1、PID參數(shù)的工程整定方法,基本控制規(guī)律及其作用效果,實際應(yīng)用的控制規(guī)律,PID參數(shù)的工程整定方法,復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定,第一節(jié)基本控制規(guī)律及其作用效果,位式調(diào)節(jié) 比例調(diào)節(jié) 積分調(diào)節(jié) 微分調(diào)節(jié),在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，常用的基本調(diào)節(jié)規(guī)律大致可分為： 1-1、位式調(diào)節(jié) 也就是常說的開/關(guān)式調(diào)節(jié)，它的動作規(guī)律是當被調(diào)參數(shù)偏離給定值時，調(diào)節(jié)器的輸出不是最大就是最小，從而使執(zhí)行器全開或全關(guān)。在實際應(yīng)用中，常用于機組油箱恒溫控制、水塔以及一些儲罐的液位控制等。,在實施時，只要選用帶上、下限接 點的檢測儀表、位式調(diào)節(jié)器或PLC、再 配一些繼電器、電磁閥、執(zhí)行器、磁力 起動器等即可構(gòu)成位式控制系統(tǒng)。如圖1 所

2、示。,圖1 位式控制系統(tǒng)實例,因此，位式控制的過渡過程必然是一個持續(xù)振蕩的過程。如圖2所示。,圖2 位式控制的過渡過程,1-2、比例調(diào)節(jié),比例調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差的大小”來動 作。它的輸出與輸入偏差的大小成比例，調(diào)節(jié)及時，有力，但是有余差。 用比例度來表示其作用的強弱，其單位用%表示。例如比例度60%，即表示當 偏差為量程的60%時，輸出變化值為 量程的100%。越小，調(diào)節(jié)作用越強， 調(diào)節(jié)作用太強時，會引起振蕩。比例調(diào)節(jié)作用適用于負荷變化小，對象純 滯后不大，時間常數(shù)較大而又,允許有余差的控制系統(tǒng)中，常用于塔和儲罐的液位控制以及一些要求不高的壓力控制中。使用時應(yīng)注意，當負荷變化幅度較大時，為了平衡負

3、荷變化所需的調(diào)節(jié)閥開度變化也將較大，待穩(wěn)定后，被調(diào)參數(shù)的余差就可能較大。比例控制規(guī)律的動態(tài)方程為：,y,（,t,）,=,K,p,e,（,t,）,=,1,e,（,t,）,其中：y（t） 輸出變化量。 e（t） 輸入變化量。 Kp 比例增益。 比例度，它是Kp的倒數(shù)。 1-3、積分調(diào)節(jié) 它依據(jù)“偏差是否存在”來動作。 它的輸出與偏差對時間的積分成比例，只有當余差完全消失，積分作用才停止。其實質(zhì)就是消除余差。但積分作用使最大動偏差增大，延長了調(diào),其中：TI 積分時間。 1-4、微分調(diào)節(jié) 它依據(jù)“偏差變化速度”來動作。 它的輸出與輸入偏差變化的速度成比例，其實質(zhì)和效果是阻止被調(diào)參數(shù)的一切變化，,節(jié)時間

4、。用積分時間Ti表示其作用的強弱，單位用分（或秒）表示。Ti越小，積分作用越強，積分作用太強時，也會引起振蕩。積分控制規(guī)律的動態(tài)方程為：,其中：TD 微分時間。,有超前調(diào)節(jié)的作用。對滯后較大的對象有很好的效果。使調(diào)節(jié)過程動偏差減少，余差也減少（但不能消）。用微分時間Td表示作用的強弱，單位用分（或秒）表示。Td大，作用強，Td太大，會引起振蕩。微分控制規(guī)律的動態(tài)方程為：,第二節(jié) 實際應(yīng)用的控制規(guī)律,P比例作用 PI比例、積分作用 PD比例、微分作用 PID比例、積分、微分作用,由于位式調(diào)節(jié)及易引起振蕩，所以除特定場合外，一般應(yīng)用較少，使用較多的是比例、積分、微分調(diào)節(jié)作用。但實際上單純使用比例、

5、積分、微分作用的場合也較少，最多使用的是三種調(diào)節(jié)規(guī)律的組合。組合后的調(diào)節(jié)規(guī)律由圖3所示，PID三作用調(diào)節(jié)質(zhì)量最好、PI次之，積分最差因此很少單用。其中： PI作用的傳遞函數(shù)為：,注意：KpTd即為微分控制規(guī)律的動態(tài)方程中TD。,注意：Ti即為積分控制規(guī)律的動態(tài)方程中TI。 PD作用的傳遞函數(shù)為：,PID作用的傳遞函數(shù)為：,圖3 各種調(diào)節(jié)規(guī)律比較 1比例微分作用；2比例積分微分作用；3比例作用； 4比例積分作用；5積分作用；,第三節(jié) PID參數(shù)的工程整定方法,臨界比例度法 衰減曲線法 經(jīng)驗試湊法 反應(yīng)曲線法,調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中相當重要的一個問題。在調(diào)節(jié)方案已經(jīng)確定，儀表及調(diào)節(jié)閥等

6、已經(jīng)選定并已裝好之后，調(diào)節(jié)對象的特性也就確定了，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)就主要決定于調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。因此，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的任務(wù)，就是對已選定的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，求得最好的調(diào)節(jié)質(zhì)量時調(diào)節(jié)器的參數(shù)值，即所謂求取調(diào)節(jié)器的最佳值，具體講就,是確定最合適的比例度、積分時間和微分時間。 把參數(shù)整定工作放在怎樣的位置，存在兩種片面的看法：一種看法是過分強調(diào)了參數(shù)整定的作用，把調(diào)節(jié)器參數(shù)整定看作自動化理論的核心，這當然是錯誤的。因為調(diào)節(jié)器參數(shù)只能在一定范圍內(nèi)起作用，如果方案不合理，工況改變、或?qū)儆趦x表和調(diào)節(jié)閥故障，則不論怎樣去調(diào)整比例度，積分時間和微分時間，仍然達不到預(yù)定的調(diào)節(jié)質(zhì)量要求。,另一種看法是過分地貶低參數(shù)整定的作用

7、，我們會遇到三類不同的系統(tǒng)情況。第一類是較容易調(diào)節(jié)的系統(tǒng)：比例度、積分時間和微分時間可以放在很寬的范圍，調(diào)節(jié)質(zhì)量都能滿足。第二類是方案選擇不當?shù)南到y(tǒng)，不論怎樣去整定參數(shù)，系統(tǒng)仍不能良好的運行。如果只看到以上兩種情況，是會產(chǎn)生不必重視調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的錯覺。實際上有相當多數(shù)量的系統(tǒng)介于這兩種極端情況之間，這可以說是第三類的系統(tǒng)，它們在整定參數(shù)選擇得當?shù)臅r候，可以運行得很好，,反之，在整定參數(shù)不合適時，調(diào)節(jié)質(zhì)量就達不到要求。我們不要將它們與第二類系統(tǒng)混同起來，錯當成不能投入自動的系統(tǒng)。另外，對第一類系統(tǒng)來說也有使調(diào)節(jié)質(zhì)量進一步完善的要求。 因此，我們應(yīng)當重視調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的工作，而不要片面地看問題。

8、 參數(shù)整定的方法很多，我們只介紹幾種工程上最常用的方法。,1、臨界比例度法 這是目前使用較廣的一種方法，具體作法如下： 先在純比例作用下（把積分時間放到最大，微分時間放到零），在閉合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，從大到小地逐漸地改變調(diào)節(jié)器的比例度，就會得到一個臨界振蕩過程，如圖4所示。這時的比例度叫臨界比例度k，周期為臨界振蕩周期Tk。記下k和Tk，然后按表1的經(jīng)驗公式來確定調(diào)節(jié)器的各參數(shù)值。,圖4 臨界振蕩示意圖,k,表1 臨界比例度法數(shù)據(jù)表,這種方法在下面兩種情況下不宜采用： 1）、求取的臨界比例度過小，因為這時候調(diào)節(jié)閥很容易處于全開及全關(guān)位置，,對于工藝生產(chǎn)不利。 2）、工藝上約束條件較嚴格時，因為這時

9、候如達到等幅振蕩，將影響生產(chǎn)的安全運行。 2、衰減曲線法 臨界比例度法是要系統(tǒng)等幅振蕩，還要多次試湊，而用衰減曲線法較簡單，一般又有兩種方法。,1）、4：1衰減曲線法 使系統(tǒng)處于純比例作用下，在達到穩(wěn)定時，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察記錄曲線的衰減比，然后逐漸從大到小改變比例度，使出現(xiàn)4：1的衰減比為止，如圖5所示。記下此時的比例度s、Ts。再按表2的經(jīng)驗公式來確定PID數(shù)值。,圖5 4：1衰減調(diào)節(jié)過程曲線,s,表2 4：1衰減曲線法數(shù)據(jù)表,2）、10：1衰減曲線法 有的過程，4：1衰減仍嫌振蕩過強，可采用10：1衰減曲線法。方法同上，得到10：1衰減曲線，記下此時的比例度s和上升時間

10、Ts，再按表3的經(jīng)驗公式來確定PID的數(shù)值。衰減曲線如圖6所示。,圖6 10：1衰減曲線示意圖,采用衰減曲線法必須注意幾點： （1）、加給定干擾不能太大，要根據(jù)生產(chǎn)操作要求來定，一般在5%左右，也有例外的情況。,表3 10：1衰減曲線法數(shù)據(jù)表,（2）、必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定的情況下才能加給定干擾，否則得不到正確得 s、Ts。 （3）、對于反應(yīng)快的系統(tǒng)，如流量、管道壓力和小容量的液位調(diào)節(jié)等，要在記錄上嚴格得到4：1衰減曲線較困難，一般以被調(diào)參數(shù)來回波動兩次達到穩(wěn)定，就近似地認為達到4：1衰減過程了。,下面舉一個現(xiàn)場整定的例子。在某塔頂溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，被調(diào)參數(shù)是塔頂溫度，調(diào)節(jié)參數(shù)是回流量。在整定過程中

11、，考慮到對象滯后較大，反應(yīng)較慢的情況，的選擇從50%開始湊試起，此時在階躍作用下（給定值降低2%）的過渡過程曲線見圖7-（a）。此時調(diào)節(jié)時間長，不起振蕩，于是將比例度減少，=30%、20%、及10%時的曲線見（b）、（c）、（d）。顯然，20%的情況最好，衰減比接近 4：1，Ts=10分。,（a）,（b）,（c）,(d),(e),圖7 用衰減曲線法現(xiàn)場整定,按4：1衰減曲線法數(shù)據(jù)表定出整定參數(shù)：=0.8s=16% Ti=0.3Ts=3分； Td=0.1Ts=1分。 投運時，先將放在較大的數(shù)值，把Ti從大減少到3分，把Td從小到大逐步放大到1分，然后把拉到16%，（如果在=16%的條件下很快地把

12、Td放到1分，調(diào)節(jié)器的輸出會劇烈變化）。再對系統(tǒng)加2% 的給定值變化時，仍產(chǎn)生4：1衰減過程，見圖（e）所示，調(diào)節(jié)質(zhì)量顯著改善。,3、經(jīng)驗試湊法 這是在生產(chǎn)實踐中所總結(jié)出來的方法，目前應(yīng)用最為廣泛，其步驟簡述如下： 1）、根據(jù)不同調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點，先把P、I、D各參數(shù)放在基本合適的數(shù)值上。這些數(shù)值是由大量實踐經(jīng)驗總結(jié)得來的（按4：1衰減），其范圍大致如表4所示。但也有特殊情況超出表列的范圍，例如有的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)積分時間長達15分鐘以上，有的流量系統(tǒng)的比例度可到200%左右等等。,表4 各調(diào)節(jié)系統(tǒng)PID參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)表,參數(shù)整定找最佳，從大到小順次查，,先是比例后積分，最后才把微分加；,曲線振蕩很頻

13、繁，比例度值要放大，,曲線漂浮繞大彎，比例度值應(yīng)減小；1,2）、看曲線，調(diào)參數(shù)。根據(jù)操作經(jīng)驗，看曲線的形狀，直接在閉合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中逐步反復(fù)試湊，一直得到滿意數(shù)據(jù)。 在實踐中，人們把具體整定的方法總結(jié)了幾段順口溜。,曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降，,曲線振蕩周期長，積分時間再加長；,曲線振蕩頻率快，先把微分降下來，,動差大來波動慢，微分時間應(yīng)加長；,理想曲線兩個波，前高后低四比一，,一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低。,第一段講的是整定順序，和Ti都是從大到小逐步加上去，微分是最后才考慮的。 第二段講的是比例度如何整定。 第三段講的是積分時間如何整定。 第四段講的是微分時間如何整定。 第五段講的是標

14、準。 上面這種方法步驟是先加，再加Ti，最后才加Td。應(yīng)用中較穩(wěn)妥。,另一種方法是先從表中所列范圍內(nèi)取Ti的某個數(shù)值，如果需要微分，則取Td=（1/31/4）Ti，然后對進行試湊，也能較快地達到要求。 實踐證明，在一定范圍內(nèi)適當?shù)亟M合和Ti的數(shù)值，可以得到同樣衰減比的曲線，就是說，的減少，可以用增加Ti的辦法來補償，而基本上不影響調(diào)節(jié)過程的質(zhì)量。另外，將所在裝置控制系統(tǒng)的PID參數(shù)記錄下來，是一個很好的做法。,3）、在不熟悉的生產(chǎn)過程中，應(yīng)先進行手動調(diào)節(jié)。進入自動調(diào)節(jié)時，應(yīng)確定比例度、積分時間、微分時間。當調(diào)節(jié)輸出變化一點點而影響測量值有較大變化的這種場合，為考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)加大比例度，

15、反之，則減小比例度。當調(diào)節(jié)器的輸出變化時，在生產(chǎn)過程中希望測量值跟蹤時間較短，則應(yīng)該縮短積分時間，回復(fù)時間長的生產(chǎn)過程則應(yīng)該有較長的微分時間。,（1）、比例、積分調(diào)節(jié) a）、積分時間置于最大 b）、微分時間切除 c）、按下述方法尋求比例度的最佳值。把比例度從較大數(shù)值逐漸往下降（例如100%50%20%）這時仔細觀察各個比例度情況下的調(diào)節(jié)過程，直至開始產(chǎn)生周期性振蕩。（測量值以給定值為中心作有規(guī)則得振蕩），在產(chǎn)生周期性振蕩得情況下，把此比例度逐漸加寬直至系統(tǒng)充分穩(wěn)定。,d）、接下去把積分時間逐漸縮短，一般減少積分時間即縮短了測量值跟蹤給定值的時間，但是由于過程有延遲，積分時間縮短時，仍會產(chǎn)生振蕩

16、，此時，表示積分時間過短，應(yīng)把積分時間稍加延長，直至振蕩停止。 （2）、比例、積分、微分調(diào)節(jié) a）、積分時間置于最大 b）、微分時間置于最小,c）、和前面的比例、積分調(diào)節(jié)作用一樣改變比例度，求起振點。 d）、加大微分時間使振蕩停止，接著把比例度調(diào)得稍小一些，使振蕩又產(chǎn)生，加大微分時間，使振蕩再停止，來回這樣操作，直至雖加大微分時間，但不能使振蕩停止，以求得微分時間的最佳值，此時把比例度調(diào)得稍大一些直至振蕩停止。 e）、把積分時間調(diào)成和微分時間相同的數(shù)值一般情況下是沒有什么問題的，如果又產(chǎn)生振蕩則加大積分時間直至振蕩停止。,以上方法依據(jù)經(jīng)驗試湊法，實際應(yīng)用過程中根據(jù)需要和習(xí)慣選用某一種。 4、反

17、應(yīng)曲線法 反應(yīng)曲線是表達對象特性的方法之一。反應(yīng)曲線法，是需要預(yù)先測量反應(yīng)曲線，通過對象動態(tài)特性數(shù)據(jù)定出整定參數(shù)的方法。而在某些工藝對象上的約束條件比較嚴，測試有困難；而在另一些對象上，干擾因素較多，且較頻繁，測試就不易準確，因此應(yīng)用場合受到限制。一般現(xiàn)場應(yīng)用較少，這里就不再多講。,5、幾種曲線的區(qū)別與判斷 在實際的參數(shù)整定過程中，不論采取什么樣的整定方法，理想曲線與實際曲線都存在著差別，下面介紹幾種經(jīng)實踐總結(jié)出來的曲線與判斷結(jié)果，供整定中參考。,a、 積分時間過小，振蕩周期長，輸出變化到指示變化時間長。 b、比例度過小，振蕩周期短，輸出變化到指示變化時間短。 c、微分時間過長，振蕩周期最短，

18、輸出變化到指示變化時最短。,1）、,a、比例度過大，曲線漂浮繞大彎。 b、積分時間過長，曲線偏離回復(fù)慢。,2）、,第四節(jié) 復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定,以串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例來說明復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定方法。見圖8所示。由于串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，有主、副兩組參數(shù)，各通道及回路間存在著相互聯(lián)系和影響。改變主、副回路的任一參數(shù)，對整個系統(tǒng)都有影響。特別是主、副對象時間常數(shù)相差不大時，動態(tài)聯(lián)系密切，整定參數(shù)的工作尤其困難。 在整定參數(shù)前，先要明確串級調(diào)節(jié),圖8 串級控制系統(tǒng)方塊圖,系統(tǒng)的設(shè)計目的。如果主要是保證主參數(shù)的調(diào)節(jié)質(zhì)量，對副參數(shù)要求不高，則整定工作就比較容易；如果主、副參數(shù)都要求高，整定工作就比較復(fù)雜。下面介紹“先副后主”兩步參數(shù)整定法。 第一步：在工況穩(wěn)定情況下，將主回路閉合，把主調(diào)節(jié)器比例度放在100%，積分時間放在最大，微分時間放在零。用4：1衰減曲線整定副回路，求出副回路得比例度2s和振蕩周期T2s