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。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：Ｋｐ＝０．６×ＫｍＫｄ＝Ｋｐ×π／4ωＫｉ＝Ｋｐ×ω／πＫｐ为比例控制参数Ｋｄ为微分控制参数Ｋｉ为积分控制参数Ｋｍ为系统开始振荡时的比例值；ω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，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，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；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，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(δ)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(δi)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