PID參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響

1、PID參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響當(dāng)控制方案確定以后，必須根據(jù)對(duì)象特性和對(duì)控制質(zhì)量的要求，選擇控制器的控制作用，從而確定出控制器的類型，最終使得控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量滿足工藝要求。為此必須了解控制作用對(duì)控制質(zhì)量的影響。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1 .比例作用（P）比例控制作用是最基本的控制規(guī)律。它能較快的克服擾動(dòng)影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)，但有余差.它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場(chǎng)合。比例控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響如下：對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響：比例控制參數(shù)Kc加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快；Kc偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；當(dāng)Kc太大時(shí)，系

2、統(tǒng)就會(huì)趨于不穩(wěn)定；若Kc太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。對(duì)穩(wěn)態(tài)性能的影響：加大比例控制系數(shù)Kc,在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差Ess,提高控制精度；但是加大Kc只是減少Ess,卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。2 .積分作用（I）積分控制通常與比例控制或微分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成PI控制或PID控制。其中PI控制規(guī)律是應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。積分能消除余差，適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場(chǎng)合，如某些流量、液位要求無(wú)余差的控制系統(tǒng)。積分控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)性能的影響如下：對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響：積分控制參數(shù)Ti通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性能下降。Ti太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定；Ti偏小，振蕩次數(shù)較多；Ti

3、太大，對(duì)系統(tǒng)性能的影響減少；Ti合適時(shí)，過(guò)渡特性比較理想。對(duì)穩(wěn)態(tài)性能的影響：積分控制參數(shù)能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。3 .微分作用（D）微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性，如超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。但是，如果微分時(shí)間常數(shù)Td太大，這時(shí)即使偏差變化速度不是很大，但因微分作用太強(qiáng)而使控制器的輸出發(fā)生很大變化，嚴(yán)重影響控制質(zhì)量和安全生產(chǎn)。在純比例作用基礎(chǔ)之上加上微分作用，構(gòu)成PD控制，可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分時(shí)間常數(shù)越大，微分作用越強(qiáng)。由于微分作用時(shí)是按偏差變化速度來(lái)工作的，因而對(duì)于克服對(duì)象得容量滯后有明顯的作用。對(duì)于控制通道的時(shí)間常數(shù)或容

4、量滯后較大的場(chǎng)合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。當(dāng)控制要求較高時(shí)，微分控制又可以與比例積分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成PID控制。PID控制是一種最理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是：調(diào)節(jié)器PID控制規(guī)律是要根據(jù)過(guò)程特性和工藝要求來(lái)選取的，決不是說(shuō)PID控制規(guī)律具有較好的控制性能，可以不分場(chǎng)合的選用，如果這樣，會(huì)給其他工作增加復(fù)雜性，并帶來(lái)困難（如參數(shù)整定）控制器參數(shù)的工程整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，是指調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kc、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)Td的確定。整定的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過(guò)

5、程特性相匹配，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，取得最佳的控制效果。PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，可以用理論方法，也可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。用理論方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的前提是要有被控對(duì)象的準(zhǔn)確模型。這在工業(yè)過(guò)程中一般較難做到，即使花了很大代價(jià)進(jìn)行系統(tǒng)的辨識(shí)，所得的模型也只是近似的；加上系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)都在隨時(shí)間變化，在近似模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的最優(yōu)控制器在實(shí)際過(guò)程中就很難說(shuō)是最優(yōu)的。因此，在工程上PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)常常通過(guò)工程整定方法來(lái)確定。工程整定方法有現(xiàn)場(chǎng)湊試法、過(guò)渡過(guò)程響應(yīng)法、擴(kuò)充臨界比例度法、參數(shù)歸一法和參數(shù)尋優(yōu)法等。下面介紹幾種常用的工程整定方法。1.現(xiàn)場(chǎng)湊試法湊試法也叫經(jīng)驗(yàn)法，是通過(guò)模擬或閉環(huán)運(yùn)行（如果允許的話）觀察

6、系統(tǒng)的響應(yīng)曲線（例如階躍響應(yīng)），然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，從而確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)，具體整定步驟如下：置調(diào)節(jié)器積分時(shí)間Ti=oo,微分時(shí)間Td=0,在比例度6（6=1/Kc）按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置初值的條件下，將系統(tǒng)投入運(yùn)行，整定比力度。若曲線振蕩頻繁，則加大比例度；若曲線超調(diào)量大，且趨于非周期過(guò)程，則減小比例度，得到滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線引入積分作用(此時(shí)應(yīng)將比例度加大1.2倍)。將Ti由大到小進(jìn)行整定。若曲線波動(dòng)較大，則應(yīng)增大積分時(shí)間常數(shù)；若曲線偏離給定值時(shí)間，長(zhǎng)時(shí)間回不來(lái)，則需減小，以得到理想的過(guò)渡過(guò)程曲線。若需引入微分作用時(shí)，則將Td按經(jīng)驗(yàn)或按Td=(1/31

7、/4)Ti設(shè)置，并由小到大加入。若曲線超調(diào)量大而衰減慢，則需增大Td；若曲線振蕩厲害，則應(yīng)減小Td。反復(fù)調(diào)試，直到得到理想的曲線。2 .擴(kuò)充臨界比例度法：這是一種基于系統(tǒng)臨界震蕩參數(shù)的閉環(huán)整定方法，實(shí)質(zhì)是模擬調(diào)節(jié)器中采用的穩(wěn)定邊界法的推廣。在閉環(huán)控制系統(tǒng)里，將調(diào)節(jié)器置于純比例作用下，從小到大逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例值，得到等幅振蕩的過(guò)渡過(guò)程。此時(shí)的比例值稱為臨界比例值Kp,相鄰兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔，稱為臨界振蕩周期TK,如圖3.8所示。求得KP和TK后，根據(jù)臨界振蕩整定計(jì)算公式就可確定PID參數(shù)。y(k)圖3-1實(shí)驗(yàn)曲線應(yīng)用臨界比例度法應(yīng)注意，當(dāng)調(diào)節(jié)器比例度調(diào)到最小值時(shí)，若系統(tǒng)仍不能等幅振蕩，就把最小的比例度作為臨界比例度進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。臨界比例度法不是操作經(jīng)驗(yàn)的簡(jiǎn)單總結(jié)，而是符合控制理論中的邊界穩(wěn)定條件的，是有理論依據(jù)的。3 .過(guò)渡過(guò)程響應(yīng)法：將被控對(duì)象近似為帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。通過(guò)開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得系統(tǒng)單位響應(yīng)階躍曲線，可確定純滯后時(shí)間工和時(shí)間常數(shù)T,近而根據(jù)整定公式間確定PID參數(shù)。利用響應(yīng)曲線的調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法對(duì)于不確切知道廣義過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的階數(shù)或參數(shù)值的情況下特別有用，因?yàn)槠漤憫?yīng)曲線揭示了全部動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)（被控過(guò)程，測(cè)量變送器和調(diào)節(jié)閥等），并能提供廣義過(guò)程的實(shí)驗(yàn)近似模型。4 .參數(shù)歸一法：為了減少參數(shù)個(gè)數(shù)，人為的假定了一些約束條件。這樣確定了某一個(gè)參數(shù)，其他參數(shù)就隨之而定