PID參數(shù)整定方法及其應(yīng)用11.26.doc

pid參數(shù)整定方法介紹關(guān)鍵詞：控制方法 pid系統(tǒng)整定 控制仿真一前言pid控制是在工業(yè)過程控制中應(yīng)用最廣的基本控制算法其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便.廣泛應(yīng)用于治金,化工,機(jī)械等工業(yè)工程控制中.pid有幾個(gè)重要的功能:提供反饋控制;通過積分作用消除靜態(tài)誤差;通過微分作用消除滯后.pid控制是分布控制系統(tǒng)的一個(gè)重要的組成部分.在工業(yè)過程控制中,95%以上的控制回路都具有pid結(jié)構(gòu),而其中大多數(shù)回路實(shí)際上都是pi控制.許多復(fù)雜的高級(jí)控制算法都是以pid控制作為基礎(chǔ)的，與pid控制器分級(jí)地組織在一起.比如多變量控制器就是給基礎(chǔ)級(jí)的pid控制器提供設(shè)定值.因此pid控制被稱為高級(jí)控制地基礎(chǔ),也是先進(jìn)控制實(shí)現(xiàn)地基礎(chǔ)保證.因此,pid參數(shù)整定在實(shí)際應(yīng)用中顯得尤為重要.二.pid的介紹2.1比例（p）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。它的特點(diǎn)是動(dòng)作規(guī)律快，幅度大，不能消除偏差。2.2積分（i）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積 分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(pi)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn) 。積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是能夠消除靜差。2.3微分（d）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(pd)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。微分控制的特點(diǎn)是有預(yù)見性，能超前動(dòng)作，能夠消除動(dòng)差。三.pid的整定方法的介紹3.1pid控制器的參數(shù)整定 pid控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被 控過程的特性確定pid控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。pid控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是 依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主 要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。pid控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有實(shí)驗(yàn)法，臨界比例法、衰減曲線法，動(dòng)態(tài)特性曲線法。四種方法各有其特點(diǎn)，后三種其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需 要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。3.2經(jīng)驗(yàn)法 經(jīng)驗(yàn)法實(shí)際是一種試湊法，是在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的參數(shù)整定方法，該方法在現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的使用。利用經(jīng)驗(yàn)法對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)，首先要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后做階躍擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程，若調(diào)節(jié)過程不滿足要求，則修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，再做結(jié)階躍擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程，反復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的步驟如下：1. 將經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)投置在控制器上；2. 系統(tǒng)投自動(dòng)；3. 加擾動(dòng)，示過程，修正參數(shù)；4. 反復(fù)進(jìn)行，直到滿意為止；3.3臨界比例帶法 臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法，其要點(diǎn)是將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例作用，將系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行并將比例帶由大到小改變，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。這時(shí)控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)，記下此狀態(tài)下的比例帶值，即臨界比例帶以及振蕩周期，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)?？梢钥闯雠R界比例帶法無需知道對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行參數(shù)整定。臨界比例帶法的具體步驟是：(1)將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間置于最大，即；置微分時(shí)間 =0；置比例帶于一個(gè)較大的值。(2)將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后逐漸減小比例帶，直到系統(tǒng)進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。一般振蕩持續(xù)45個(gè)振幅即可，試驗(yàn)記錄曲線如圖所示。 (3)據(jù)記錄曲線得振蕩周期，此狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器比例帶為，然后按表計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。臨界比例帶法計(jì)算公式規(guī)律ppipid(4)將計(jì)算好的參數(shù)值在調(diào)節(jié)器上設(shè)置好，作階躍響應(yīng)試驗(yàn)，觀察系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。34衰減曲線法衰減曲線法是在總結(jié)臨界比例帶法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是利用比例作用下產(chǎn)生的4:1衰減振蕩(=0.75)過程時(shí)的調(diào)節(jié)器比例帶及過程衰減周期，或10:1衰減振蕩(=0.9)過程時(shí)調(diào)節(jié)器比例帶及過程上升時(shí)間，據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。衰減曲線法的具體步驟是：(1)置調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間，微分時(shí)間0，比例帶為一稍大的值；將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。(2)在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察控制過程。如果過渡過程衰減率大于0.75，應(yīng)逐步減小比例帶值，并再次試驗(yàn)，直到過渡過程曲線出現(xiàn)4:1的衰減過程。對(duì)于=0.9的調(diào)節(jié)過程，也是一樣地做上述試驗(yàn)，直到出現(xiàn)10:1的衰減過程。記錄下4:1(或10:1)的衰減振蕩過程曲線，如圖3-6所示。在圖(a)或(b)所示的曲線上求取=0.75時(shí)的振蕩周期或=0.9時(shí)的上升時(shí)間，結(jié)合此過程下的調(diào)節(jié)器比例帶，按表計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。 衰減曲線法計(jì)算公式規(guī)律規(guī)律0.75p0.9ppipipidpid (3)按計(jì)算結(jié)果設(shè)置好調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)，作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，到滿意為止。與臨界比例帶法一樣，衰減曲線法也是利用了比例作用下的調(diào)節(jié)過程。從表可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于=0.75，采用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)相對(duì)于采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律引入了積分作用，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性將下降，為了仍然能得到=0.75的衰減率，就需將放大1.2倍后作為比例積分調(diào)節(jié)器的比例帶值。對(duì)于三參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律，由于微分作用的引入提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此可將減小至后作為調(diào)節(jié)器比例帶設(shè)定值，同時(shí)積分時(shí)間與無微分作用下相比也適當(dāng)減小了。3. 5動(dòng)態(tài)參數(shù)法動(dòng)態(tài)參數(shù)法是在系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)下，作對(duì)象的階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，根據(jù)記錄下的階躍響應(yīng)曲線求取一組特征參數(shù)、(無自平衡能力對(duì)象)或、 (有自平衡能力對(duì)象)，再據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。 動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線（a）有自平衡能力對(duì)象（b）無自平衡能力對(duì)象對(duì)于有自平衡能力對(duì)象，其階躍響應(yīng)曲線如圖3-8(a)所示。過響應(yīng)曲線拐點(diǎn)p作切線交穩(wěn)態(tài)值漸近線c*()于a，交時(shí)間軸于c；過a點(diǎn)作時(shí)間軸垂線并交于b，則：，對(duì)無自平衡能力對(duì)象，其單位階躍響應(yīng)曲線如圖3-8(b)所示。作響應(yīng)曲線直線段的漸近線交時(shí)間軸于c，過直線段上任一點(diǎn)a作時(shí)間垂線并交于b，則，在取得對(duì)象的單位階躍響應(yīng)曲線后，通過在曲線上作圖，求出對(duì)象的特征參數(shù)、或、，然后按表給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器整定參數(shù)。動(dòng)態(tài)參數(shù)法計(jì)算公式(一)規(guī)律ppipid四四種工程整定方法的比較 4.1衰減曲線法衰減曲線法在試驗(yàn)操作方法上與臨界比例帶法相似，比較簡(jiǎn)單，也容易掌握，沒有臨界比例帶法的限制和缺點(diǎn)，故應(yīng)用較為廣泛。這種整定方法的缺點(diǎn)是，由于外界干擾作用以及試驗(yàn)儀器、儀表等的缺陷造成難以判斷響應(yīng)曲線是否達(dá)到4:1或10:1的衰減過程，因而很難獲得準(zhǔn)確的4:1或10:1衰減過程下的比例帶和周期。4.2臨界比例帶法調(diào)節(jié)過程在邊界穩(wěn)定狀態(tài)下，調(diào)節(jié)器的比例帶較小因而動(dòng)作很快，這樣被調(diào)量波動(dòng)的幅度一般不會(huì)太大，不少生產(chǎn)過程是允許的。然而，對(duì)臨界比側(cè)帶較小的控制系統(tǒng)，試驗(yàn)中不小心就會(huì)使系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，甚至有些生產(chǎn)過程根本就不允許被調(diào)量處于等幅振蕩狀態(tài)；另有一些對(duì)象，如有自平衡單容對(duì)象，從理論上講根本就得不到等幅振蕩的過渡過程，即不會(huì)進(jìn)入臨界狀態(tài)。 4.3動(dòng)態(tài)參數(shù)法 動(dòng)態(tài)參數(shù)法又稱響應(yīng)曲線法，即在獲得對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線后，才能計(jì)算調(diào)節(jié)器整定參數(shù)，而其它三種方法均不需要知道對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。從原理上說，這種方法即簡(jiǎn)單又省時(shí),但會(huì)出現(xiàn)以下問題： (1)由于外界干擾的影響，需要進(jìn)行反復(fù)多次的對(duì)象動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，以取得真實(shí)反映對(duì)象特性的試驗(yàn)曲線。 (2)試驗(yàn)時(shí)需加入足夠大的擾動(dòng)量，才能使被調(diào)量的變化量足夠大。這樣，在階躍響應(yīng)曲線上求出的特征參數(shù)、才具有較高的準(zhǔn)確性。僅上述兩點(diǎn)，就需要作多次大擾動(dòng)量的試驗(yàn)，這對(duì)生產(chǎn)過程來說有是不允許的。44經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法是憑經(jīng)驗(yàn)試湊調(diào)節(jié)器參數(shù)，這樣，沒有經(jīng)驗(yàn)的人要湊出一組滿意的參數(shù)就很難。即使有經(jīng)驗(yàn)的人，反復(fù)試湊工作量也很大，特別是采用比例積分微分調(diào)節(jié)時(shí)有三個(gè)參數(shù)要試湊。該方法歸納為一句話：看曲線調(diào)參數(shù)，方法簡(jiǎn)便但工作量大。五pid控制系統(tǒng)仿真常規(guī)pid控制系統(tǒng)仿真在matlab中，構(gòu)建pid控制系統(tǒng)仿真的模型如下圖所示。利用穩(wěn)定邊界法按以下步驟進(jìn)行參數(shù)整定：（1）將積分、微分系數(shù)、設(shè)為0，置較小的值，使系統(tǒng)投入穩(wěn)定運(yùn)行，若系統(tǒng)無法穩(wěn)定運(yùn)行，則選擇其他的校正方式；（2）逐漸增大，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，即臨界振蕩過程，記錄此時(shí)臨界振蕩增益和臨界振蕩周期；（3）按照經(jīng)驗(yàn)公式：= 0. 6， = 1. 2 / ，= 0. 075 和校正裝置類型整定相應(yīng)的pid 參數(shù)，然后進(jìn)行仿真校驗(yàn)。 pid控制系統(tǒng)仿真詳細(xì)程序不多介紹，并且得到仿真曲線，系統(tǒng)的超調(diào)量較大，初始階段較不穩(wěn)定，在接近0.2s時(shí)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。六總結(jié) 通過上述的討論我們可以知道，對(duì)于簡(jiǎn)單且響應(yīng)速度較快的控制回路可使用經(jīng)驗(yàn)法快速確定參數(shù)的范圍，再配合現(xiàn)場(chǎng)試湊最終確定pid參數(shù)，對(duì)那些有一定滯后時(shí)間而對(duì)象模型時(shí)間常數(shù)不是很大的控制回路，使用臨界振蕩法和衰減曲線法可以比較快二準(zhǔn)確的得到pid參數(shù)，而響應(yīng)曲線法更適用于那些具有較大時(shí)間常數(shù)的過程，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)上述方法加以靈活應(yīng)用，可以得到比較準(zhǔn)確合理的pid參數(shù)，從而得到比較理想的控制效果，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的平穩(wěn)和安全都有非常重要的意義。參考文獻(xiàn)1 李超. matlab/建模cad與控制系統(tǒng)仿真武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院自編.2007-42 金以慧,方崇智.過程控制.清華大學(xué)出版社.1993:33-453 羅萬金.電廠熱工過程自動(dòng)調(diào)節(jié).中國電力出版社.1991：178-1924 文群英，潘汪杰。熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)。中國電力出版社.2007-2 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 ut2apodfxxc02gybkskcww97mrqqwhoj5tl15zt6jipyytycummtarp3v1n5luizi3xh3bhwyreko8d9g7nmzqowpjetldrw08gvs8dsdqqygc3ce7moo2tlf0jf1gk74iuxybmtivr97ckrfvqult5fn2t6mpjr6rbzvpsortzvij5nb5ndvvsr4iwr1twlfkglspzuhrjq3cmzu98euouijdlszqpmvrw9zkupxf8wfug9l2g9277g2rtipa1ypczeuqxpkbhtvdcooqozxuz3vjrzmocijym62zchmeootyes8ebmm932tbz2yo09rtszeys8zrd2yktj8l6jeazvajnfbtryl