1、PIDPID 参数如何设定调节参数如何设定调节 - - - - 比例（比例（P P）控制）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信 号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 （SteadySteady- -state errorstate error） 。） 。 积分（积分（I I）控制）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在
2、稳态误差，则称这个控制对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制 系统是有稳态误差的或简称有差系统（系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with SteadySystem with Steady- -state state ErrorError） 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项） 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项 对对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即 便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出便误差很小
3、，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出 增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+ +积分积分(PI)(PI)控制控制 器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（微分（D D）控制）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变 化率）成正比关系。化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会 出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞
4、出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞 后后(delay)(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近零时，解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近零时， 抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项 往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的 是“微分项”
5、，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+ +微分的控制微分的控制 器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免 了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+ +微微 分分(PD)(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 5 5、PIDPID 控制器的参数整定控制器的参数整定 PIDPID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内控制器的参数整
6、定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控容。它是根据被控 过程的特性确定过程的特性确定 PIDPID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PIDPID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整 定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。 这种方法所得到的计算数据未必可以直接用， 还必须通过工程实际进行这种方法所得到的计算数据未必可以直接用， 还必须通过工程实际进行 调整和修改。二是工程
7、整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系 统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PIDPID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰 减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经工程经 验公式对控制器参数进行整定。 但无论采用哪一种方法所得到的控制器验公式对控制器参数进行整定。 但无论采用哪一种
8、方法所得到的控制器 参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临 界比例法。利用该方法进行界比例法。利用该方法进行 PIDPID 控制器参数的整定步骤如下：控制器参数的整定步骤如下：(1)(1)首先首先 预选择一个足够短的采样周期让系统工作预选择一个足够短的采样周期让系统工作(2)(2)仅加入比例控制环节，仅加入比例控制环节， 直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和 临界振荡周期临界振荡周期(3)(3)在一定的控制度下通过公式
9、计算得到在一定的控制度下通过公式计算得到 PIDPID 控制器的控制器的 参数。参数。 PIDPID 参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定 值曲线，从而调整值曲线，从而调整 P P I I D D 的大小。的大小。 P PIDID 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定, ,各种调节系统中各种调节系统中 P.I.DP.I.D 参数经验数据参数经验数据 以下可参照：以下可参照： 温度温度 T: P=2060%,T=180600s,D=3T: P=2060%,T=180600s,D=3- -180s180s 压力压力 P:
10、P=3070%,T=24180s,P: P=3070%,T=24180s, 液位液位 L: P=2080%,T=60300s,L: P=2080%,T=60300s, 流量流量 L: P=40100%,T=660sL: P=40100%,T=660s。 书上的常用口诀：书上的常用口诀： 参数整定找最佳，从小到大顺序查参数整定找最佳，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振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时曲线偏离回复慢，积分时间往下降间往下降 曲
11、线波动周期长，积分时间再加长曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来曲线振荡频率快，先把微分降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低理想曲线两个波，前高后低 4 4 比比 1 1 一看二调多分析，调节质量不会低一看二调多分析，调节质量不会低 1、基础知识 在自动调节系统中，E=SP-PV。其中，E 为偏差、SP 为给定值、PV 为测量值。当 SP 大于 PV 时为正偏差，反之为负偏差。 1) 比例调节作用的动作与偏差的大小成正比；当比例度为 100 时，比例作用的输出 与偏差按各自量程范围的 1：1 动作。当比例度为
12、10 时，按 10：1 动作。即比例 度越小，比例作用越强。比例作用太强会引起振荡。太弱会造成比例欠调，造成 系统收敛过程的波动周期太多，衰减比太小。其作用是稳定被调参数。 2) 积分调节作用的动作与偏差对时间的积分成正比。即偏差存在积分作用就会有输 出。它起着消除余差的作用。积分作用太强也会引起振荡，太弱会使系统存在余 差。 3) 微分调节作用的动作与偏差的变化速度成正比。其效果是阻止被调参数的一切变 化，有超前调节的作用。对滞后大的对象有很好的效果。但不能克服纯滞后。适 用于温度调节。使用微分调节可使系统收敛周期的时间缩短。微分时间太长也会 引起振荡。 2、 整定方法 经验法是简单调节系统
13、应用最广泛的整定方法，是一种试凑法。它通过参数预先设置 和反复试凑来实现。参数的预置值要根据对象的特性和仪表的量程决定。仪表量程大的 PID 参 数要适当加强作用。四类被调参数的一般范围如下： 被调参数 比例度% 积分时间 min 微分时间 min 流量 100300 0.11 温度 100200 330 0.53 压力 100300 0.43 液位 80200 实际情况可能超出此范围。 这里介绍一种经验法。这种方法实质上是一种试凑法，它是在生产这里介绍一种经验法。这种方法实质上是一种试凑法，它是在生产 实践中总结出来的行之有效实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场中得到了广泛的应用。的方法
14、，并在现场中得到了广泛的应用。 这种方法的基本程序是先根据运行经验，确定一组调节器参数，并这种方法的基本程序是先根据运行经验，确定一组调节器参数，并 将系统投入闭环运行，然后人为地加入阶跃扰动（如改变调节器的给定将系统投入闭环运行，然后人为地加入阶跃扰动（如改变调节器的给定 值） ，观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。若认为控制质量不满值） ，观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。若认为控制质量不满 意，则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。这样反复试意，则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。这样反复试 验，直到满意为止。验，直到满意为止。 经验法简单可靠，但需要有一定现
15、场运行经验，整定时易带有主观经验法简单可靠，但需要有一定现场运行经验，整定时易带有主观 片面性。 当采用片面性。 当采用 PIDPID 调节器时， 有多个整定参数， 反复试凑的次数增多，调节器时， 有多个整定参数， 反复试凑的次数增多， 不易得到最佳整定参数。不易得到最佳整定参数。 下面以下面以 PIDPID 调节器为例，具体说明经验调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：法的整定步骤： 让调节器参数积分系数让调节器参数积分系数 S0=0S0=0，实际微分系数，实际微分系数 k=0k=0，控制系统投入，控制系统投入 闭环运行，由小到大改变比例系数闭环运行，由小到大改变比例系数 S1S1，让扰动信
16、号作阶跃变化，观察，让扰动信号作阶跃变化，观察 控制过程，直到获得满意的控制过程为止。控制过程，直到获得满意的控制过程为止。 取比例系数取比例系数S1S1为当前的值乘以为当前的值乘以0.830.83， 由小到大增加积分系数， 由小到大增加积分系数S0S0， 同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。 (3)(3)积分系数积分系数 S0S0 保持不变，改变比例系数保持不变，改变比例系数 S1S1，观察控制过程有无改，观察控制过程有无改 善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原
17、比例系数 S1S1 增增 大一些，再调整积分系数大一些，再调整积分系数 S0S0，力求改善控制过程。如此反复试凑，直，力求改善控制过程。如此反复试凑，直 到找到满意的比例系数到找到满意的比例系数 S1S1 和积分系数和积分系数 S0S0 为止。为止。 引入适当的实际微分系数引入适当的实际微分系数 k k 和实际微分时间和实际微分时间 TDTD，此时可适当增，此时可适当增 大比例系数大比例系数 S1S1 和积分系数和积分系数 S0S0。和前述步骤相同，微分时间的整定也需。和前述步骤相同，微分时间的整定也需 反复调整，直到控制过程满意为止。反复调整，直到控制过程满意为止。 注意：仿真系统所采用的注
18、意：仿真系统所采用的 PIDPID 调节器与传统的工业调节器与传统的工业 PIDPID 调节器有调节器有 所不同，各个参数之间相互隔离，互不影响所不同，各个参数之间相互隔离，互不影响，因而用其观察调节规律十，因而用其观察调节规律十 分方便。分方便。 PIDPID 参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温 度控制，一般度控制，一般 P P 可在可在 1010 以上以上,I=3,I=3- -10,D=110,D=1 左右。小惯量如：一个小电左右。小惯量如：一个小电 机带机带 一水泵进行压力闭环控制， 一般只用一水泵进行压力闭环控制
19、， 一般只用 PIPI 控制。控制。 P=1P=1- -10,I=0.110,I=0.1- -1,D=0,1,D=0, 这些要在现场调试时进行修正的。这些要在现场调试时进行修正的。 我提供一种增量式我提供一种增量式 PIDPID 供大家参考供大家参考 U(k)=Ae(k)U(k)=Ae(k)- -Be(kBe(k- -1)+Ce(k1)+Ce(k- -2)2) A=Kp(1+T/Ti+Td/T)A=Kp(1+T/Ti+Td/T) B=Kp(1+2Td/T)B=Kp(1+2Td/T) C=KpTd/TC=KpTd/T T T 采样周期采样周期 TdTd 微分时间微分时间 TiTi 积分时间积分时
20、间 用上面的算法可以构造自己的用上面的算法可以构造自己的 PIDPID 算法。算法。 U U（K K）=U=U（K K- -1 1）+ +U U（K K） 组图PID 参数整定快速入门（调节器参数整定方法） PID 调节器参数整定方法很多，常见的工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法和经验法。云润 仪表以图文形式分别介绍调节器参数整定方法。 临界比例度法临界比例度法 一个调节系统，在阶跃干扰作用下，出现既不发散也不衰减的等幅震荡过程，此过程成为等幅振荡 过程，如下图所示。此时调节器的比例度为临界比例度k，被调参数的工作周期为为临界周期Tk。 临界比例度法整定临界比例度法整定 PIDPID 参数
21、步骤参数步骤 1、将调节器积分时间设定为无穷大、微分时间设定为零（即Ti，Td0），比例度适当取值， 调节系统按纯比例作用投入。稳定后，适当减小比例度，在外界干扰作用下，观察过程变化情况， 寻取系统等幅振荡临界状态，得到临界参数。 2、根据临界比例度k和为临界周期Tk，按下表计算出调节器参数整定值 临界比例度法临界比例度法 PIDPID 参数整定经验公式参数整定经验公式 调节规 律 调节器参数 比例度，单 位： 积分时间Ti，单位： min 微分时间Td， 单位： min P 2k - - PI 2.2k 0.85Tk - PID 1.7k 0.5Tk 0.125Tk 3、将计算所得的调节器参
22、数输入调节器后再次运行调节系统，观察过程变化情况。多数情况下系统 均能稳定运行状态，如果还未达到理想控制状态，进需要对参数微调即可。 衰减曲线法衰减曲线法 衰减曲线法整定调节器参数通常会按照 4：1 和 10：1 两种衰减方式进行，两种方法操作步骤相同， 但分别适用于不同工况的调节器参数整定。 4 4：1 1 衰减曲线法整定调节器参数衰减曲线法整定调节器参数 纯比例度作用下的自动调节系统，在比例度逐渐减小时，出现 4：1 衰减振荡过程，此时比例度为 4： 1 衰减比例度s，两个相邻同向波峰之间的距离为 4:1 衰减操作周期TS，如下图所示 4：1 衰减曲线法整定 PID 参数步骤如下： 1、将
23、调节器积分时间设定为无穷大、微分时间设定为零（即Ti，Td0），比例度适当取值， 调节系统按纯比例作用投入。系统稳定后，逐步减小比例度，根据工艺操作的许可程度加 2-3 的干扰，观察调节过程变化情况，直到调节过程变化达到规定的 4：1 衰减比为止，得到 4：1 衰减 情况下的比例度s和衰减操作周期TS。 2、根据s和Ts值按以下公式计算出调节器整定参数 4 4：1 1 衰减曲线法衰减曲线法 PIDPID 参数整定经验公式参数整定经验公式 调节规 律 调节器参数 比例度，单 位： 积分时间 Ti， 单位： min 微分时间 Td，单位： min P s - - PI 0.2s 0.5Ts - P
24、ID 0.8s 0.3Ts 0.1Ts 3、将比例度放在比计算值略大的数值上，逐步引入积分和微分作用。 4、将比例度降至计算值上，观察运行，适当调整。 1010：1 1 衰减曲线法整定调节器参数衰减曲线法整定调节器参数 在部分调节系统中，由于采用 4：1 衰减比仍嫌振荡比较厉害，则可采用 10：1 的衰减过程，如下图 所示。这种情况下由于衰减太快，要测量操作周期比较困难，但可测取从施加干扰开始至第一个波 峰飞升时间Tr。 10：1 衰减曲线法整定调节参数步骤和 4：1 衰减曲线法完全一致，仅采用的整定参数和经验公式不 同。 1010：1 1 衰减曲线法衰减曲线法 PIDPID 参数整定经验公式参数整定经验公式 调节规 律 调节器参数 比例度，单 位： 积分时间 Ti， 单位： min 微分时间 Td，单位： min P ss - - PI 1.2ss 2Tr - PID 0.8ss 1.2Tr 0.4Tr
