PID控制器的參數(shù)整定(經(jīng)驗總結(jié))

1、PID控制器的參數(shù)整定PID控制規(guī)律為"（心 kp «/）+* 仙）/+Td 讐）U(s1因此它的傳遞函數(shù)為：如二麗 f 1 +喬+酗其中人為比例系數(shù)；7為積分時間常數(shù)；厶為微分時間常數(shù)(1)PID是比例，積分，微分的縮寫.比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn) 生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比 例,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進 行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分 時間常數(shù)Ti,

2、Ti越小,積分作用就越強。反之Ti大，則積分作用弱,加入積分調(diào)節(jié) 可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變 化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作 用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少 超調(diào),減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)， 對系統(tǒng)抗干擾不利。 此外,微分反應的是變化率 , 而當輸入沒有變化時 ,微分作用 輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)

3、合，組成PD或 PID 控制器。（2） PID 具體調(diào)節(jié)方法方法一確定控制器參數(shù)數(shù)字 PID 控制器控制參數(shù)的選擇，可按連續(xù) -時間 PID 參數(shù)整定方法進行。在選擇數(shù)字 PID 參數(shù)之前，首先應該確定控制器結(jié)構(gòu)。對允許有靜差（或穩(wěn)態(tài)誤差）的系 統(tǒng)，可以適當選擇 P 或 PD 控制器，使穩(wěn)態(tài)誤差在允許的范圍內(nèi)。對必須消除穩(wěn)態(tài)誤差的 系統(tǒng)，應選擇包含積分控制的 PI或PID控制器。一般來說，PI、PID和P控制器應用較多。 對于有滯后的對象 ,往往都加入微分控制。選擇參數(shù)控制器結(jié)構(gòu)確定后， 即可開始選擇參數(shù)。 參數(shù)的選擇， 要根據(jù)受控對象的具體特性和對控制 系統(tǒng)的性能要求進行。 工程上， 一般要

4、求整個閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的， 對給定量的變化能迅速響 應并平滑跟蹤， 超調(diào)量??；在不同干擾作用下，能保證被控量在給定值；當環(huán)境參數(shù)發(fā)生變 化時，整個系統(tǒng)能保持穩(wěn)定，等等。這些要求，對控制系統(tǒng)自身性能來說，有些是矛盾的。 我們必須滿足主要的方面的要求，兼顧其他方面，適當?shù)卣壑蕴幚?。PID 控制器的參數(shù)整定，可以不依賴于受控對象的數(shù)學模型。工程上，PID 控制器的參數(shù)常常是通過實驗來確定，通過試湊，或者通過實驗經(jīng)驗公式來確定。常用的方法，采樣周期選擇，實驗湊試法 實驗湊試法是通過閉環(huán)運行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對系統(tǒng)的影響， 反復湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應，從而確定 PID 控制參

5、數(shù)。整定步驟 實驗湊試法的整定步驟為 "先比例，再積分，最后微分 "。（1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調(diào)小的響應曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié) 若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的 5080 %,再將積分時間置一個較大值，觀 測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用， 并相應調(diào)整比例系數(shù)，反復試湊至得到較 滿意的響應,確定比例和積分的參數(shù)。（ 3）整定微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過步驟（ 2）, PI 控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差,而動態(tài)過程不能令人滿意,則應加入微分控 制,構(gòu)成 PID 控制。先置

6、微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間，反復試湊至獲 得滿意的控制效果和 PID 控制參數(shù)。實驗經(jīng)驗法擴充臨界比例度法實驗經(jīng)驗法調(diào)整 PID 參數(shù)的方法中較常用的是擴充臨界比例度法,其最大的優(yōu)點是，參數(shù)的整定不依賴受控對象的數(shù)學模型，直接在現(xiàn)場整定、簡單易行。擴充比例度法適用于有自平衡特性的受控對象，是對連續(xù)-時間 PID 控制器參數(shù)整定的臨界比例度法的擴充。整定步驟擴充比例度法整定數(shù)字 PID 控制器參數(shù)的步驟是：（1）預選擇一個足夠短的采樣周期 TS 。一般說 TS 應小于受控對象純延遲時間的十分之一。 （2 ）用選定的 TS 使系統(tǒng)工作。這時去掉積分作用和微分作

7、用，將控制選擇為純比例控制 器，構(gòu)成閉環(huán)運行。逐漸減小比例度，即加大比例放大系數(shù) KP ，直至系統(tǒng)對輸入的階躍信 號的響應出現(xiàn)臨界振蕩 （穩(wěn)定邊緣） ，將這時的比例放大系數(shù)記為 Kr, 臨界振蕩周期記為 Tr。（3）選擇控制度?？刂贫?，就是以連續(xù) -時間 PID 控制器為基準，將數(shù)字 PID 控制效果與之相比較。 通常采用誤差平方積分作為控制效果的評價函數(shù)。定義控制度采樣周期 TS 的長短會影響采樣 -數(shù)據(jù)控制系統(tǒng) 的品質(zhì)，同樣是最佳整定， 采樣 -數(shù)據(jù)控制系 統(tǒng)的控制品質(zhì)要低于連續(xù) -時間控制系統(tǒng)。因而，控制度總是大于1 的，而且控制度越大，相應的采樣 -數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的品質(zhì)越差?？刂贫鹊倪x擇

8、要從所設計的系統(tǒng)的控制品質(zhì)要求出 發(fā)。（4 ） 查表確定參數(shù)。根據(jù)所選擇的控制度，查表3 一 2 ，得出數(shù)字 PID 中相應的參數(shù)TS,KP,TI 和 TD 。（5）運行與修正。將求得的各參數(shù)值加入PID 控制器 , 閉環(huán)運行 ,觀察控制效果 ,并作適當?shù)恼{(diào)整以獲得比較滿意的效果。方法2.3 PID參數(shù)整定方法2.3.1 工程整定法PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的參數(shù)，除了比例系數(shù)Kp，積分時間Ti和微分時間Td外，還有1個重要參數(shù)即采樣周期T o1 采樣周期T的選擇確定從理論上講，采樣頻率越高，失真越小。但是，對于控制器，由于是依靠偏差信號來進行調(diào)節(jié)計算的，當采樣周期T太小，偏差信號也會過小，此時計算機將

9、失去調(diào)節(jié)作用； 若采樣周期T太長，則將引起誤差。 因此采樣周期T必須綜合考慮。采樣周期的選擇方法有兩種，一種是計算法，另一種是經(jīng)驗法。計算法由于比較復雜，特別是被控對象各環(huán)節(jié)時間常數(shù)難以確定，工程上較少用。經(jīng)驗法是一種湊試法，即根據(jù)人們在控制工作實踐中積累的經(jīng)驗以及被控對象的特點，先選擇一個采樣周期T,進行試驗，再反復改變T,直到滿意為止。2 Kp，Ti，Td的選擇方法1 )擴充臨界比例度法擴充臨界比例度法是簡易工程整定方法之一，用它整定Kp，Ti，Td的步驟如下。選擇最短采樣周期 Tmin，求出臨界比例度Su和臨界振蕩周期Tu o具體方法是將Tmin輸入計算機，只 有P環(huán)節(jié)控制，逐漸縮小比例

10、度，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩。此時的比例度即為臨界比例度Su，振蕩周期稱為臨界振蕩周期Tu。選擇控制度為：喚)df控制度-餐輕藝(2-15 )通常當控制度為1.05時，表示數(shù)字控制方式與模擬方式效果相當。根據(jù)計算度，查表2-1可求岀Kp，Ti， Td。表2-1擴充臨界比例度法整定參數(shù)表控制度控制規(guī)律參數(shù)TKpTiTd1.05PI0.03T u0.53S u0.88T u/PID0.014T u0.63S u0.49T u0.14T u1.2PI0.05T u0.49S u0.91T u/PID0.43T u0.47S u0.47T u0.16T uPI0.14Tu0.42Su0.99T u/1.5

11、PID0.09Tu0.34Su0.43T u0.20TuPI0.22Tu0.36Su1.05T u/2.0PID0.16Tu0.27Su0.4T u0.22T u2 ）擴充響應曲線法若已知系統(tǒng)的動態(tài)特性曲線，可以采用和模擬調(diào)節(jié)方法一樣的響應曲線法進行整定，其步驟如下。斷開微機調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)手動工作，當系統(tǒng)在給定值處處于平衡后，給一階躍輸入。用儀表記錄被調(diào) 參數(shù)在此階躍作用下的變化過程曲線。如圖2-12所示。在曲線最大斜率處做切線，求得滯后時間 t，對象時間常數(shù)T以及它們的比值T/t。根據(jù)所求得的T t和T/t值，查表2-2求得值Kp，T，Td。表2-2擴充響應曲線法整定參數(shù)表控制度控制規(guī)律參數(shù)

12、TKpTiTd1.05PI0.1t0.84 t /t0.34t/PID0.05t1.15 T /t2.0t0.45t1.2PI0.2t0.78 t /t3.6t/PID0.15t1.0 T /t1.9t0.55t1.5PI0.50t0.68 t /t3.9t/PID0.34t0.85 t /t1.62t0.65t2.0PI0.8t0.57 t /t4.2t/PID0.6t0.6 t /t1.5tt2.3.2 經(jīng)驗法在實際工作過程中，由于被調(diào)對象的動態(tài)特性不是很容易確定，即使確定了，不僅計算困難，工作量 大，往往其結(jié)果與實際相差較大，甚至事倍功半。因此，在實際生產(chǎn)過程中采用的是經(jīng)驗法。即根據(jù)各調(diào)

13、 節(jié)作用的規(guī)律，經(jīng)過閉環(huán)試驗，反復湊試，找岀最佳調(diào)節(jié)參數(shù)。微機調(diào)速器參數(shù)最終要在現(xiàn)場試驗好后， 才能選岀最優(yōu)參數(shù)。廠家有規(guī)定的參考值，有一個范圍，是理論計算岀來的。因此要選擇岀最優(yōu)參數(shù)，就必須在生產(chǎn)現(xiàn)場進行試驗做記錄曲線后方能得到2.3.3 湊試法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)湊試法是通過模擬（或閉環(huán)）運行觀察系統(tǒng)的響應（例如，階躍響應）曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對 系統(tǒng)響應的大致影響，反復湊試參數(shù)，以達到滿意的響應，從而確定PID的調(diào)節(jié)參數(shù)。增大比例系數(shù) Kp一般將加快系統(tǒng)的響應，這有利于減小靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使 穩(wěn)定性變壞。增大式（2-2 ）中的Td有利于加快系統(tǒng)響

14、應，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但對于干擾信號 的抑制能力將減弱。在湊試時，可參考以上參數(shù)分析控制過程的影響趨勢，對參數(shù)進行先比例，后積分， 再微分的整定步驟。其具體步驟如下：首先整定比例部分。將比例系數(shù)由小調(diào)大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直至得到反應快、超調(diào)小的響 應曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差小到允許的范圍之內(nèi)，并且響應曲線已屬滿意，那么只需要用比例調(diào)節(jié) 器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。當僅調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)器參數(shù)，系統(tǒng)的靜差還達不到設計要求時，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時，首先置積分常數(shù)Ti為一個較大值，經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)會略為縮小（如減小20% ），然后減小積分常數(shù)，使系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的

15、情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)響應曲線的好壞反復修改 比例系數(shù)和積分常數(shù)，直至得到滿意的效果和相應的參數(shù)。若使用比例積分器，能消除靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復調(diào)整后仍達不到要求，這時可加入微分環(huán)節(jié)。 在整定時，先置微分常數(shù)Td為零，在第二步整定的基礎上， 增大Td,同時相應地改變Kp和Ti，逐步湊試, 以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和參數(shù)。應該指岀，在整定中參數(shù)的選定不是惟一的。事實上，比例、積分和微分三部分作用是相互影響的。 從應用角度來看，只要被控制過程的主要性能指標達到設計要求，那么比例、積分和微分參數(shù)也就確定了。表2-3給岀了一些常見的調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇范圍。表2-3常見被調(diào)量PID參數(shù)經(jīng)驗選擇

16、范圍被調(diào)量特點參數(shù)KpT i/ minTd/ min流量時間常數(shù)小，并有噪聲，故 Kp比較小，Ti 較小，不用微分1 2.50.1 1溫度對象有較大滯后，常用微分1.6 53100.5 3壓力對象的滯后不大，不用微分1.4 3.50.4 3液位允許有靜差時，不用積分和微分1.25 5(3)總結(jié)PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。 它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型， 經(jīng)過理論計算確定控制器 參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用， 還必須通過工程實際進行調(diào) 整和修改。二是工程整定方法， 它主要依賴工程經(jīng)驗， 直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行， 且方 法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1) 首先預選擇一個足夠短的 采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2) 僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出 現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3) 在一定的控制度下 通過公式計算得到 PID 控制器的參數(shù)。PID 參數(shù)的設定：是靠經(jīng)驗及工藝的熟悉，參考測量值跟蹤與設定值曲線，從 而調(diào)整 PID 的大小。PID 控制器參數(shù)的工程整定 ,各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中 P.I.D 參數(shù)經(jīng)驗