§4.3控制器參數(shù)整定對數(shù)頻率特性法

根軌跡法理論計算整定方法經(jīng)驗法

衰減曲線法

臨界比例度法響應曲線法工程整定法需要知道數(shù)學模型不需要事先知道過程的數(shù)學模型，可直接在系統(tǒng)中進行現(xiàn)場整定，比較簡單（廣泛使用）自整定法：對運行中的系統(tǒng)進行整定確定調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時間TI和微分時間TD。其實質(zhì)是通過改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以改變系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)指標，使系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿意的質(zhì)量指標要求，爭取最佳控制效果。方法有：概念：1、經(jīng)驗整定法實質(zhì)上是經(jīng)驗試湊法，是工程人員在長期生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的被控變量規(guī)律的選擇(%)（min）（min）流量要短；不用微分40～1000.3～1溫度要長；一般需加微分20～603～100.5～3壓力對象的容量滯后不算大一般不加微分30～700.4～3液位可在一定范圍內(nèi)選取一般不用微分20～80表4-3控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)不需計算和實驗，而是根據(jù)經(jīng)驗，先確定一組控制器參數(shù)（如表4-3中所示），并將系統(tǒng)投運，然后人為加入干擾（改變設定值）觀察過渡過程曲線，根據(jù)各種控制作用對過渡過程的不同影響來改變相應的控制參數(shù)值，進行反復湊試，直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止。先根據(jù)表4-3選取Ti和Td，通常取Td=(1/3～1/4)Ti

，然后對進行反復湊試直至得到滿意的結(jié)果。如果開始時和設置得不合適，則有可能得不到要求的理想曲線。這時應適當調(diào)整和再重新湊試，使曲線最終符合控制要求。先令PID成為純P調(diào)節(jié)器（即令Ti=，Td＝0）按經(jīng)驗數(shù)據(jù)設置整定控制系統(tǒng)，使之達到4：1衰減振蕩的過渡過程曲線；經(jīng)驗整定方法一：然后加I作用(在加I之前，應將加大為原來的1.2倍）Ti按2o，或(0.51)Tp計算，將Ti由大到小調(diào)整，直到系統(tǒng)得到4：1衰減振蕩的曲線為止。若需引入D作用，Td按0.5o，或(0.250.5)Ti計算，這時可將調(diào)到原來的數(shù)值（或更小一些），再將Td由小到大調(diào)整，直到過渡過程曲線達到滿意為止。經(jīng)驗整定法二：經(jīng)驗整定法適用于各種控制系統(tǒng)，特別適用對象干擾頻繁、過渡過程曲線不規(guī)則的控制系統(tǒng)。但是，使用此法主要靠經(jīng)驗，對于缺乏經(jīng)驗的操作人員來說，整定所花費的時間較多2、臨界比例度法--閉環(huán)整定方法將PID置純P作用（即TI=∞，TD=0）置為較大數(shù)值,系統(tǒng)投閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定后，施加一階躍輸入；減小，直到出現(xiàn)等幅振蕩為止

記錄臨界比例帶K和等幅振蕩周期TK。采用下表的經(jīng)驗公式計算控制器各參數(shù)③按先P，后I，最后D的操作程序，將控制器整定參數(shù)調(diào)到計算值上；觀察其運行曲線，作進一步調(diào)整。臨界比例度法：受到一定的限制。如有些系統(tǒng)不允許進行反復振蕩試驗；如時間常數(shù)較大的單容過程，采用比例控制時根本不可能出現(xiàn)等幅振蕩。過程特性不同，整定得到的控制器參數(shù)不一定能獲得滿意結(jié)果。如無自衡特性過程，整定參數(shù)往往會使系統(tǒng)響應的衰減率偏大（即ψ>0.75）；有自衡特性的高階等容過程，整定參數(shù)使系統(tǒng)衰減率偏?。处?lt;0.75）。3、衰減曲線法--閉環(huán)整定方法

將PID置純P作用（即TI=∞，TD=0）置為較大數(shù)值,系統(tǒng)投閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定后，施加一個階躍輸入；↓直到出現(xiàn)衰減振蕩為止記錄比例帶s，及衰減振蕩周期或上升時間。根據(jù)s,TS

,tp，采用下表中的經(jīng)驗公式，計算控制器各參數(shù)。步驟如下：按先P，后I，最后D的操作程序，將控制器整定參數(shù)調(diào)到計算值上；觀察其運行曲線，作進一步調(diào)整。注意：準確地確定系統(tǒng)4:l（或l0:1）的衰減程度比較困難（±2/5%）不適用于一些擾動比較頻繁、過程變化比較快的系統(tǒng)4、反應曲線法--開環(huán)整定方法利用系統(tǒng)開環(huán)廣義對象的階躍響應曲線進行控制器參數(shù)整定。齊格勒（Ziegler）-尼科爾斯（Nichols）在1942年提出的步驟如下：系統(tǒng)置于開環(huán)狀態(tài)。在調(diào)節(jié)閥Gv(s)的輸入端施加一個階躍信號，記錄下測量變送環(huán)節(jié)Gm(s)的輸出響應曲線y(t)。根據(jù)階躍響應曲線，得到廣義對象的傳遞函數(shù)。根據(jù)近似經(jīng)驗公式計算控制器參數(shù)。無自平衡廣義過程自平衡廣義過程廣義對象的傳函：§4.3控制器參數(shù)整定——反應曲線法齊格勒（Ziegler）-尼科爾斯（Nichols）整定公式先按表算出P控制器的PD控制器的參數(shù)無自衡過程自衡過程§4.3控制器參數(shù)整定——反應曲線法柯恩（Cheen）-庫思（Coon）整定公式P控制器：PI控制器：PID控制器：§4.3控制器參數(shù)整定——三種常用工程整定方法的比較臨界比例度法、衰減曲線法、反應曲線法都屬于工程整定方法，共同點是通過試驗獲取某些特征參數(shù)，然后再按照工程經(jīng)驗公式計算控制器的整定參數(shù)；不同點：臨界比例度法和衰減曲線法都是閉環(huán)整定方法，依賴系統(tǒng)在某種運行狀況下的特征參數(shù)都控制器參數(shù)進行整定，不需要掌握被控過程的數(shù)學模型；臨界比例度法不適用于生產(chǎn)過程中不能反復振蕩試驗、對比例調(diào)節(jié)是本質(zhì)穩(wěn)定的被控系統(tǒng)；在做衰減比較大的試驗時，衰減曲線法觀測數(shù)據(jù)很難準確確定，不適用于過程變化快的系統(tǒng)；§4.3控制器參數(shù)整定——三種常用工程整定方法的比較反應曲線法是開環(huán)整定方法，即通過系統(tǒng)開環(huán)試驗得到被控過程的特征參數(shù)后，再對控制器參數(shù)進行整定。因此，這種方法適用性較廣，并為控制器參數(shù)的最佳整定提供了可能。與其他兩種方法相比，反應曲線法所受試驗條件的限制比較少，通用性強；衰減曲線法和臨界比例度法的抗干擾能力不如反應曲線法，因為閉環(huán)試驗對干擾有較好的抑制作用，而開環(huán)試驗對外界干擾的抑制能力較差。無論采用哪種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在系統(tǒng)的實際運行中進行最后的調(diào)整與完善。§4.3控制器參數(shù)整定——舉例已知被控過程是一個二階環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：檢測變送環(huán)節(jié)的特性為：調(diào)節(jié)閥特性為：因此廣義被控過程的傳遞函數(shù)為：§4.3控制器參數(shù)整定——舉例由階躍響應曲線法確定帶純滯后的一階環(huán)節(jié)：§4.3控制器參數(shù)整定——舉例反應曲線法整定控制器參數(shù)采用Z-N公式：P控制器：=0.125，Kc=8PI控制器：Kc=7.3，TI=8.25PID控制器：Kc=9.4，TI=5，TD=1.25采用柯恩-庫恩公式：P控制器：Kc=8.3PI控制器：Kc=7.3，TI=6.6PID控制器：Kc=10.9，TI=5.85，TD=0.89§4.3控制器參數(shù)整定——舉例臨界比例度法整定控制器參數(shù)K=0.08，TK=15.12P控制器：Kc=6.25PI控制器：Kc=5.7，12.85PID控制器：Kc=7.35，TI=7.56，TD=1.89§4.3控制器參數(shù)整定——舉例純比例控制下，不同整定方法的響應曲線：§4.3控制器參數(shù)整定——舉例比例積分控制下，不同整定方法的響應曲線：§4.3

控制器參數(shù)整定——舉例比例積分微分控制下，不同整定方法的響應曲線：調(diào)節(jié)器參數(shù)整定中的反應曲線法和理論計算法，都是以如圖所示的廣義被控對象Go(s)和等效控制器Gc(s)組成的簡單控制系統(tǒng)為基礎的。Gc(s)Go(s)r(t)y(t)－由Gc(s)和Go(s)組成的簡單控制系統(tǒng)§4.3控制器參數(shù)整定——廣義被控對象和等效調(diào)節(jié)器問題Gc(s)Gp(s)r(t)y(t)－Gv(s)Gm(s)Go(s)=Gp(s)Gm(s) Gc(s)=Gc(s)Gv(s)Go(s)=Gv(s)Gp(s)Gm(s) Gc(s)=Gc(s)Go(s)=Gp(s) Gc(s)=Gc(s)Gv(s)Gm(s)因此，整定計算所得的為等效調(diào)節(jié)器的等效比例帶，必須經(jīng)過換算后才得到調(diào)節(jié)器的比例帶?！?.3控制器參數(shù)整定——廣義被控對象和等效調(diào)節(jié)器問題即使如此，整定計算得到的是調(diào)節(jié)器各參數(shù)的實際值。對于工業(yè)PID調(diào)節(jié)器，由于和Ti、Td各參數(shù)之間相互干擾，必須考慮調(diào)節(jié)器各參數(shù)實際值與刻度值之間的轉(zhuǎn)換關系。帶*的量為調(diào)節(jié)器參數(shù)的實際值，不帶*的為參數(shù)的刻度值。F稱為相互干擾系數(shù)。調(diào)節(jié)器處于P、PI和PD工作狀態(tài)時，F(xiàn)=1，調(diào)節(jié)器的實際值和刻度值相等。但當處于PID工作方式時，F(xiàn)>1，必須由它的實際值計算調(diào)節(jié)器參數(shù)的刻度值?！?.3控制器參數(shù)整定——廣義被控對象和等效調(diào)節(jié)器問題例：某溫度控制系統(tǒng)采用PI控制器。在調(diào)節(jié)閥擾動量u=20%時，測得溫度控制通道階躍響