PID回路整定簡易說明PPT課件[通用]

1、PID回路整定簡易說明分五個部分對PID進行通俗易懂的分析說明一、中控ECS700-標準PID控制算法二、舉例說明PID三參數(shù)三、舉例說明PID控制器的基本原理四、舉例說明PID反饋控制的動作曲線五、PID回路的參數(shù)整定方法MVn-調(diào)節(jié)閥開度的增量PB比例度大小Ti積分時間Ts采樣周期（1-3s）En采樣周期間隔的偏差的差值（ PVn-SPn ）-（ PVn-1-SPn-1 ）En偏差，即：PV-SPUn微分時間，即：Td/Ts（采樣周期間隔的PV偏差值）PVn-PVn-1從公式可以看出：1、PB比例參數(shù)：可以控制閥門所有變量的整體變化速率；2、PB比例值、Ti積分值越小，調(diào)節(jié)閥變化率越大，

2、Td微分值越大，微分效果越明顯。 3、三種系數(shù)相關(guān)的偏差值，定義是各不相同的。 4、如果沒有偏差，閥門輸出的增量為零。 5、微分跟蹤的是PV測量值的變化，所以有好超前調(diào)節(jié)的特性。一、中控ECS700-標準PID控制算法二、舉例說明PID三參數(shù) PID是比例、積分、微分的簡稱，PID控制的難點不是編程，而是控制器的參數(shù)整定。參數(shù)整定的關(guān) 鍵是正確地理解各參數(shù)的物理意義。 PID控制的原理可以用操作人員對熱油爐爐溫的手動控制來理解。 有經(jīng)驗的操作人員手動控制熱油爐的爐溫，可以獲得非常好的控制品質(zhì)，PID控制與人工控制的控 制策略有很多相似的地方。舉例：由于熱油循環(huán)量突然增加，熱油爐出口溫度就會降低

3、，此時需工藝手動提升爐溫第一步，工藝手動加大給煤量，爐溫上升，熱油爐出口溫度快速上升， （要求在一定時間內(nèi)快速上升至熱油溫度目標值，相當于比例控制） 此時偏差很大，相當于比例/積分控制為主 （比例積分控制可形容為火上澆油，比例是火，積分是油）第二步，工藝手動減少給煤量，當油溫接近目標值時，以降低熱油升溫速度 （減少超調(diào)，防止出口熱油溫度過高，提前操作，相當于微分控制） 提前操作相當于微分控制開始起作用第三步，工藝少量或增或減給煤量，直到熱油的波動范圍達到工藝指數(shù) 此時偏差減小，以積分控制為主 第四步，工藝員如果經(jīng)驗足夠豐富，在熱油循環(huán)量剛開始增加、而油溫未降時，就可以手動增加給煤量 （提前增加

4、給煤量，可以減少出口油溫較大的波動，相當于微分控制） 此時偏差忽略不計，以微分控制為主第一部分 舉例說明第二部分 P、I、D 三參數(shù)說明 操作人員怎樣用比例控制的思想來手動控制電加熱爐的爐溫。操作人員用眼睛讀取爐溫，并與爐溫給定值比較，得到溫度的偏差值。然后用手操作燃油調(diào)節(jié)閥，控制燃油量，使爐溫保持在給定值附近。 爐溫小于給定值時，偏差為正，給煤量增大，以熱油的加熱量。爐溫大于給定值時，偏差為負，減小給煤量。上述控制策略就是比例控制，即PID控制器輸出中的比例與出口熱油的溫度偏差成正比。 此時如果比例太大，調(diào)節(jié)的力度就會不夠，使系統(tǒng)輸出量變化緩慢，調(diào)節(jié)所需的總時間就會過長。如果比例過小，調(diào)節(jié)力

5、度就會太強，將造成調(diào)節(jié)過頭，甚至使溫度忽高忽低，來回震蕩。 減小比例使PID回路反應靈敏，調(diào)節(jié)速度加快，并且可以減小穩(wěn)態(tài)偏差。但是比例過小會使超調(diào)量增大，振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時間加長，動態(tài)性能變壞，甚至會使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。單純的比例控制很難保證調(diào)節(jié)得恰到好處，消除不了靜差。1.P-比例作用二、舉例說明PID三參數(shù)2. I-積分作用 手動調(diào)節(jié)溫度時，積分控制相當于實時的偏差值，周期性地控制閥門的開度，每次調(diào)節(jié)的增量值與當時的偏差值成正比。溫度低于設定值時偏差為正，積分項增大，使給煤量逐漸增大，反之積分作用減小。因此只要偏差不為零，控制器的輸出就會因為積分作用而不斷變化。積分調(diào)節(jié)的“大方向”是正確的

6、，積分作用有減小偏差的作用。一直要到系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，這時偏差恒為零，比例部分和微分部分均為零，積分部分才不再變化，并且剛好等于穩(wěn)態(tài)時需要的控制器的輸出值。對應于上述溫度控制中調(diào)節(jié)閥開度。因此積分部分的作用是消除穩(wěn)態(tài)偏差，提高控制精度，積分作用一般是必須的。PID控制器輸出中的積分部分與偏差的積分成正比。因為積分時間TI在積分項的分母中，TI越小，積分項變化的速度越快，積分作用越強。3D-微分作用 有經(jīng)驗的操作人員在溫度上升過快，但是尚未達到設定值時，會根據(jù)溫度變化的趨勢，預感到溫度將會超過設定值，出現(xiàn)超調(diào)。于是手動減少給煤量。 這相當于開車看到紅燈時，考慮到汽車減速的時間，需要一定的提前量一

7、樣。 偏差的微分就是偏差的變化速率，偏差變化越快，其微分絕對值越大。偏差增大時，其微分為正；偏差減小時，其微分為負?？刂破鬏敵隽康奈⒎植糠峙c偏差的微分成正比，反映了被控量變化的趨勢。經(jīng)驗總結(jié)：如果階躍響應的超調(diào)量太大，經(jīng)過多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不穩(wěn)定，應增加比例、增大積分時間。如果階躍響應沒有超調(diào)量，但是被控量上升過于緩慢，過渡過程時間太長，應按相反的方向調(diào)整參數(shù)。如果消除偏差的速度較慢，可以適當減小積分時間，增強積分作用。反復調(diào)節(jié)比例系數(shù)和積分時間，如果超調(diào)量仍然較大，可以加入微分控制，微分時間從0逐漸增大，反復調(diào)節(jié)控制器的比例、積分和微分部分的參數(shù)。總之，PID參數(shù)的調(diào)試是一個綜合的、各

8、參數(shù)互相影響的過程，實際調(diào)試過程中的多次嘗試是非常重要的，也是必須的。三、舉例說明PID控制器的基本原理 PID屬于無模型控制，調(diào)節(jié)三個環(huán)節(jié)的參數(shù)P、I、D會產(chǎn)生什么影響根據(jù)控制對象的不同也會有很大差別。 假設有一個水箱液位控制系統(tǒng)，從空箱補水至某個高度，我們能控制的是比例水龍頭的開關(guān)大小。 簡單的數(shù)學模型就是： MV=(PV-SP)/PB 只需要一個比例調(diào)節(jié) 也就是說，開始比例水龍頭開大點，快灌滿的時候關(guān)小一點，到了設定高度全關(guān)。 1、比例作用 假設這個水箱有供水用戶，用水量是一個定值，那么達到穩(wěn)態(tài)時，就會產(chǎn)生凈偏差，如果PB越小，這個凈偏差就越小。 結(jié)論：減小比例PB，有利于減小凈偏差。2

9、、積分作用-如何消除這個凈偏差 假設我們增加一個補水的龍頭，來消除這個偏差。 這個龍頭的開關(guān)規(guī)則是水位低于設定值就一直往大開，高于設定值就一直關(guān)小，如果用戶用水量不變，那么第二個龍頭的補水速度總會與用水速度相同，偏差就消除了。結(jié)論：積分作用可以消除偏差。當僅有一個比例龍頭注水時，水不會注多的，因為偏差的存在，液位越接近設定值，水龍頭就關(guān)的越小。但第二個積分水龍頭在達到水位設定值時，開度是最大的，水自然就注多了。就是“超調(diào)”了，第二個水龍頭越粗，多注的水就越多，達到設定值就越快，當然振蕩也最多。結(jié)論：積分時間增大，可以減小超調(diào)，減少振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)偏差消除時間變長。 看下頁左圖

10、 過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。右圖為何相反呢? 上面提到積分水龍頭接近設定值時，開度最大。而比例水龍頭越粗，那么它在超出設定液位時對超調(diào)的抑制也最明顯。結(jié)論：PID參數(shù)整定的結(jié)論是根據(jù)普遍經(jīng)驗總結(jié)的，但是針對某個具體的系統(tǒng)不一定完全適用。 3、微分作用 在上面的水箱系統(tǒng)中，我們假設用戶的供水量是一個定值，但實際上供水量是變化的。 此時液位隨著時間就會一直波動，光用比例和積分無法使回路輸出追上輸入的變化步驟，此時需要加入微分調(diào)節(jié)，可使輸入的變化率等于輸出的變化率。那么才可以追蹤并抑制變化的信號。結(jié)論：優(yōu)點：微分環(huán)節(jié)主要作用是在響應過程中抑制偏差朝任何方向的變化。

11、缺點：微分常數(shù)不易過大，否則會使響應過程提前制動、延長調(diào)節(jié)時間。 微分是增大系統(tǒng)阻尼的，系統(tǒng)阻尼大了怎么會降低抗干擾性能？ 當大的外部干擾導致de變大時，如果微分系數(shù)大，則控制器會輸出較大的控制力抵消干擾的作用，如果微分系數(shù)小，系統(tǒng)只能在偏差變的足夠大后才能產(chǎn)生足夠大的控制力去抵消外干擾，所以很明顯增大微分系數(shù)是增大系統(tǒng)抗干擾能力的，削弱的是抗噪聲的能力。 微分系數(shù)很大的情況下，阻尼很大，系統(tǒng)e的變化會被很強的抑制住。相當于微分相把比例項和積分項的控制效果也抑制住了，控制器的調(diào)節(jié)就會變的很慢。 4、后話 變化信號的變化率只能是常數(shù)，也就是斜坡信號，PID控制器對線性好、輸入不超過斜坡的回路是簡

12、單實用的，但是當變化率是時間的常數(shù)時，PID就無法處理了。因為控制器只有一個一階微分，對于求導后信號還是變化的，是沒有辦法的。也就是說PID是一種線性的控制器，對于復雜非線性和復雜信號追蹤，就無法控制了。四、舉例說明PID反饋控制的動作曲線此處的比例是比例增益，中控的是比例度比例增益值越大，作用越強，比例度剛好相反此處KP越大，相當于中控的比例度P值越小目前PID回路整定基本以經(jīng)驗法為主在調(diào)試中最重要的問題是在PID回路性能不能令人滿意時，知道應該調(diào)節(jié)哪一個參數(shù)，該參數(shù)應該增大還是減小。網(wǎng)上的PID整定口訣是前輩們總結(jié)給一線的工程師們使用的，大體上正確。但是隨著知識水平的提高，不能滿足于背口訣

13、，我這個回答就是為了說明口訣的原理調(diào)PID的時候先調(diào)P和I是比較常用的辦法，為什么先調(diào)P和I？它什么時候是對的？什么時候不對？就需要理論作為基礎(chǔ)下面將分成兩部分進行說明（一）、PID參數(shù)整定-經(jīng)驗法PID整定（二）、PID參數(shù)整定-軟件法PID整定五、PID回路的參數(shù)整定方法（一）、PID參數(shù)整定-經(jīng)驗法PID整定 參數(shù)整定尋最佳，從大到小順次查。 先是比例后積分，最后再把微分加。 曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大。 曲線漂浮繞大彎，比例度盤往小扳。 曲線偏離回復慢，積分時間往下降。 曲線波動周期長，積分時間再加長。 理想曲線兩個波，調(diào)節(jié)過程高質(zhì)量。PID經(jīng)驗整定“參數(shù)整定尋最佳，從大到小順次查

14、?！敝械淖罴褏?shù)問題，很多儀表工程師都有這樣的體會，在現(xiàn)場的調(diào)節(jié)器工程參數(shù)整定中，如果只按4:1衰減比進行整定，那么可以有很多對的比例度和積分時間同樣能滿足4:1的衰減比，但是這些對的數(shù)值并不是任意的組合，而是成對的，一定的比例度必須與一定的積分時間組成一對，才能滿足衰減比的條件，改變其中之一，另一個也要隨之改變。因為是成對出現(xiàn)的，所以才有調(diào)節(jié)器參數(shù)的“匹配”問題。“從大到小順次查”是說在具體操作時，先把比例度、積分時間放至最大位置，把微分時間調(diào)至零。因為我們需要的是衰減振蕩的過渡過程，并避免出現(xiàn)其它的振蕩過程，在整定初期，把比例度放至最大位置，目的是減小調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。而積分放至最大位置，

15、目的是先把積分作用取消。把微分時間調(diào)至零也是把微分作用取消了?！皬拇蟮叫　本褪菑拇蟮叫「淖儽壤然蚍e分時間刻度，實質(zhì)是慢慢的增加比例作用或積分作用的放大倍數(shù)。也就是慢慢的增加比例或積分作用的影響，避免系統(tǒng)出現(xiàn)大的振蕩。最后再根據(jù)系統(tǒng)實際情況決定是否使用微分作用。“先是比例后積分，最后再把微分加?！笔墙?jīng)驗法的整定步驟。比例作用是最基本的調(diào)節(jié)作用，口訣說的:“先是比例后積分”，目的是簡化調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定，即先把積分作用取消和弱化，待系統(tǒng)較穩(wěn)定后再投運積分作用。尤其是新安裝的控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)特性不了解時，dlr要做的就是先把積分作用取消，待調(diào)整好比例度，使控制系統(tǒng)大致穩(wěn)定以后，再加入積分作用。對于比

16、例控制系統(tǒng)，如果規(guī)定4:1的衰減過渡過程，則只有一個比例度能滿足這一規(guī)定，而其它的任何比例度都不可能使過渡過程的衰減比為4:1。因此，對比例控制系統(tǒng)只要找到能滿足4:1衰減比時的比例度就行了。在調(diào)好比例控制的基礎(chǔ)上再加入積分作用，但積分會降低過渡過程的衰減比，則系統(tǒng)的穩(wěn)定程度也會降低。為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，可增大調(diào)節(jié)器的比例度，即減小調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。這就是dlr在整定中投入積分作用后，要把比例度增大約20的原因。其實質(zhì)就是個比例度和積分時間數(shù)值的匹配問題，PID經(jīng)驗整定“曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大”說的是比例度過小時，會產(chǎn)生周期較短的激烈振蕩，且振蕩衰減很慢，嚴重時甚至會成為發(fā)散振蕩，

17、如圖2所示。這時就要調(diào)大比例度，使曲線平緩下來?！扒€漂浮繞大彎，比例度盤往小扳”說的是比例度過大時會使過渡時間過長，使被調(diào)參數(shù)變化緩慢，即記錄曲線偏離給定值幅值較大，時間較長，這時曲線波動較大且變化無規(guī)則，形狀像繞大彎式的變化，如圖3所示。dlr這時就要減小比例度，使余差盡量小?！扒€偏離回復慢，積分時間往下降。曲線波動周期長，積分時間再加長”說的是積分作用的整定方法。當積分時間太長時，會使曲線非周期地慢慢地回復到給定值，即“曲線偏離回復慢”，如圖2-4所示。則應減少積分時間。當積分時間太短時，會使曲線振蕩周期較長，且衰減很慢，即“曲線波動周期長”調(diào)節(jié)器的參數(shù)按比例積分作用整定好后，可在積分

18、時間的0.20.5倍范圍內(nèi)來調(diào)整微分時間。即“最后再把微分加?！庇捎谖⒎肿饔脮鰪娤到y(tǒng)的穩(wěn)定性，故采用微分作用后，調(diào)節(jié)器的比例度可以再增大一些，一般以增大20為宜。微分作用主要用于滯后和慣性較大的場合，由于微分作用具有超前調(diào)節(jié)的功能，當系統(tǒng)有較大滯后或較大慣性的情況下，才應啟用微分作用。PID經(jīng)驗整定對于壓力對象，其大多是單容的，其時間常數(shù)不算太大、反應比較快，控制起來較容易，一般不用微分作用；相反當因壓力對象太靈敏而產(chǎn)生振蕩時，則可用反微分作用來將參數(shù)控制得平穩(wěn)些。 對于流量對象，其大多是一段管道，容量很小、反應迅速；在生產(chǎn)中有的被控對象是流量，但實際被控參數(shù)是壓力，如泵和空壓機等。 對于液

19、位對象，實質(zhì)是由于物料流入與流出量不相等，即物料不平衡，通過控制來解決物料平衡問題。其變化較快、滯后較小，而時間常數(shù)與液位面積有關(guān)。 對于溫度對象，其時間常數(shù)大，滯后現(xiàn)象嚴重(滯后與熱量傳遞的過程有關(guān))。對于成分分析，其取樣、轉(zhuǎn)換過程反應較慢，反應滯后。 以上五種控制系統(tǒng)中，各對象的特性大致如下: 壓力對象 Ti不大，Td也不大； 流量對象Ti與Td都較小，約數(shù)秒至數(shù)十秒； 液位對象Ti很小，Td稍大； 溫度對象Ti與Td都較大，約為數(shù)分至數(shù)十分鐘； 成分對象Ti與Td都較大。利用測試階躍響應的Z-N系列方法是PID參數(shù)整定的主要方法介紹：為了減少需要整定的參數(shù)，首先可以采用PI控制器。為了保證系統(tǒng)的安全，在調(diào)試開始時應設置比較保守的參數(shù)，例如比例系數(shù)不要太大，積分時間不要太小，以避免出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定或超調(diào)量過大的異常情況。 給出一個階躍給定信號，根據(jù)被控量的輸出波形可以獲得PID性能的信息