PID控制器及參數(shù)調(diào)節(jié)

2023/2/41PID控制器及參數(shù)調(diào)節(jié)王卓

房間：A樓608

電話：3873 E-mail：zwang@2023/2/42內(nèi)容常見PID算法PID控制器工業(yè)規(guī)范PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)PID參數(shù)調(diào)節(jié)商業(yè)化產(chǎn)品作業(yè)2023/2/431、常見PID算法PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。理想PID算式：

2023/2/441、常見PID算法PID離散近似：

2023/2/451、常見PID算法位置式

PID：

2023/2/461、常見PID算法增量式PID：

2023/2/471、常見PID算法速度型（增量輸出與采樣周期之比）PID：

2023/2/481、常見PID算法積分分離PID：

取消積分作用引入積分作用2023/2/491、常見PID算法帶不靈敏區(qū)的PID：

2023/2/4101、常見PID算法微分先行PID：

2023/2/4111、常見PID算法傳統(tǒng)PID控制器根據(jù)偏差決定控制信號，然后控制信號輸出作用到過程。這類控制器產(chǎn)生的控制作用是偏差的函數(shù)，它跟蹤設(shè)定值的能力強(qiáng)，但克服擾動影響的性能差！在微分先行PID控制器中，微分控制分量是過程輸出的函數(shù)，這樣在改變設(shè)定值時(shí)，控制器的輸出不至于有太大的劇變。為了使克服擾動的性能更強(qiáng)，有人提出除積分分量外都是y的函數(shù)二自由度PID2023/2/4121、常見PID算法二自由度PID：

b和c可在0~1范圍內(nèi)調(diào)整。當(dāng)b=1，c=1時(shí)，就成為單純PID；當(dāng)b=0，c=0時(shí)，成為I-PD控制器；當(dāng)b=1，c=0時(shí)，就成為PI-D控制器，或稱微分先行PID。

2023/2/4131、常見PID算法二自由度PID：

2023/2/4142、PID控制器工業(yè)規(guī)范PID控制器為無單位設(shè)備算法類型（要求位置式算法，不要增量式）：

串行

并行

2023/2/4152、PID控制器工業(yè)規(guī)范采樣與采樣時(shí)間：采樣頻率高于10Hz，并在采樣周期內(nèi)取平均值比例帶P或增益KcKc=100/P 0.01~100P=100/Kc 1~100002023/2/4162、PID控制器工業(yè)規(guī)范積分（應(yīng)用于偏差）：I:0.002~1000分鐘必須考慮抗積分飽和比例帶P或增益Kc微分動作（應(yīng)用于過程變量）與濾波器：D:0~500分鐘應(yīng)同時(shí)插入濾波器，濾波器時(shí)間常數(shù)通常為微分時(shí)間的1/8~1/102023/2/4172、PID控制器工業(yè)規(guī)范2023/2/4182、PID控制器工業(yè)規(guī)范死區(qū)補(bǔ)償：通過在積分反饋路徑上插入死區(qū)功能塊死區(qū)時(shí)間：0～500分鐘手動自動無擾切換（bumplesstransfer）

2023/2/4193、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)目標(biāo)

：設(shè)定值跟蹤（操作條件變化）抑制擾動（擾動不確定性）魯棒性（針對模型失配）性能指標(biāo)

：單項(xiàng)——1）衰減比；2）超調(diào)量；3）上升時(shí)間；4）穩(wěn)定時(shí)間；5）靜差

綜合——1）ISE；2）IAE；3）ITAE2023/2/4203、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)動機(jī)：不同的參數(shù)設(shè)定影響控制效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性2023/2/4213、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)使用的模型：一階慣性環(huán)節(jié)

一階慣性環(huán)節(jié)

＋死區(qū)

一階慣性環(huán)節(jié)

＋積分環(huán)節(jié)二階慣性環(huán)節(jié)

二階慣性環(huán)節(jié)＋死區(qū)

二階慣性環(huán)節(jié)＋積分環(huán)節(jié)其他2023/2/4223、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)方法

：頻域法時(shí)域法智能方法經(jīng)驗(yàn)法2023/2/4233、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－頻域法原理以圖和幅值閾度和相位閾度說明2023/2/424臨界增益與臨界頻率2023/2/4253、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－頻域法臨界比例帶法(Z-N,Ziegler-Nichols)：臨界比例帶：當(dāng)只有比例常數(shù)P，增大P至輸出等幅振蕩此時(shí)臨界增益=P并觀察到振蕩周期

2023/2/4263、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－頻域法臨界比例帶法(Z-N,Ziegler-Nichols)：KpTiTdPID0.6Ku0.5Tc0.125TcPI0.45Ku0.85TcP0.5Ku2023/2/4273、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－頻域法改進(jìn)Z-N方法：需要更多先驗(yàn)知識：Z-N方法只需要Ku和Tu，而改進(jìn)Z-N方法還需要知道過程的K，T和tau2023/2/4283、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－頻域法改進(jìn)Z-N方法：規(guī)范化時(shí)滯時(shí)間：規(guī)范化過程增益：k，近似用表示：2023/2/4293、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－頻域法在改進(jìn)Z-N方法，實(shí)際PID算式的設(shè)定值項(xiàng)增加了加權(quán)系數(shù)，可寫為：為加權(quán)因子，一般取0<<1，當(dāng)＝1時(shí)即為標(biāo)準(zhǔn)的PID結(jié)構(gòu)。的引入給系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)提供了一個(gè)調(diào)整零點(diǎn)的途徑，這樣就可以影響超調(diào)量。2023/2/4303、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－頻域法改進(jìn)Z-N方法—參數(shù)計(jì)算：當(dāng)2.25<k<15時(shí)，針對PID控制器有當(dāng)k>15時(shí)，已經(jīng)不起多大作用，這時(shí)的過程對象實(shí)際就是低階系統(tǒng)對應(yīng)超調(diào)：10%對應(yīng)超調(diào)：20%2023/2/4313、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－頻域法改進(jìn)Z-N方法—參數(shù)計(jì)算：當(dāng)1.5<k<2.25時(shí)，小于1的仍然需要，并且PID控制器中的積分時(shí)間常數(shù)需要修正針對PI控制器，當(dāng)1.2<k<15時(shí)，一般加權(quán)因子＝1，但控制器的參數(shù)需要修正如下2023/2/4323、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－頻域法改進(jìn)Z-N方法步驟：取廣義對象為標(biāo)準(zhǔn)形式：按Z-N方法求出Ku和Tu計(jì)算RZN方法的兩個(gè)特性參數(shù)k和按不同范圍取整定公式2023/2/4333、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－經(jīng)驗(yàn)法口訣：整定參數(shù)尋最佳，從小到大依次查；先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例帶盤要放大；曲線飄浮繞大彎，比例帶盤往小扳。曲線偏離恢復(fù)慢，積分時(shí)間往下降；曲線波動周期長，積分時(shí)間再加長；過渡時(shí)間要加速，微分時(shí)間要加長，微分時(shí)間不宜小，太大反而要惡化；理想曲線兩個(gè)波，調(diào)節(jié)質(zhì)量可認(rèn)可。

經(jīng)驗(yàn)公式：

2023/2/4343、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－智能法基于模糊理論的方法基于專家系統(tǒng)的方法基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法基于遺傳算法的方法2023/2/4353、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－自整定自整定過程三個(gè)步驟：過程擾動的產(chǎn)生；擾動響應(yīng)的評估；控制器參數(shù)的計(jì)算。

自整定方法分類：基于頻域的自整定方法基于時(shí)域的整定方法智能整定方法2023/2/4363、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－自整定梆梆控制＋PID參數(shù)自整定：

2023/2/4373、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－自整定梆梆控制＋PID參數(shù)自整定：

切換時(shí)間：2023/2/4383、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－自整定梆梆控制＋PID參數(shù)自整定辨識算法：

寫成矩陣形式為

，其中：

2023/2/4393、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－自整定梆梆控制＋PID參數(shù)自整定辨識算法：

最小二乘最優(yōu)解：設(shè)，有則2023/2/4403、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－自整定梆梆控制＋PID參數(shù)自整定辨識算法：

遞推算法：T為采樣周期2023/2/4413、PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)－自整定梆梆控制＋PID參數(shù)自整定辨識算法：

參數(shù)整定： delta=Kp*(0.1237+0.4325*(tau/Tp-0.1)); //比例帶

Ti=Tp*(0.2226+0.8388*(tau/Tp-0.1)); //Reset Td=Tp*(0.0417+0.3317*(tau/Tp-0.1)); //Rate

2023/2/4424、PID參數(shù)調(diào)節(jié)商業(yè)軟件80年代開始出現(xiàn)商業(yè)化產(chǎn)品,原因是一方面近年來的微電子技術(shù)的發(fā)展使得加入自整定所需要代碼的成本趨于合理；大專院校在自整定方面的研究興趣也才剛剛開始，大多數(shù)學(xué)者以前把主要精力都投入到相關(guān)的、但卻比較困難的自適應(yīng)控制上。2023/2/4434、PID參數(shù)調(diào)節(jié)商業(yè)軟件國際上已經(jīng)出現(xiàn)許多商業(yè)產(chǎn)品：FoxboroEXACT(760/761)，它采用階躍響應(yīng)分析和模式識別技術(shù)再加上啟發(fā)式規(guī)則進(jìn)行參數(shù)調(diào)整；

AlfaLavalAutomationECA400控制器，它采用繼電反饋和基于模型的整定方法；

HoneywellUDC6000控制器，它采用階躍響應(yīng)分析和一個(gè)規(guī)則庫來調(diào)整參數(shù)；

YokogawaSLPC-181/281，它采用階躍響應(yīng)分析和基于模型的整定方法。2023/2/4444、PID參數(shù)調(diào)節(jié)商業(yè)軟件國際上已經(jīng)出現(xiàn)許多商業(yè)產(chǎn)品：IntelligentTuner，它是Fisher-Rosemount公司用在分散控制系統(tǒng)中的一個(gè)軟件包；Looptune，它是Honeywell公司DCS系統(tǒng)TDC3000中的整定軟件包；DCSTuner，它是ABBMaster系統(tǒng)中整定控制器的一個(gè)軟件包。ExperTune，獨(dú)立PID參數(shù)調(diào)節(jié)軟件包InTune,ControlSoft產(chǎn)品，并被多家DCS廠商OEM

2023/2/445科大AtLoop2023/2/446AutoTune軟件功能概述：OPCclient與現(xiàn)場的OPCServer通過通信；數(shù)據(jù)處理、離線辨識、控制器設(shè)計(jì)算法設(shè)計(jì)；在線繼電器整定試驗(yàn)和階越響應(yīng)試驗(yàn)；數(shù)據(jù)庫功能，保存歷史數(shù)據(jù)；圖形界面設(shè)計(jì)；2023/2/447AutoTune的使用舉一例子第一步2023/2/448A