PID参数的工程整定方法

PID参数的工程整定方法•基本控制规律及其作用效果•实际应用的控制规律•PID参数的工程整定方法•复杂调节系统的参数整定第一节基本控制规律及其作用效果•位式调节•比例调节•积分调节•微分调节tT给定值B1B2CAty在工业生产过程控制中，常用的基本调节规律大致可分为：1-1、位式调节也就是常说的开/关式调节，它的动作规律是当被调参数偏离给定值时，调节器的输出不是最大就是最小，从而使执行器全开或全关。在实际应用中，常用于机组油箱恒温控制、水塔以及一些储罐的液位控制等。在实施时，只要选用带上、下限接点的检测仪表、位式调节器或PLC、再配一些继电器、电磁阀、执行器、磁力起动器等即可构成位式控制系统。如图1所示。浮球液位开关PLC、控制器等电磁阀继电器、转换元件图1位式控制系统实例数参调被tC0h因此，位式控制的过渡过程必然是一个持续振荡的过程。如图2所示。图2位式控制的过渡过程1-2、比例调节Q2Q1HabmFm-m。=-ba（H-H。）tttQ1Q2QmHQ10=Q20m0H0mH△Q2△m△H比例调节依据“偏差的大小”来动作。它的输出与输入偏差的大小成比例，调节及时，有力，但是有余差。用比例度δ来表示其作用的强弱，其单位用%表示。例如比例度60%，即表示当偏差为量程的60%时，输出变化值为量程的100%。δ越小，调节作用越强，调节作用太强时，会引起振荡。比例调节作用适用于负荷变化小，对象纯滞后不大，时间常数较大而又允许有余差的控制系统中，常用于塔和储罐的液位控制以及一些要求不高的压力控制中。使用时应注意，当负荷变化幅度较大时，为了平衡负荷变化所需的调节阀开度变化也将较大，待稳定后，被调参数的余差就可能较大。比例控制规律的动态方程为：y（t）=Kpe（t）=1δe（t）其中：y（t）——输出变化量。e（t）——输入变化量。Kp——比例增益。δ——比例度，它是Kp的倒数。1-3、积分调节它依据“偏差是否存在”来动作。它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差完全消失，积分作用才停止。其实质就是消除余差。但积分作用使最大动偏差增大，延长了调Q2Q1HmF-V。+V。Q1Q2mHQmHtttt1t2其中：TI——积分时间。1-4、微分调节它依据“偏差变化速度”来动作。它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其实质和效果是阻止被调参数的一切变化，y（t）=1TI∫e（t）dt节时间。用积分时间Ti表示其作用的强弱，单位用分（或秒）表示。Ti越小，积分作用越强，积分作用太强时，也会引起振荡。积分控制规律的动态方程为：其中：TD——微分时间。y（t）=TDde（t）dt有超前调节的作用。对滞后较大的对象有很好的效果。使调节过程动偏差减少，余差也减少（但不能消）。用微分时间Td表示作用的强弱，单位用分（或秒）表示。Td大，作用强，Td太大，会引起振荡。微分控制规律的动态方程为：第二节实际应用的控制规律•P比例作用•PI比例、积分作用•PD比例、微分作用•PID比例、积分、微分作用由于位式调节及易引起振荡，所以除特定场合外，一般应用较少，使用较多的是比例、积分、微分调节作用。但实际上单纯使用比例、积分、微分作用的场合也较少，最多使用的是三种调节规律的组合。组合后的调节规律由图3所示，PID三作用调节质量最好、PI次之，积分最差因此很少单用。其中：PI作用的传递函数为：GPI（s）=Kp（1+1Tis）=1δ（1+1Tis）GPD（s）=Kp（1+Tds）=1δ（1+Tds）注意：KpTd即为微分控制规律的动态方程中TD。GPID（s）=Kp（1+1Tis+Tds）=1δ（1+1Tis+Tds）注意：δTi即为积分控制规律的动态方程中TI。PD作用的传递函数为：PID作用的传递函数为：010203040506070809010011012000.10.20.30.40.50.60.70.8时间（秒）数参调被12345图3各种调节规律比较1—比例微分作用；2—比例积分微分作用；3—比例作用；4—比例积分作用；5—积分作用；第三节PID参数的工程整定方法•临界比例度法•衰减曲线法•经验试凑法•反应曲线法调节器参数的整定，是自动调节系统中相当重要的一个问题。在调节方案已经确定，仪表及调节阀等已经选定并已装好之后，调节对象的特性也就确定了，调节系统的品质就主要决定于调节器参数的整定。因此，调节器参数整定的任务，就是对已选定的调节系统，求得最好的调节质量时调节器的参数值，即所谓求取调节器的最佳值，具体讲就是确定最合适的比例度、积分时间和微分时间。把参数整定工作放在怎样的位置，存在两种片面的看法：一种看法是过分强调了参数整定的作用，把调节器参数整定看作自动化理论的核心，这当然是错误的。因为调节器参数只能在一定范围内起作用，如果方案不合理，工况改变、或属于仪表和调节阀故障，则不论怎样去调整比例度，积分时间和微分时间，仍然达不到预定的调节质量要求。L101L102F101T101T102L001L002T1T2F001另一种看法是过分地贬低参数整定的作用，我们会遇到三类不同的系统情况。第一类是较容易调节的系统：比例度、积分时间和微分时间可以放在很宽的范围，调节质量都能满足。第二类是方案选择不当的系统，不论怎样去整定参数，系统仍不能良好的运行。如果只看到以上两种情况，是会产生不必重视调节器参数整定的错觉。实际上有相当多数量的系统介于这两种极端情况之间，这可以说是第三类的系统，它们在整定参数选择得当的时候，可以运行得很好，反之，在整定参数不合适时，调节质量就达不到要求。我们不要将它们与第二类系统混同起来，错当成不能投入自动的系统。另外，对第一类系统来说也有使调节质量进一步完善的要求。因此，我们应当重视调节器参数整定的工作，而不要片面地看问题。参数整定的方法很多，我们只介绍几种工程上最常用的方法。1、临界比例度法这是目前使用较广的一种方法，具体作法如下：先在纯比例作用下（把积分时间放到最大，微分时间放到零），在闭合的调节系统中，从大到小地逐渐地改变调节器的比例度，就会得到一个临界振荡过程，如图4所示。这时的比例度叫临界比例度δk，周期为临界振荡周期Tk。记下δk和Tk，然后按表1的经验公式来确定调节器的各参数值。图4临界振荡示意图Tk时间数参调被δk表1临界比例度法数据表调节作用比例度δ（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）比例2δk比例积分2.2δk0.85Tk比例微分1.8δk0.1Tk比例积分微分1.7δk0.5Tk0.125Tk这种方法在下面两种情况下不宜采用：1）、求取的临界比例度过小，因为这时候调节阀很容易处于全开及全关位置，对于工艺生产不利。2）、工艺上约束条件较严格时，因为这时候如达到等幅振荡，将影响生产的安全运行。2、衰减曲线法临界比例度法是要系统等幅振荡，还要多次试凑，而用衰减曲线法较简单，一般又有两种方法。1）、4：1衰减曲线法使系统处于纯比例作用下，在达到稳定时，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察记录曲线的衰减比，然后逐渐从大到小改变比例度，使出现4：1的衰减比为止，如图5所示。记下此时的比例度δs、Ts。再按表2的经验公式来确定PID数值。图54：1衰减调节过程曲线时间数参调被给定值tTs41δs表24：1衰减曲线法数据表调节作用比例度δ（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）比例δs比例积分1.2δs0.5Ts比例积分微分0.8δs0.3Ts0.1Ts2）、10：1衰减曲线法有的过程，4：1衰减仍嫌振荡过强，可采用10：1衰减曲线法。方法同上，得到10：1衰减曲线，记下此时的比例度δ｀s和上升时间T｀s，再按表3的经验公式来确定PID的数值。衰减曲线如图6所示。图610：1衰减曲线示意图时间数参调被给定值t1T′s10采用衰减曲线法必须注意几点：（1）、加给定干扰不能太大，要根据生产操作要求来定，一般在5%左右，也有例外的情况。表310：1衰减曲线法数据表调节作用比例度δ（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）比例δ＇s比例积分1.2δ＇s２Ｔ＇Ｓ比例积分微分0.8δ＇s１.２Ｔ＇ｓ０.４Ｔ＇ｓ（2）、必须在工艺参数稳定的情况下才能加给定干扰，否则得不到正确得δs、Ts。（3）、对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位调节等，要在记录上严格得到4：1衰减曲线较困难，一般以被调参数来回波动两次达到稳定，就近似地认为达到4：1衰减过程了。下面举一个现场整定的例子。在某塔顶温度调节系统中，被调参数是塔顶温度，调节参数是回流量。在整定过程中，考虑到对象滞后较大，反应较慢的情况，δ的选择从50%开始凑试起，此时在阶跃作用下（给定值降低2%）的过渡过程曲线见图7-（a）。此时调节时间长，不起振荡，于是将比例度减少，δ=30%、20%、及10%时的曲线见（b）、（c）、（d）。显然，20%的情况最好，衰减比接近4：1，Ts=10分。-5%+5%δ=50%（a）-5%+5%δ=30%（b）-5%+5%δ=20%（c）-5%+5%δ=10%(d)(e)图7用衰减曲线法现场整定+5%-5%δ=16%Ti=3分Td=1分按4：1衰减曲线法数据表定出整定参数：δ=0.8·δs=16%Ti=0.3·Ts=3分；Td=0.1·Ts=1分。投运时，先将δ放在较大的数值，把Ti从大减少到3分，把Td从小到大逐步放大到1分，然后把δ拉到16%，（如果在δ=16%的条件下很快地把Td放到1分，调节器的输出会剧烈变化）。再对系统加2%的给定值变化时，仍产生4：1衰减过程，见图（e）所示，调节质量显著改善。3、经验试凑法这是在生产实践中所总结出来的方法，目前应用最为广泛，其步骤简述如下：1）、根据不同调节系统的特点，先把P、I、D各参数放在基本合适的数值上。这些数值是由大量实践经验总结得来的（按4：1衰减），其范围大致如表4所示。但也有特殊情况超出表列的范围，例如有的温度调节系统积分时间长达15分钟以上，有的流量系统的比例度可到200%左右等等。表4各调节系统PID参数经验数据表调节系统比例度δ（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）说明流量40-1000.1-1对象时间常数小，并有杂散扰动，δ应大，Ti较短，不必用微分。压力30-700.4-3对象滞后一般不大，δ略小，Ti略大，不用微分。液位20-801-5δ小，Ti较大，要求不高时可不用积分，不用微分。温度20-603-100.5-3对象容量滞后较大。δ小，Ti大，加微分作用。参数整定找最佳，从大到小顺次查，先是比例后积分，最后才把微分加；曲线振荡很频繁，比例度值要放大，曲线漂浮绕大弯，比例度值应减小；[1]2）、看曲线，调参数。根据操作经验，看曲线的形状，直接在闭合的调节系统中逐步反复试凑，一直得到满意数据。在实践中，人们把具体整定的方法总结了几段顺口溜。曲线偏离回复慢，积分时间往下降，曲线振荡周期长，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。第一段讲的是整定顺序，δ和Ti都是从大到小逐步加上去，微分是最后才考虑的。第二段讲的是比例度如何整定。第三段讲的是积分时间如何整定。第四段讲的是微分时间如何整定。第五段讲的是标准。上面这种方法步骤是先加δ，再加Ti，最后才加Td。应用中较稳妥。另一种方法是先从表中所列范围内取Ti的某个数值，如果需要微分，则取Td=（1/3~1/4）Ti，然后对δ进行试凑，也能较快地达到要求。实践证明，在一定范围内适当地组合δ和Ti的数值，可以得到同样衰减比的曲线，就是说，δ的减少，可以用增加Ti的办法来补偿，而基本上不影响调节过程的质量。另外，将所在装置控制系统的PID参数记录下来，是一个很好的做法。3）、在不熟悉的生产过程中，应先进行手动调节。进入自动调节时，应确定比例度、积分时间、微分时间。当调节输出变化一点点而影响测量值有较大变化的这种场合，为考虑到系统的稳定性，应加大比例度，反之，则减小比例度。当调节器的输出变化时，在生产过程中希望测量值