PID整定方法

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个人总结的,希望有所帮助,都是平时搜索到的,然后整理的干货

1.在不发生震荡时,增大比例系数,减小积分时间(增大积分系数)。

超调过大,则增大积分时间(减小积分系数)。若想加快响应速度则可减小积分时间(增大积分系数)。

2.确定PI系数

确定比例系数Kp,令积分时间为0,输入设定为系统最大值的60%-70%,比例系数逐渐增大,直至出现震荡,而后减小比例系数,直至震荡消失,记录此时的值,则设定值为该值的60%-70%。

确定积分系数Ki,设定一个较大的积分时间(即较小的积分系数),而后逐渐减小直至系统出现震荡,而后再继续逐渐增大积分时间(减小积分系数),直至震荡消失,设定积分时间为当前值的150%-180%。

(PS:积分系数和积分时间要注意,网上常见的位置式PID控制,积分量都是采用误差累计,这个时候是经过简化的PID,积分已经是积分系数不是积分时间,所以zaizh再整定时要注意积分系数从小往大调)

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3.PID整定口诀

参数整定找最佳,从小到大顺序查

先是比例后积分,最后再把微分加

曲线振荡很频繁,比例度盘要放大

曲线漂浮绕大弯,比例度盘往小扳

曲线偏离回复慢,积分时间要下降

曲线波动周期长,积分时间要加长

曲线震荡频率快,先把微分降下来

动差大来波动慢,微分时间要加长

理想曲线两个波,前高后低4比1

一看二调多分析,调节质量不会低。

(以上为网上新传的口诀)

参数整定找最佳,从大到小顺次查

先是比例后积分,最后再把微分加

曲线震荡很频繁,比例度盘要放大

曲线漂浮绕大弯,比例度盘往小扳

曲线偏离回复慢,积分时间往下降

曲线波动周期长,积分时间要加长

理想曲线两个波,调节过程高质量

解释:

控制系统在设计、正定和运行中,衡量系统质量的依据就是系统的过渡过程。当系统的输入为阶跃变化时,系统的过渡过程表现为:发散震荡,灯幅震荡,衰减震荡,单调过程等形式,多数情况下,人们都希望看到衰减震荡过程,且认为下图所示的过渡过程最好,并将其作为衡量控制系统质量的依据。

图 1 最佳衰减震荡

如图 1,其可作为控制系统质量指标的理由是:其第一次恢复到给定值时较快,而后虽然又偏离了,但是偏离不大,且只有极少数几次震荡就能稳定下来。量上分析,第一个波峰B的高度为第二个波峰B

*

的4倍,故而这种曲线又称为4:1衰减曲线,在控制器工程整定时,以能得到4:1的衰减过程为最好,这是的调节器参数可称为最佳参数。

“参数整定找最佳,从小到大顺序查”

在现场调试器工程参数整定中,如果只按4:1衰减比进行整定,那么可以有很多对的比例度和积分时间同样满足4:1的衰减比,但是这些对的数值并不是任意的组合,而是成对的,一定的比例度必须与一定的积分时间组成一对,才能满足衰减比的条件,改变其中之一,另一个也要随之改变。因为是成对出现的,所以才有调节器参数的“匹配”问题。而在实际应用中只有附加一个条件,才能从多对数值中选出一对适合的数值。这一对适合的数值通常称为满足该添加条件的“最佳整定值”。“从大到小顺次查”中的“查”的意思就是找到调节器参数的最佳匹配值。而“从大到小顺次查”是说在具体操作时,先把比例度、积分时间防至最大位置,把微分时间调至为零。因为我们需要的是衰减震荡的过渡过程,并避免出现其他的震荡过程,在整定初期,把比例度放至最大位置,目的是减小调节器的放大倍数。而积分放至最大位置,目的是先把积分作用取消。把微分时间调至零也是把微分作用取消。“从大到小……”就是从大到小改变比例度或积分时间刻度,实质是慢慢的增加比例作用或积分作用的放大倍数。也就是慢慢的增加比例或积分作用的影响,避免系统出现大的震荡。最后再根据系统实际情况决定是否使用微分作用。

“先是比例后积分,最后再把微分加”

这句话是经验的整定步骤,比例作用的最基本的调节作用,口诀说的“先是比例后积分”,目的是简化调节器的参数整定,即先把积分作用取消和弱化,待系统较稳定后再投运积分作用,尤其是新安装的控制系统,对系统特性不了解时,我们要做的是先把积分作用取消,待调整好比例度,使控制系统大致稳定以后,再加入积分作用。对于比例控制系统,如果规定4:1的衰减过渡过程,则只有一个比例度能够满足这一规定,而其他的任何比例度都不可能使过渡过程的衰减比为4:1。因此,对比例控制系统只要找到能满足4:1衰减比时的比例度就行了。

在调好比例控制的基础上再加入积分作用,但积分会降低过渡过程的衰减比,则系统的稳定程度也会降低。为了保持系统的稳定程度,可增大调节器的比例度,即减小调节器的放大倍数。在实际工程中往往在整定中投入积分作用后,要把比例度增大约20%。其实质就是个比例度和积分时间数值的匹配问题,在一定范围内比例度的减小,是可以用增加积分时间的方法来补偿的,但是也要看到比例作用和积分作用是互为影响的,如果设置的比例度过大,即便积分时间恰当,系统控制效果仍然会不佳。

“曲线震荡很频繁,比例度盘要放大”

说的是比例度过小时,会产生周期较短的激烈震荡,且震荡衰减很慢,严重时甚至会成为发散震荡,如图 2所示,这是就要调大比例度,使曲线平缓下来。

图 2 曲线震荡频繁

“曲线篇幅绕大弯,比例度盘往小扳”

比例度过大时会使过渡时间过大,使被调参数变化缓慢,即记录曲线偏离给定幅值较大,时间较长,这时曲线波动较大且变换无规则,形状像绕大弯式的变化,如图所示,此时就要减小比例度,使余差尽量小。

图 3 比例度过大时的过渡过程曲线

“曲线偏离回复慢,积分时间往下降。曲线波动周期长,积分时间再加长”

当积分时间太长时,会使曲线非周期地慢慢地回复到给定值,即“曲线偏离回复慢”,则应减小积分时间,如图 4所示。当积分时间太短时,会使曲线震荡周期较长,且衰减很慢,即“曲线波动周期长”,如图 5所示,则应加长积分时间。

图 4 积分时间过程的过渡过程曲线

图 5 积分时间过短

调节器的参数按照比例积分作用整定好后,可在积分时间的0.2-0.5倍范围内调整微分时间。即“最后再把微分加”由于微分作用会增强系统的稳定性,故采用微分作用后,调节器的比例度可以适当地增大一些,一般以增大0.2为宜。微分作用主要用于滞后和惯性较大的场合,由于微分作用具有超前调解的功能,当系统有较大滞后和较大惯性的情况下,才应启用微分作用。

注意:

有几个地方需要注意:

Ø 口诀是仪表实际工作的总结,但由于历史的原因,当时仪表工所接触的大多是气动调节仪表,最早的是04型基地式气动调节仪表,后来是气动单元组合仪表,七十年代初期电动仪表在工厂的应用也是很有限的。气动仪表调比例度就是改变一个针型阀门的开度,为便于观察阀门的开度,阀门手柄上有个等分刻度盘;电动仪表调的是电位器,同样也有一个等分刻度盘;这就是口诀中的“比例刻度盘”,但是实际工程中采用比例Kp和积分Ki系数较多,该比例度同Kp成反比,前文所述的积分时间同Ki成反比。

3.摘自《自动控制的故事》

连续控制和PID

无级可调或连续可调的空调机可以精确控制温度,但开关控制不能再用了。家用空调机中,连续可调的不占多数,但冲热水淋浴是一个典型的连续控制问题,因为水龙头可以连续调节水的流量。冲淋浴时,假定冷水龙头不变,只调节热水。那温度高了,热水关小一点;温度低了,热水开打一点。换句话说,控制作用应该向减少控制偏差的方向变化,也就是所谓负反馈。控制方向对了,还有一个控制量的问题。温度高了1度,热水该关小多少呢?

经验告诉我们,根据具体的龙头和水压,温度高1度,热水需要关小一定的量,比如说,关小一格。换句话说,控制量和控制偏差成比例关系,这就是经典的比例控制规律:控制量=比例控制增益*控制偏差,偏差越大,控制量越大。控制偏差就是实际测量值和设定值或目标值之差。在比例控制规律下,偏差反向,控制量也反向。也就是说,如果淋浴水温要求为40度,实际水温高于40度时,热水龙头向关闭的方向变化;实际水温低于40度时,热水龙头向开启的方向变化。

但是比例控制规律并不能保证水温能够精确达到40度。在实际生活中,人们这时对热水龙头作微调,只要水温还不合适,就一点一点地调节,直到水温合适为止。这种只要控制偏差不消失就渐进微调的控制规律,在控制里叫积分控制规律,因为控制量和控制偏差在时间上的累积成正比,其比例因子就称为积分控制增益。工业上常用积分控制增益的倒数,称其为积分时间常数,其物理意义是偏差恒定时,控制量加倍所需的时间。这里要注意的是,控制偏差有正有负,全看实际测量值是大于还是小于设定值,所以只要控制系统是稳定的,也就是实际测量值最终会稳定在设定值上,控制偏差的累积不会是无穷大的。这里再啰嗦一遍,积分控制的基本作用是消除控制偏差的余差(也叫残差)。

比例和积分控制规律可以应付很大一类控制问题,但不是没有改进余地的。如果水管水温快速变化,人们会根据水温的变化调节热水龙头:水温升高,热水龙头向关闭方向变化,升温越快,开启越多;水温降低,热水龙头向开启方向变化,降温越快,关闭越多。这就是所谓的微分控制规律,因为控制量和实际测量值的变化率成正比,其比例因子就称为比例控制增益,工业上也称微分时间常数。微分时间常数没有太特定的物理意义,只是积分叫时间常数,微分也跟着叫了。微分控制的重点不在实际测量值的具体数值,而在其变化方向和变化速度。微分控制在理论上和实用中有很多优越性,但局限也是明显的。如果测量信号不是很“干净”,时不时有那么一点不大不小的“毛刺”或扰动,微分控制就会被这些风吹草动搞得方寸大乱,产生很多不必要甚至错误的控制信号。所以工业上对微分控制的使用是很谨慎的。

比例-积分-微分控制规律是工业上最常用的控制规律。人们一般根据比例-积分-微分的英文缩写,将其简称为PID控制。即使在更为先进的控制规律广泛应用的今天,各种形式的PID控制仍然在所有控制回路中占85%以上。

PID整定

在PID控制中,积分控制的特点是:只要还有余差(即残余的控制偏差)存在,积分控制就按部就班地逐渐增加控制作用,直到余差消失。所以积分的效果比较缓慢,除特殊情况外,作为基本控制作用,缓不救急。微分控制的特点是:尽管实际测量值还比设定值低,但其快速上扬的冲势需要及早加以抑制,否则,等到实际值超过设定值再作反应就晚了,这就是微分控制施展身手的地方了。作为基本控制使用,微分控制只看趋势,不看具体数值所在,所以最理想的情况也就是把实际值稳定下来,但稳定在什么地方就要看你的运气了,所以微分控制也不能作为基本控制作用。比例控制没有这些问题,比例控制的反应快,稳定性好,是最基本的控制作用,是“皮”,积分、微分控制是对比例控制起增强作用的,极少单独使用,所以是“毛”。在实际使用中比例和积分一般一起使用,比例承担主要的控制作用,积分帮助消除余差。微分只有在被控对象反应迟缓,需要在开始有所反应时,及早补偿,才予以采用。只用比例和微分的情况很少见。

连续控制的精度是开关控制所不可比拟的,但连续控制的高精度也是有代价的,这就是稳定性问题。控制增益决定了控制作用对偏差的灵敏度。既然增益决定了控制的灵敏度,那么越灵敏岂不越好?非也。还是用汽车的定速巡航控制做例子。速度低一点,油门加一点,速度低更多,油门加更多,速度高上去当然就反过来。但是如果速度低一点,油门就狂加,导致速度高一点,油门再狂减,这样速度不但不能稳定在要求的设定值上,还可能失控。这就是不稳定。所以控制增益的设定是有讲究的。在生活中也有类似的例子。国民经济过热,需要经济调整,但调整过火,就要造成“硬着陆”,引起衰退;衰退时需要刺激,同样,刺激过火,会造成过热。要达成“软着陆”,经济调整的措施需要恰到好处。这也是一个经济动态系统的稳定性问题。

实际中到底多少增益才是最合适的,理论上有很多计算方法,但实用中一般是靠经验和调试来摸索最佳增益,业内行话叫参数整定。如果系统响应在控制作用后面拖拖沓沓,大幅度振荡的话,那一般是积分太过;如果系统响应非常神经质,动不动就打摆子,呈现高频小幅度振荡的话,那一般是微分有点过分。中频振荡当然就是比例的问题了。不过各个系统的频率都是不一样的,到底什么算高频,什么算低频,这个几句话说不清楚,应了毛主席那句话:“具体情况具体分析”,所以就打一个哈哈了。

再具体说起来,参数整定有两个路子。一是首先调试比例增益以保证基本的稳定性,然后加必要的积分以消除余差,只有在最必要的情况下,比如反映迟缓的温度过程或容量极大的液位过程,测量噪声很低,才加一点微分。这是“学院派”的路子,在大部分情况下很有效。但是工业界有一个“歪路子”:用非常小的比例作用,但大大强化积分作用。这个方法是完全违背控制理论的分析的,但在实际中却是行之有效,原因在于测量噪声严重,或系统反应过敏时,积分为主的控制规律动作比较缓和,不易激励出不稳定的因素,尤其是不确定性比较高的高频部分,这也是邓小平“稳定压倒一切”的初衷吧。

在很多情况下,在初始PID参数整定之后,只要系统没有出现不稳定或性能显著退化,一般不会去重新整定。但是要是系统不稳定了怎么办呢?由于大部分实际系统都是开环稳定的,也就是说,只要控制作用恒定不变,系统响应最终应该稳定在一个数值,尽管可能不是设定值,所以对付不稳定的第一个动作都是把比例增益减小,根据实际情况,减小1/3、1/2甚至更多,同时加大积分时间常数,常常成倍地加,再就是减小甚至取消微分控制作用。如果有前馈控制,适当减小前馈增益也是有用的。在实际中,系统性能不会莫名其妙地突然变坏,上述“救火”式重新整定常常是临时性的,等生产过程中的机械或原料问题消除后,参数还是要设回原来的数值,否则系统性能会太过“懒散”。

对于新工厂,系统还没有投运,没法根据实际响应来整定,一般先估计一个初始参数,在系统投运的过程中,对控制回路逐个整定。我自己的经验是,对于一般的流量回路,比例定在0.5左右,积分大约1分钟,微分为0,这个组合一般不致于一上来就出大问题。温度回路可以从2、5、0.05开始,液位回路从5、10、0开始,气相压力回路从10、20、0开始。既然这些都是凭经验的估计,那当然要具体情况具体分析,不可能“放之四海而皆准”。

微分一般用于反应迟缓的系统,但是事情总有一些例外。我就遇到过一个小小的冷凝液罐,直径才两英尺,长不过5英尺,但是流量倒要8-12吨/小时,一有风吹草动,液位变化非常迅速,不管比例、积分怎么调,液位很难稳定下来,常常是控制阀刚开始反应,液位已经到顶或到底了。最后加了0.05的微分,液位一开始变化,控制阀就开始抑制,反而稳定下来了。这和常规的参数整定的路子背道而驰,但在这个情况下,反而是“唯一”的选择,因为测量值和控制阀的饱和变成稳定性主要的问题了。

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