PID控制器的參數(shù)整定(經(jīng)驗(yàn)總結(jié))4935

PID控制器的參數(shù)整定(經(jīng)驗(yàn)總結(jié))LT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(dāng)環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)能保持穩(wěn)定，等等。這些要求，對(duì)控制系統(tǒng)自身性能來(lái)說(shuō)，有些是矛盾的。我們必須滿(mǎn)足主要的方面的要求，兼顧其他方面，適當(dāng)?shù)卣壑蕴幚?。PID控制器的參數(shù)整定，可以不依賴(lài)于受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。工程上，PID控制器的參數(shù)常常是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，通過(guò)試湊，或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定。常用的方法，采樣周期選擇，實(shí)驗(yàn)湊試法實(shí)驗(yàn)湊試法是通過(guò)閉環(huán)運(yùn)行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)，然后根據(jù)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿(mǎn)意的響應(yīng)，從而確定PID控制參數(shù)。整定步驟實(shí)驗(yàn)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(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線(xiàn)。（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(mǎn)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(lái)的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線(xiàn)。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿(mǎn)意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。（3）整定微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過(guò)步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿(mǎn)意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿(mǎn)意的控制效果和PID控制參數(shù)。實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法擴(kuò)充臨界比例度法實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法調(diào)整PID參數(shù)的方法中較常用的是擴(kuò)充臨界比例度法,其最大的優(yōu)點(diǎn)是，參數(shù)的整定不依賴(lài)受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，直接在現(xiàn)場(chǎng)整定、簡(jiǎn)單易行。擴(kuò)充比例度法適用于有自平衡特性的受控對(duì)象，是對(duì)連續(xù)-時(shí)間PID控制器參數(shù)整定的臨界比例度法的擴(kuò)充。整定步驟擴(kuò)充比例度法整定數(shù)字PID控制器參數(shù)的步驟是：（1）預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期TS。一般說(shuō)TS應(yīng)小于受控對(duì)象純延遲時(shí)間的十分之一。（2）用選定的TS使系統(tǒng)工作。這時(shí)去掉積分作用和微分作用，將控制選擇為純比例控制器，構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)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(duì)輸入的階躍信號(hào)的響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩（穩(wěn)定邊緣），將這時(shí)的比例放大系數(shù)記為Kr,臨界振蕩周期記為T(mén)r。（3）選擇控制度。控制度，就是以連續(xù)-時(shí)間PID控制器為基準(zhǔn)，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(píng)價(jià)函數(shù)。定義控制度采樣周期TS的長(zhǎng)短會(huì)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(shí)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(yīng)的采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的品質(zhì)越差?？刂贫鹊倪x擇要從所設(shè)計(jì)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(yīng)的參數(shù)TS,KP,TI和TD。（5）運(yùn)行與修正。將求得的各參數(shù)值加入PID控制器,閉環(huán)運(yùn)行,觀察控制效果,并作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以獲得比較滿(mǎn)意的效果。②方法二2.3PID參數(shù)整定方法2.3.1工程整定PID數(shù)字調(diào)周期T。法Kp，積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td外，還有1個(gè)重要參數(shù)節(jié)器的參數(shù)，除了比例系數(shù)即采樣1．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(duì)于控制器，由于是依靠偏差信號(hào)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算的，當(dāng)采樣周期T太小，差。因此采樣周期T必須綜合考慮偏差信號(hào)也會(huì)過(guò)小，此時(shí)計(jì)算機(jī)將失去調(diào)節(jié)作用；若采樣周期T太長(zhǎng)，則將引起誤。采樣周期的選擇方法有兩種，一種是計(jì)算法，另一種是經(jīng)驗(yàn)法。計(jì)算法由于比較復(fù)雜，特別是被控對(duì)象各環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)難以確定，工程上較少用。經(jīng)驗(yàn)法是一種湊試個(gè)采樣周期T，進(jìn)行試驗(yàn)，法，即根據(jù)人們?cè)诳刂乒ぷ鲗?shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)以及被控對(duì)象的特點(diǎn)，先選擇一再反復(fù)改變T，直到滿(mǎn)意為止。2．Kp，Ti，Td的選擇方法1）擴(kuò)充臨界比例度法擴(kuò)充臨界比例度法是簡(jiǎn)易工程整定方法之一，用它整定K，Ti，Td的步驟如下。p選擇最短采樣周期Tmin，求出臨界比例度S和臨界振蕩周期Tu。具體方法是將T輸入計(jì)算機(jī)，umin只有P環(huán)節(jié)控制，逐漸縮小比例度，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩。此時(shí)的比例度即為臨界比例度S，振蕩周u表2-1擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù)表參數(shù)控制度控制規(guī)律TKpTiTdPI0.03Tu0.014Tu0.53Su0.63Su0.88Tu0.49Tu/1.051.2PID0.14TuPI0.05Tu0.43Tu0.49Su0.47Su0.91Tu0.47Tu/PID0.16TuPI0.14Tu0.09Tu0.42Su0.34Su0.99Tu0.43Tu/1.5PID0.20TuPI0.22Tu0.16Tu0.36Su0.27Su1.05Tu0.4Tu/2.0PID0.22Tu2）擴(kuò)充響應(yīng)曲線(xiàn)法若已知系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)，可以采用和模擬調(diào)節(jié)方法一樣的響應(yīng)曲線(xiàn)法進(jìn)行整定，其步驟如下。斷開(kāi)微機(jī)調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)手動(dòng)工作，當(dāng)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(guò)程曲線(xiàn)。如圖2-12所示。圖2-12階躍信號(hào)下的曲線(xiàn)動(dòng)畫(huà)講解圖片說(shuō)明在曲線(xiàn)最大斜率處做切線(xiàn)，求得滯后時(shí)間t，對(duì)象時(shí)間常數(shù)τ以及它們的比值τ/t。根據(jù)所求得的τ，t和τ/t值，查表2-2求得值Kp，Ti，Td。表2-2擴(kuò)充響應(yīng)曲線(xiàn)法整定參數(shù)表參數(shù)控制度TKpTiTdPI0.1t0.84τ/t1.15τ/t0.34t2.0t/1.051.2PID0.05t0.45tPI0.2t0.78τ/t1.0τ/t3.6t1.9t/PID0.15t0.55tPI0.50t0.34t0.68τ/t0.85τ/t3.9t/1.5PID1.62t0.65tPI0.8t0.6t0.57τ/t0.6τ/t4.2t1.5t/t2.0PID2.3.2經(jīng)驗(yàn)法在實(shí)際工作過(guò)程中，由于被調(diào)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性不是很容易確定，即使確定了，不僅計(jì)算困難，工作量大，往往其結(jié)果與實(shí)際相差較大，甚至事倍功半。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中采用的是經(jīng)驗(yàn)法。即根據(jù)各調(diào)節(jié)作用的規(guī)律，經(jīng)過(guò)閉環(huán)試驗(yàn)，反復(fù)湊試，找出最佳調(diào)節(jié)參數(shù)。微機(jī)調(diào)速器參數(shù)最終要在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)好后，才能選出最優(yōu)參數(shù)。廠家有規(guī)定的參考值，有一個(gè)范圍，是理論計(jì)算出來(lái)的。因此要選擇出最優(yōu)參數(shù)，就必須在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)做記錄曲線(xiàn)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(guò)模擬（或閉環(huán)）運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)（例如，階躍響應(yīng)）曲線(xiàn)，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(mǎn)意的響應(yīng)，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(yīng)，這有利于減小靜差。但過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)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)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但對(duì)于干擾信號(hào)的抑制能力將減弱。在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)分析控制過(guò)程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)進(jìn)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(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線(xiàn)。如果系統(tǒng)沒(méi)有靜差或靜差小到允許的范圍之內(nèi)，并且響應(yīng)曲線(xiàn)已屬滿(mǎn)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(dāng)僅調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)器參數(shù)，系統(tǒng)的靜差還達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)，首先置積分常數(shù)Ti為一個(gè)較大值，經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)會(huì)略為縮?。ㄈ鐪p小20%），然后減小積分常數(shù)，使系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過(guò)程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線(xiàn)的好壞反復(fù)修改比例系數(shù)和積分常數(shù)，直至得到滿(mǎn)意的效果和相應(yīng)的參數(shù)。若使用比例積分器，能消除靜差，但動(dòng)態(tài)過(guò)程經(jīng)反復(fù)調(diào)整后仍達(dá)不到要求，這時(shí)可加入微分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)，先置微分常數(shù)Td為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大Td，同時(shí)相應(yīng)地改變K和Ti，逐步湊p試，以獲得滿(mǎn)意的調(diào)節(jié)效果和參數(shù)。應(yīng)該指出，在整定中參數(shù)的選定從應(yīng)用角度來(lái)看，只要被控制過(guò)程的主要性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要表2-3給出了一些常見(jiàn)的調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇范圍。不是惟一的。事實(shí)上，比例、積分和微分三部分作用是相互影響的。了。求，那么比例、積分和微分參數(shù)也就確定表2-3常見(jiàn)被調(diào)量PID參數(shù)經(jīng)驗(yàn)選擇范圍參數(shù)被調(diào)量特點(diǎn)Ti/minTd/minKp時(shí)間常數(shù)小，并有噪聲，故Kp比較小，Ti1～2.50.1～1較小，不用微分流量溫度對(duì)象有較大滯后，常用微分1.6～53～100.5～31.4～3.50.4～31.25～5壓力液位對(duì)象的滯后不大，不用微分允許有靜差時(shí)，不用積分和微分（3）總結(jié)PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：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(guò)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(guò)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(lài)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，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線(xiàn)法和衰減法?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)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(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)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(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。PID參數(shù)的設(shè)定：是靠經(jīng)驗(yàn)及工藝的熟悉，參而調(diào)整P\I\D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(yàn)數(shù)據(jù)以下可參照：考測(cè)量值跟蹤與設(shè)定值曲線(xiàn)，從溫度T:P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s壓力P:P=30~70%