振荡厉害，则应减小Td。反复调试，直到得到理想的曲线。2.扩充临界比例度法：这是一种基于系统临界震荡参数的闭环整定方法，实质是模拟调节器中采用的稳定边界法的推广。在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例值，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例值称为临界比例值PK，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期KT，如图3.8所示。求得PK和KT后，根据临界振荡整定计算公式14就可确定PID参数。图3－1实验曲线y(k)0TKT应用临界比例度法应注意，当调节器比例度调到最小值时，若系统仍不能等幅振荡，就把最小的比例度作为临界比例度进行调节器参数整定。临界比例度法不是操作经验的简单总结，而是符合控制理论中的边界稳定条件的，是有理论依据的。3.过渡过程响应法：将被控对象近似为带纯滞后的一阶惯性环节。通过开环实验，测得系统单位响应阶跃曲线，可确定纯滞后时间和时间常数T，近而根据整定公式10确定PID参数。利用响应曲线的调节器参数整定方法对于不确切知道广义过程动态特性的阶数或参数值的情况下特别有用，因为其响应曲线揭示了全部动态环节（被控过程，测量变送器和调节阀等），并能提供广义过程的实验近似模型。4.参数归一法：为了减少参数个数，人为的假定了一些约束条件。这样确定了某一个参数，其他参数就随之而定。应用约束条件以达到减小参数个数目的的方法比较简单，而且有发展前途。它不仅对数字PID调节器参数整定有意义，而且为实现PID自整定系统也带来了很多方便。5.参数寻优法：通过寻优算法，在满足一定的条件下，找到系统的最优PID参数，使得要求的性能指标最优。