經(jīng)典PID原理與參數(shù)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

1、經(jīng)典PID原理(yunl)與參數(shù)整定第一頁，共97頁。2內(nèi) 容n過程控制常見概念n過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)nPID控制原理與數(shù)字實現(xiàn)nPID控制參數(shù)對控制性能的影響nPID控制的改進算法(sun f)nPID控制實現(xiàn)時的常用技巧nPID參數(shù)整定方法n采樣PI控制原理及參數(shù)整定方法nPID算法(sun f)的實現(xiàn)第二頁，共97頁。3 過程控制常見(chn jin)概念n時變系統(tǒng)和時不變系統(tǒng)n線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)n大慣性與純滯后n多變量與耦合n控制器、控制對象、執(zhí)行機構(gòu)n測量參數(shù)（被調(diào)量）、操作(cozu)變量n優(yōu)化n參數(shù)自適應(yīng)n階躍響應(yīng)n動態(tài)與穩(wěn)態(tài)第三頁，共97頁。4時變(sh bin)系統(tǒng)和時不

2、變系統(tǒng)時不變系統(tǒng)(xtng)指控制系統(tǒng)(xtng)參數(shù)不隨時間的變化而變化。時變系統(tǒng)(xtng)指控制系統(tǒng)(xtng)參數(shù)隨著時間的變化而變化。時變系統(tǒng)(xtng)是任何控制對象的特點。時不變是理想的、是近似的。在某一時間段內(nèi)，可以把控制對象近似為時不變系統(tǒng)(xtng)。第四頁，共97頁。5線性系統(tǒng)(xtng)和非線性系統(tǒng)(xtng)線性系統(tǒng)指輸出隨著輸入(shr)的變化成比例變化。非線性系統(tǒng)是輸出的變化與輸入(shr)的變化是不成比例的。例如：給煤機轉(zhuǎn)速和給煤量的關(guān)系。第五頁，共97頁。6大慣性(gunxng)與純滯后大慣性可以理解為系統(tǒng)的狀態(tài)改變較慢，慣性較大(jio d)。純滯后是指在施

3、加控制后，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變的時間滯后與施加控制時間。例如：speTsKsG1)(T 用來(yn li)表征慣性，用來(yn li)表征滯后。第六頁，共97頁。7大慣性(gunxng)與純滯后K0.2 時可以選擇比例或比例積分(jfn)控制；0.2KINmax in=INmaxnInIn(n-1) In(n)-In(n-1) INmax In(n)=In(n-1) +INmax nIn(n)INmax In(n)=In(n-1) -INmax n變化率限幅nIn(n)In(n-1) In(n)-In(n-1) / In(n-1) In(n)=In(n-1)*(1+ )nIn(n) In(n)=I

4、n(n-1)*(1 - )第六十頁，共97頁。61輸出(shch)限幅n上下限限幅 （也可以在信號濾波中處理(chl)）noutoutmax out=outmaxnoutout(n-1) out(n)-out(n-1) outmax out(n)=out(n-1) +outmax nout(n)outmax out(n)=out(n-1) -outmax n變化率限幅nout(n)out(n-1) out(n)-out(n-1) / out(n-1) out(n)=out(n-1)*(1+ )nout(n) out(n)=out(n-1)*(1 - )第六十一頁，共97頁。62防止(fngzh

5、)飽和n對于增量式nMV（out）= MP（比例） + MI （積分） + MD（微分）n MV（out） MV（max）n MI （積分）= MV（max）- MP（比例） - MD（微分）n MV（out） MV（min）n MI （積分）= MV（min）- MP（比例） - MD（微分）n對于位置(wi zhi)式n 采用輸出限幅后，該問題就會直接解決。 第六十二頁，共97頁。63無擾切換(qi hun)n設(shè)置(shzh)給定值n（SPn）= 測量變量（PVn）n設(shè)置(shzh)測量值n（PVn-1） = 測量變量（PVn）n設(shè)置(shzh)輸出值n（MX）= 手動輸出值（Mn）第六十

6、三頁，共97頁。64帶死區(qū)的PID控制算法帶死區(qū)的PID控制(kngzh)規(guī)律如下： )()( )( )()()1()()()()(00kykrkker(k)-y(k)kekpukpkpTTjpTTkpKkudkjip非線性控制(kngzh)，非線性控制(kngzh)寬度、非線性控制(kngzh)增益。第六十四頁，共97頁。65 PID參數(shù)(cnsh)整定方法擴充臨界比例帶法擴充臨界比例帶法擴充響應(yīng)擴充響應(yīng)(xingyng)(xingyng)曲線法曲線法試湊法試湊法第六十五頁，共97頁。66擴充擴充(kuchng)(kuchng)臨界比例帶法臨界比例帶法擴充臨界比例帶法是模擬調(diào)節(jié)器中使用的臨界

7、比例帶法擴充臨界比例帶法是模擬調(diào)節(jié)器中使用的臨界比例帶法（也稱穩(wěn)定邊界法）的擴充，是一種閉環(huán)整定的實驗經(jīng)驗方（也稱穩(wěn)定邊界法）的擴充，是一種閉環(huán)整定的實驗經(jīng)驗方法。按該方法整定法。按該方法整定PIDPID參數(shù)的步驟如下：參數(shù)的步驟如下：選擇一個足夠短的采樣周期選擇一個足夠短的采樣周期T T，例如被控過程有純滯后，例如被控過程有純滯后(zh hu)(zh hu)時，采樣周期時，采樣周期T T取滯后取滯后(zh hu)(zh hu)時間的時間的1/101/10以下，以下，此時調(diào)節(jié)器只作純比例控制，給定值此時調(diào)節(jié)器只作純比例控制，給定值r r作階躍輸入。作階躍輸入。逐漸加大比例系數(shù)逐漸加大比例系數(shù)K

8、pKp，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。由臨界，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。由臨界振蕩過程求得相應(yīng)的臨界振蕩周期振蕩過程求得相應(yīng)的臨界振蕩周期TsTs，并記下此時的比例系，并記下此時的比例系數(shù)數(shù)KpKp，將其記作臨界振蕩增益，將其記作臨界振蕩增益KsKs。此時的比例度為臨界比例。此時的比例度為臨界比例度。度。選擇控制度。根據(jù)控制度，查表求出選擇控制度。根據(jù)控制度，查表求出T T、KpKp、TiTi和和TdTd值。值。按照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運行，觀察控制效果，再按照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運行，觀察控制效果，再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。 第六十

9、六頁，共97頁。67擴充臨界比例(bl)帶法參數(shù)速查表第六十七頁，共97頁。68擴充臨界比例(bl)帶法參數(shù)速查表（簡化）控制作用控制作用 比例度比例度 Ti TD P PI PIDk2 . 2k2k7 . 1%k125T. 0k85T. 0k50T. 0第六十八頁，共97頁。69擴充響應(yīng)(xingyng)曲線法擴充響應(yīng)曲線法是一種開環(huán)整定方法。如果可以得到被控對擴充響應(yīng)曲線法是一種開環(huán)整定方法。如果可以得到被控對象的動態(tài)特性曲線，那么就可以與模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定一樣象的動態(tài)特性曲線，那么就可以與模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定一樣(yyng)(yyng)，采用擴充響應(yīng)曲線法進行數(shù)字，采用擴充響應(yīng)曲線法進行數(shù)

10、字PIDPID的整定。其步驟的整定。其步驟如下：如下：（1 1）斷開數(shù)字控制器，使系統(tǒng)在手動狀態(tài)下工作。將被控）斷開數(shù)字控制器，使系統(tǒng)在手動狀態(tài)下工作。將被控量調(diào)節(jié)到給定值附近，當(dāng)達到平衡時，突然改變給定值，相當(dāng)量調(diào)節(jié)到給定值附近，當(dāng)達到平衡時，突然改變給定值，相當(dāng)給對象施加一個階躍輸入信號。給對象施加一個階躍輸入信號。（2 2）記錄被控量在此階躍作用下的變化過程曲線（即廣義）記錄被控量在此階躍作用下的變化過程曲線（即廣義對象的飛升特性曲線）。對象的飛升特性曲線）。第六十九頁，共97頁。70廣義對象的飛升(fi shn)特性曲線Tpty0第七十頁，共97頁。71擴充(kuchng)響應(yīng)曲線法（

11、3）根據(jù)飛升特性曲線，求得被控對象純滯后時間 和等效慣性時間常數(shù) ，以及它們的比值 。（4）由求得的 和 以及它們的比 ，選擇某一控制度，查表即可求得數(shù)字PID的整定參數(shù)的 值。（5）按求得的整定參數(shù)投入在投運中觀察控制效果，再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得(hud)滿意的控制效果。pT/pTpT/pTpidT KT T、 、 、第七十一頁，共97頁。72擴充響應(yīng)(xingyng)曲線法參數(shù)速查表第七十二頁，共97頁。73衰減(shui jin)曲線法選把過程控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器參數(shù)置成純比例作用選把過程控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器參數(shù)置成純比例作用（TI=TI=，TD=0TD=0）使系統(tǒng)投入運行。再把比例度）使系統(tǒng)

12、投入運行。再把比例度從大逐從大逐漸調(diào)小，直到漸調(diào)小，直到(zhdo)(zhdo)出現(xiàn)出現(xiàn)4 4：1 1衰減過程曲線。衰減過程曲線。此時的比例度為此時的比例度為4 4：1 1衰減比例度衰減比例度cc，兩個相鄰波峰間，兩個相鄰波峰間的時間間隔，稱為的時間間隔，稱為4 4：1 1衰退減振蕩周期衰退減振蕩周期TsTs。 第七十三頁，共97頁。74衰減(shui jin)曲線法第七十四頁，共97頁。75衰減曲線(qxin)法參數(shù)速查表控制作用控制作用 比例度比例度 Ti TD P PI PIDs2 . 1ss8 . 0%s1T. 0s5T. 0s3T. 0 P PI PIDs2 . 1ss8 . 0s4

13、T. 0s2Ts1.2T衰減率衰減率0.750.90第七十五頁，共97頁。76試湊法試湊法n只采用比例控制，Kp由小變大，若響應(yīng)時間、超調(diào)、靜差已達到要求，只采用比例調(diào)節(jié)即可。 n若靜差不滿足(mnz)，則加入積分控制，將Kp減小，例如取0.8Kp代替Kp，Ti由大到小，反復(fù)測試多組的Kp和Ti值，從中確定合適的參數(shù)。 n若動特性不滿足(mnz)，比如超調(diào)量過大，或調(diào)節(jié)時間過長，則加入微分控制，Td由小到大，逐步湊多組PID參數(shù)，從中找出一組最佳調(diào)節(jié)參數(shù)。 第七十六頁，共97頁。77采樣周期T的經(jīng)驗(jngyn)數(shù)據(jù)第七十七頁，共97頁。78 采樣PI控制原理(yunl)及參數(shù)整定方法采樣PI

14、控制原理采樣PI控制的類型采樣PI的參數(shù)(cnsh)整定方法第七十八頁，共97頁。79采樣PI控制(kngzh)原理采樣PI控制是一種針對大存滯后對象的實用控制算法，因為(yn wi)其控制結(jié)構(gòu)與一般PI控制相似，所以可以看作是PI控制的改進算法。它具有算法容易實現(xiàn)，不需要對系統(tǒng)進行辨識，魯棒性強的特點，所以適用于工業(yè)過程控制。采樣PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與一般PI控制系統(tǒng)比較，區(qū)別在于控制器的偏差輸入受一個周期性開關(guān)控制。第七十九頁，共97頁。80采樣(ci yn)PI控制原理acacaaTKTKTICKTICtKTICKTICCTKtTKTTKTtKTdtteTKdtteTKdtteTKdtteT

15、KteKtucaaaaa) 1()()()()()()(00第八十頁，共97頁。81采樣PI控制(kngzh)原理第八十一頁，共97頁。82采樣(ci yn)PI控制的類型1.保持控制輸出(shch)不變 2.保持積分部分不變第八十二頁，共97頁。83采樣PI控制的類型(lixng)比較n保持控制輸出不變保持控制輸出不變n該方法比例項只有閉環(huán)時間較長時有效；該方法比例項只有閉環(huán)時間較長時有效；n可以加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度。可以加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度。n保持積分部分不變保持積分部分不變n比例項的作用比例項的作用(zuyng)一直存在；一直存在；n比例項較大容易造成系統(tǒng)波動；比例項較大容易造成系統(tǒng)波動；n

16、抗干擾能力差（假如最后計算時有干擾信號，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)抗干擾能力差（假如最后計算時有干擾信號，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。）定。）n所以一般采用采樣所以一般采用采樣I控制?？刂?。第八十三頁，共97頁。84比例(bl)項在采樣PI中控制的作用第八十四頁，共97頁。85采樣(ci yn)PI的參數(shù)整定方法n采樣周期采樣周期(zhuq)的選擇的選擇n閉環(huán)時間的選擇閉環(huán)時間的選擇n比例增益的選擇比例增益的選擇n積分時間的選擇積分時間的選擇第八十五頁，共97頁。86采樣周期(zhuq)的選擇n采樣周期變小時，系統(tǒng)開環(huán)時間變短，當(dāng)采樣周期小到，系統(tǒng)即為常規(guī)的PI控制。n采樣周期變大時，系統(tǒng)開環(huán)時間變大，如果(rgu)開

17、環(huán)給定不是系統(tǒng)穩(wěn)定時的控制器輸出，就需要多個采樣周期系統(tǒng)方可達到穩(wěn)定，所以隨著采樣周期的增大，系統(tǒng)過渡時間就會變長。n采樣PI控制原理是“閉環(huán)計算控制器輸出，開環(huán)進行恒值控制”，其中閉環(huán)時間很短，開環(huán)時間較長。因為控制作用只能在純滯后時間后才能起作用，因為在給定控制起作用后一個對象時間常數(shù)后達到穩(wěn)態(tài)的63%，三個對象時間常數(shù)后達到穩(wěn)態(tài)的95%，所以采樣周期一般取TTa)31 (第八十六頁，共97頁。87閉環(huán)時間(shjin)的選擇nTcTc一方面決定閉環(huán)作用時間，另一方面影響控制一方面決定閉環(huán)作用時間，另一方面影響控制(kngzh)(kngzh)器的輸出。在采樣周期不變時，器的輸出。在采樣周期

18、不變時，TcTc變大，閉環(huán)時間變長，開變大，閉環(huán)時間變長，開環(huán)時間變短，增大到環(huán)時間變短，增大到TaTa，系統(tǒng)與常規(guī)，系統(tǒng)與常規(guī)PIPI控制控制(kngzh)(kngzh)閉環(huán)閉環(huán)控制控制(kngzh)(kngzh)系統(tǒng)相同。系統(tǒng)相同。n在在TcTc增大時，輸出積分作用增強，容易產(chǎn)生超調(diào)和振蕩；反增大時，輸出積分作用增強，容易產(chǎn)生超調(diào)和振蕩；反之，輸出積分作用減弱，系統(tǒng)過渡時間變長。之，輸出積分作用減弱，系統(tǒng)過渡時間變長。aT)2 . 01 . 0(第八十七頁，共97頁。88比例增益(zngy)的選擇比例系數(shù)的作用僅在閉環(huán)控制時間段，而閉環(huán)控制時間很短，所以(suy)比例系數(shù)對整個控制的作用相

19、對較小，但在閉環(huán)控制時間內(nèi)，過大的比例系數(shù)會引起控制量的超調(diào)和較大波動，對執(zhí)行機構(gòu)容易產(chǎn)生不良的影響，所以(suy)一般取值較小，也可以直接取零。 第八十八頁，共97頁。89積分(jfn)時間的選擇當(dāng)積分時間變小時，輸出積分作用增強(zngqing)，容易產(chǎn)生超調(diào)和振蕩；反之，輸出積分作用減弱，系統(tǒng)過渡時間變長。控制器的開環(huán)階段輸出僅由 決定，因此應(yīng)根據(jù)對系統(tǒng)響應(yīng)過程的要求來確定 的大小。例如，對象為 ，要求經(jīng)過一個采樣周期輸出達到穩(wěn)定值，一個閉環(huán)時間后控制輸出應(yīng)為 ，這時選擇采樣周期足夠大，即 ，則 。ITITspeTsKsG1)(K1TTa3PcIKTKT第八十九頁，共97頁。90PID算

20、法的實現(xiàn)(shxin)注意問題n輸入、設(shè)定(sh dn)、輸出標(biāo)準(zhǔn)化n計算公式中避免過大過小數(shù)據(jù)第九十頁，共97頁。91PID 西門子S7-200公式(gngsh)采用：Mn = Kc*（SPn-PVn） + Kc*Ts/Ti*（SPn-PVn）+MX + Kc*Td/Ts*（PVn-1-PVn）第九十一頁，共97頁。92PID的組合(zh)選擇n在許多控制系統(tǒng)中，有必要只應(yīng)用一種或兩種環(huán)路控制的方法。例如，可能在許多控制系統(tǒng)中，有必要只應(yīng)用一種或兩種環(huán)路控制的方法。例如，可能只需要比例控制或比例積分控制。選擇只需要比例控制或比例積分控制。選擇(xunz)期望的環(huán)路控制類型通過設(shè)期望的環(huán)路控制

21、類型通過設(shè)置常量參數(shù)的數(shù)值來進行。置常量參數(shù)的數(shù)值來進行。n如果不希望積分操作（在如果不希望積分操作（在PID計算中沒有計算中沒有“I”），那么應(yīng)為積分時間（重設(shè)），那么應(yīng)為積分時間（重設(shè)）指定數(shù)值無窮大指定數(shù)值無窮大“INF”。即使沒有積分操作，積分項的值可能不是零，因為。即使沒有積分操作，積分項的值可能不是零，因為有積分總和有積分總和MX的初始值。的初始值。n如果不希望微分操作（在如果不希望微分操作（在PID計算中沒有計算中沒有“D”），那么數(shù)值），那么數(shù)值0.0應(yīng)為微分時間應(yīng)為微分時間（速率）指定。（速率）指定。n如果不希望比例操作（在如果不希望比例操作（在PID計算中沒有計算中沒有“P

22、”），并且希望），并且希望I或或ID控制，那么控制，那么應(yīng)為增益指定數(shù)值應(yīng)為增益指定數(shù)值0.0。因為環(huán)路增益是公式中用于計算積分和微分項的一個。因為環(huán)路增益是公式中用于計算積分和微分項的一個因子，將環(huán)路增益設(shè)置為數(shù)值因子，將環(huán)路增益設(shè)置為數(shù)值0.0將導(dǎo)致在計算積分和微分項時數(shù)值將導(dǎo)致在計算積分和微分項時數(shù)值1.0用作環(huán)用作環(huán)路增益。路增益。第九十二頁，共97頁。93PID參數(shù)表PID算式中共包含9個參數(shù)，用于進行PID運算的控制。在執(zhí)行(zhxng)PID指令前，要建立一個PID參數(shù)表，格式如下：第九十三頁，共97頁。94應(yīng)用(yngyng)過程輸入模擬量的轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化信號(xnho)濾波處理

23、（例如湘鋼控制、侯馬皮帶秤）（要考慮信號(xnho)滯后、曲線光滑等因素，可以通過曲線觀察）PID運算無擾切換處理輸出模擬量轉(zhuǎn)換為工程實際值第九十四頁，共97頁。95YS-170中的PID算法(sun f)SV1 initial start value SV1初始值-6.3 to 106.3 (converted to %) Proportional band 1 比例帶12.0 to 999.9 Integral time 1 積分時間11 to 9999 Derivative time 1 微分時間10 to 9999*2 SV filter A-1 SV濾波參數(shù)A10.000 to 1.000 SV filter B-1 SV濾波參數(shù)B10.000 to 1.000 Non-linear gap 1 非線性間隙0.0 to 100.0 Non-linear gain 1 非線性增益0.000 to 1.000 PV1 high-limit alarm PV1上限-6.3 t