浅析PID参数工程整定方法

浅析PID参数工程整定方法班级:姓名：学号：一：PID控制规律1.什么是PIDPID是控制系统中的重要参数，指控制方式，指输出与输入之间的响应方式，英文字母比例积分微分。顾名思义，比例是输出与输入是按一个比例进行的，可调节快慢，通常是改变反馈。积分是输出是输入的积分，就是累加，当输入变化很大输出只按时间长短变化，起到滤波作用，也叫滞后，等效于在输入端并连一个电容。微分是输出只对输入变化部分敏感，特别是输入有尖峰的时候，输出剧烈的响应，但输入不变，不管有多大，输出就为零，因此，也叫超前调节，起加速作用，等效串联一个电容。2.PID的原理是什么PID是一种经典的控制算法，实现起来容易。2.1比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。2.2积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。2.3微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。二：PID工程整定方法以及各方法之间的优缺点理论计算的方法比较复杂，经常用的是工程整定的方法它主要包括一下三种方法：临界比例度法；衰减曲线法；反应曲线法，另外经验整定法就不提了。临界比例度法：（1）在系统闭环的情况下，将控制器的积分时间TI放到最大，微分时间TD放到最小，比例放大倍数KC设为1。（2）然后使KC由小往大逐步改变，并且每改变一次KC值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察被控变量y的变化情况。若y的过渡过程呈衰减振荡，则继续增大KC值，若y的过渡过程呈发散振荡，则应减小KC值，直到调至某一KC值，过渡过程出现不衰减的等幅振荡为止，如图所示：这时过渡过程称之为临界振荡过程。出现临界振荡过程的放大倍数KC成为临界放大倍数，临界振荡的周期Tk则称临界周期。（3）有了KC和Tk这两个试验数据，按下表给出的经验公式，就可以计算出当采用不同类型的控制器而使过度过程呈4：1衰减振荡状态的控制器参数值。表临界比例度整定控制器参数经验公式控制器类型控制器参数P(KC)I(TI)/minD(TD)/minP0.5KC——PI0.45KC0.83Tk—PID0.6KC0.5Tk0.12Tk按上表算出控制器参数后，先将KC放在一个比计算值稍小一些（一般小20%）的数值上，再依次放上积分时间和微分时间（如果存在积分和微分时间），最后再将KC放回到计算数值上即可。如果这时加干扰，过渡过程与4：1衰减还有一定差距，（4）可适当对计算出来的值做一点调整，直到过渡过程满意为止。优点：使用起来比较简便缺点：如果工艺方面不允许被控变量做长时间的等幅振荡，这种方法就不能应用；这种方法只适用于二阶以上的高阶对象，或一阶加纯滞后的对象，否则，在纯比例控制情况吓，系统将不会出现等幅振荡，因此就不能用这种方法了衰减曲线法：（1）衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间TI放在最大，微分时间TD放到最小，比例放大倍数KC设为1，（2）然后使KC由小往大逐步改变，并且每改变一次KC值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比小大于4：1，KC值继续增加，如果衰减比小于4：1，KC值继续减小，知道过程呈现4：1衰减如图为止（插入图《过控》P49图1.38）41Ts（3）通过上述试验可以找到4：1衰减振荡时的放大倍数为Ks以及振荡周期Ts。根据下表给出的经验公式，可以算出采用不同类型控制器使过渡过程出现4：1振荡的控制器参数值。表4：1衰减曲线法整定控制器参数经验公式控制器类型控制器参数P(KC)I(TI)/minD(TD)/minPKs——PI0.83Ks0.5Ts—PID1.25Ks0.3Ts0.1Ts（4）按经验公式算出控制参数后按照先比例、后积分、最后微分的程序，一次将控制器参数放好。不过在放积分、微分之前应将KC放在一个比计算值稍小一些（一般小20%）的数值上，待积分、微分放好后再将KC放到计算值上。放好控制器参数之后再加一次干扰，验证一下过渡过程是否呈4：1衰减振荡。（5）如果不符合要求可适当调整一下KC值，直到满意为止优点：4：1衰减曲线法试验过渡过程呈现振荡的时间比较短，而且又是衰减振荡，因此易为工作人员所接受。这种整定方法应用比较广泛。缺点：有时4：1衰减不太好确定，只能近似。有些对象中，由于控制过程进行得比较快，从记录曲线上读出衰减比有困难，这时有一种近似的替代方法，即观察控制器输出的变化。如果控制器输出电流来回摆动两次就达到稳定状态，则可以认为该过程是4：1的。而波动一次的时间即Ts。再根据此时控制器的δs值就可以按照上表计算控制器参数。10：1衰减振荡在某些实际生产过程中，对控制过程的稳定性要求较高，认为4：1衰减过程的稳定性还不够，希望衰减比再大一些，于是出现了10：1衰减过程；相应地也就出现了一种10：1衰减曲线法。其过渡过程如图插图（P50图1.39）：tr10：1衰减曲线法的试验与4：1衰减曲线法试验方法相同，所不同的是寻求10：1衰减时的放大倍数KC罢了。此外还需要从10：1衰减过程的曲线上计算达到第一个波峰时的时间为tr（因为曲线衰减很快，振荡周期不确定，故改用上升时间代之）。根据KC以及tr两个试验数据，根据下表所给出的经验公式，即可算出同类型控制器使过程呈10：1衰减的控制参数。表10：1衰减曲线法整定控制器参数经验公式控制器类型控制器参数P(KC)I(TI)/minD(TD)/minPKs′——PI0.83Ks′2tr—PID1.25Ks′1.2tr0.4tr反应/响应曲线法这是一种用广义对象时间特性整定控制器参数的方法。（补充：广义对象：控制阀、被控对象和测量变送装置合在一起，称为广义对象。）该方法比较简便。测试广义对象的时间特性具体做法如下：（1）在系统开环并处于稳定的情况下（即测量值等于给定值的稳定状态），瞬时改变控制器的手操器，使其输出产生一阶跃变化△P，并同时记录下被控变量y随时间变化的曲线。如果广义对象是二阶以上的，其反应曲线应插图（如图《过控》P51图1.40）所示：（2）从响应曲线的拐点A作一切线，分别交时间轴与B点以及最终稳态值水平线与C点，在通过C点引垂线交时间轴与D点。这样广义对象的特性就可以用一具有纯滞后时间τ、时间常数为T0的一阶惯性环节来近似。τ为干扰起始点至B点的距离。T0为BD之间的距离。τ与T0的单位都是min或者s。这里需要计算放大倍数K0：maxmin0maxmin/()/()yyyKPPP，注意：其中P不是代表压力哦，它代表输入的阶跃变化，而y代表输出。（3）有了τ、T0及K0三个数据，按下表所给出的经验公式，算出呈4：1衰减时的控制器参数。表响应曲线法整定控制器参数经验公式（4：1衰减）控制器类型控制器参数P(KC)I(TI)/minD(TD)/minPT0/K0τ——PI0.9T0/K0τ3.3τ—PID1.2T0/K0τ2τ0.5τ（4）闭环加阶跃干扰，观察整定参数的效果。由于可能出现测试误差，可适当修改相关参数，知道响应曲线满意为止。优点：响应曲线法应用普遍，具有较高的准确度，测试时对生产过程的干扰不大。缺点：当广义对象是非自衡过程时无法应用本方法；需要预先测试广义对象的响应曲线，而在某些生产工艺上往往约束条件较严，不允许被控变量长期偏离给定值，这就给测试带来了麻烦；但有些实际场合，不允许进行开环阶跃实验