PID參數(shù)整定教材修改

1、PID參數(shù)的工程整定方法培訓(xùn)教材2005年12月20日 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 第一節(jié)基本控制規(guī)律及其作用效果 (1) HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第二節(jié)實(shí)用的控制規(guī)律(2) HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 第三節(jié)PID參數(shù)的工程整定方法 (3) HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 第四節(jié)復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定 (8)附錄一各廠家DCS系統(tǒng)PID相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)

2、計(jì)(8) HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 附錄二相關(guān)的名詞解釋(9)第一節(jié)基本控制規(guī)律及其作用效果在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，常用的基本調(diào)節(jié)規(guī)律大致可分為：1位式調(diào)節(jié)也就是常說的開/關(guān)式調(diào)節(jié)，它的動(dòng)作規(guī)律是當(dāng)被控變量偏離給定值時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出不 是最大就是最小，從而使執(zhí)行器全開或全關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，常用于機(jī)組油箱恒溫控制、水 塔以及一些儲(chǔ)罐的液位控制等。在實(shí)施時(shí)，只要選用帶上、下限接點(diǎn)的檢測儀表、位式調(diào)節(jié)器或PLC、再配一些繼電器、電磁閥、執(zhí)行器、磁力起動(dòng)器等即可構(gòu)成位式控制系統(tǒng)。因此，位式控制的過渡過程必然是一個(gè)持續(xù) 振蕩的過程。如圖0所示。圖0

3、位式控制的過渡過程2比例調(diào)節(jié)它依據(jù)“偏差的大小”來動(dòng)作。它的輸出與輸入偏差的大小成比例，調(diào)節(jié)及時(shí)，有力，但是有余差。用比例度8來表示其作用的強(qiáng)弱，用表示。例如比例度60%,即表示當(dāng)偏差為量程的60%時(shí)，輸出變化值為量程的 100%。8越小，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，調(diào)節(jié)作用太強(qiáng)時(shí)，會(huì)引 起振蕩。比例調(diào)節(jié)作用適用于負(fù)荷變化小，對(duì)象純滯后不大，時(shí)間常數(shù)較大而又允許有余差 的控制系統(tǒng)中，常用于塔和儲(chǔ)罐的液位控制以及一些要求不高的壓力控制中。使用時(shí)應(yīng)注意， 當(dāng)負(fù)荷變化幅度較大時(shí)，為了平衡負(fù)荷變化所需的調(diào)節(jié)閥開度變化也將較大，待穩(wěn)定后，被 控變量的余差就可能較大。比例控制規(guī)律的動(dòng)態(tài)方程為：y (t ) =Kp e

4、(t) = + e (t )其中：y (t)輸出變化量。e (t)輸入變化量。Kp 比例增益。8比例度，它是Kp的倒數(shù)。3積分調(diào)節(jié)它依據(jù)“偏差是否存在”來動(dòng)作。它的輸出與偏差對(duì)時(shí)間的積分成比例，只有當(dāng)余差完 全消失，積分作用才停止。其實(shí)質(zhì)就是消除余差。但積分作用使最大動(dòng)偏差增大，延長了調(diào) 節(jié)時(shí)間。用積分時(shí)間 Ti表示其作用的強(qiáng)弱，單位用分(或秒)表示。 Ti越小，積分作用越強(qiáng), 積分作用太強(qiáng)時(shí)，也會(huì)引起振蕩。積分控制規(guī)律的動(dòng)態(tài)方程為：y (t)、J e (t) dt其中：TI 積分時(shí)間。4微分調(diào)節(jié)它依據(jù)“偏差變化速度”來動(dòng)作。它的輸出與輸入偏差變化的速度成比例，其實(shí)質(zhì)和效 果是阻止被調(diào)參數(shù)的一

5、切變化，有超前調(diào)節(jié)的作用。對(duì)滯后較大的對(duì)象有很好的效果。使調(diào) 節(jié)過程動(dòng)偏差減少，余差也減少(但不能消除)。用微分時(shí)間 Td表示作用的強(qiáng)弱，單位用分(或秒)表示。Td大，作用強(qiáng)，Td太大，會(huì)引起振蕩。微分控制規(guī)律的動(dòng)態(tài)方程為：一、d e (t)y (t ) =TDdt其中：TD 微分時(shí)間。第二節(jié)實(shí)用的控制規(guī)律由于位式調(diào)節(jié)及易引起振蕩，所以除特定場合外，一般應(yīng)用較少，使用較多的是比例、積分、微分調(diào)節(jié)作用。但實(shí)際上單純使用比例、積分、微分作用的場合也較少，最多使用的是三種調(diào)節(jié)規(guī)律的組合。組合后的調(diào)節(jié)規(guī)律由圖1所示，PID三作用調(diào)節(jié)質(zhì)量最好、PI次之,積分最差因此很少單用。其中：PI作用的傳遞函數(shù)為：

6、GPi (s) =Kp (1 + 4) (1 + W )Tis 8 Tis注意：8 Ti即為積分控制規(guī)律的動(dòng)態(tài)方程中ThPD作用的傳遞函數(shù)為：Gpd (s) =Kp (1+Tds)=(1+Tds) o注意：KpTd即為微分控制規(guī)律的動(dòng)態(tài)方程中TD。PID作用的傳遞函數(shù)為:Gpid (s) =Kp (010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120時(shí)間(秒)0.80.70.6將0.5數(shù)參0.4調(diào)0.3被0.20.10圖1各種調(diào)節(jié)規(guī)律比較1比例微分作用；2比例積分微分作用；3一比例作用;4一比例積分作用；5一積分作用;第三節(jié) PID參數(shù)的工程整定方法調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，

7、是自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中相當(dāng)重要的一個(gè)問題。在調(diào)節(jié)方案已經(jīng)確定，儀 表及調(diào)節(jié)閥等已經(jīng)選定并已裝好之后，調(diào)節(jié)對(duì)象的特性也就確定了，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)就主要 決定于調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。因此，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的任務(wù)，就是對(duì)已選定的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，求得 最好的調(diào)節(jié)質(zhì)量時(shí)調(diào)節(jié)器的參數(shù)值，即所謂求取調(diào)節(jié)器的最佳值，具體講就是確定最合適的 比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間。把參數(shù)整定工作放在怎樣的位置，存在兩種片面的看法：一種看法是過分強(qiáng)調(diào)了參數(shù)整定的作用，把調(diào)節(jié)器參數(shù)整定看作自動(dòng)化理論的核心，這 當(dāng)然是錯(cuò)誤的。因?yàn)檎{(diào)節(jié)器參數(shù)只能在一定范圍內(nèi)起作用，如果方案不合理，工況改變、或 屬于儀表和調(diào)節(jié)閥故障，則不論怎樣去調(diào)整比例度，積分時(shí)間和

8、微分時(shí)間，仍然達(dá)不到預(yù)定 的調(diào)節(jié)質(zhì)量要求。同時(shí)，調(diào)節(jié)器參數(shù)在目前很難單純依靠計(jì)算的方法來求取，因?yàn)橛?jì)算法要 遇到兩個(gè)很大的困難，一是缺乏足夠的對(duì)象動(dòng)態(tài)特性資料，實(shí)驗(yàn)測試也不容易，二是計(jì)算方 法繁瑣，工作量大，而且對(duì)象往往有非線性或改變工藝參數(shù)的情況，所以化了不少力氣算出 來的結(jié)果仍不可靠。另一種看法是過分地貶低參數(shù)整定的作用，我們會(huì)遇到三類不同的系統(tǒng)情況。第一類是 較容易調(diào)節(jié)的系統(tǒng)：比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間可以放在很寬的范圍，調(diào)節(jié)質(zhì)量都能滿足。 第二類是方案選擇不當(dāng)?shù)南到y(tǒng)，不論怎樣去整定參數(shù)，系統(tǒng)仍不能良好的運(yùn)行。如果只看到 以上兩種情況，是會(huì)產(chǎn)生不必重視調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的錯(cuò)覺。實(shí)際上有相當(dāng)多

9、數(shù)量的系統(tǒng)介于 這兩種極端情況之間，這可以說是第三類的系統(tǒng)，它們?cè)谡▍?shù)選擇得當(dāng)?shù)臅r(shí)候，可以運(yùn) 行得很好，反之，在整定參數(shù)不合適時(shí)，調(diào)節(jié)質(zhì)量就達(dá)不到要求。我們不要將它們與第二類 系統(tǒng)混同起來，錯(cuò)當(dāng)成不能投入自動(dòng)的系統(tǒng)。另外，對(duì)第一類系統(tǒng)來說也有使調(diào)節(jié)質(zhì)量進(jìn)一 步完善的要求。因此，我們應(yīng)當(dāng)重視調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的工作，而不要片面地看問題。參數(shù)整定的方法很多，我們只介紹幾種工程上最常用的方法。1臨界比例度法這是目前使用較廣的一種方法，具體作法如下：先在純比例作用下（把積分時(shí)間放到最大，微分時(shí)間放到零），在閉合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，從大到小地逐漸地改變調(diào)節(jié)器的比例度，就會(huì)得到一個(gè)臨界振蕩過程，如圖2所示。這時(shí)

10、的比例度叫臨界比例度8 k,周期為臨界振蕩周期 Tko記下8 k和Tk,然后按表1的經(jīng)驗(yàn)公式來確 定調(diào)節(jié)器的各參數(shù)值。圖2臨界振蕩示意圖表1臨界比例度法數(shù)據(jù)表調(diào)節(jié)作用比例度8 （ %）積分時(shí)間Ti （分）微分時(shí)間Td （分）比例2 8k比例積分2.2 6 k0.85Tk比例微分1.8 8 k0.1Tk比例積分微分1.7 8 k0.5Tk0.125Tk這種方法在下面兩種情況下不宜米用：1）、臨界比例度過小，因?yàn)檫@時(shí)候調(diào)節(jié)閥很容易處于全開及全關(guān)位置，對(duì)于工藝生產(chǎn)不 利，舉例來說，對(duì)于一個(gè)用燃料油（或瓦斯）加熱的爐子，如8很小，接近雙位調(diào)節(jié)，將一 會(huì)兒熄火，一會(huì)兒煙囪濃煙直沖。2）、工藝上約束條件較

11、嚴(yán)格時(shí)，因?yàn)檫@時(shí)候如達(dá)到等幅振蕩，將影響生產(chǎn)的安全運(yùn)行。2衰減曲線法臨界比例度法是要系統(tǒng)等幅振蕩，還要多次試湊，而用衰減曲線法較簡單，一般又有兩 種方法。（1）、4: 1衰減曲線法使系統(tǒng)處于純比例作用下，在達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察記錄曲線的衰減比，然后逐漸從大到小改變比例度，使出現(xiàn) 4: 1的衰減比為止，如圖 3所示。 記下此時(shí)的比例度8 s。再按表2的經(jīng)驗(yàn)公式來確定 PID數(shù)值。數(shù)參 調(diào) 被給定值表24: 1衰減曲線法數(shù)據(jù)表調(diào)節(jié)作用比例度8 （ %）積分時(shí)間Ti （分）微分時(shí)間Td （分）比例8 s比例積分1.2 8 s0.5Ts比例積分微分0.8 8 s0.3Ts0

12、.1Ts（2）、10: 1衰減曲線法有的過程，4: 1衰減仍嫌振蕩過強(qiáng)，可采用 10: 1衰減曲線法。方法同上，得到 10: 1 衰減曲線，記下此時(shí)的比例度8， s和上升時(shí)間T，s,再按表3的經(jīng)驗(yàn)公式來確定 PID的數(shù) 值。衰減曲線如圖4所示。調(diào)節(jié)作用比例度8 （ %）積分時(shí)間Ti （分）微分時(shí)間Td （分）比例3 / s比例積分1.2 y s2 T，S比例積分微分0.8 y s1 .2 T7 s0 .4 T7 s采用衰減曲線法必須注意幾點(diǎn)：1）、加給定干擾不能太大，要根據(jù)生產(chǎn)操作 要求來定，一般在 5%左右，也有例外的情況。2）、必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定的情況下才能加給 定干擾，否則得不到正確得S

13、s、Ts、或8，s和s值。3）、對(duì)于反應(yīng)快的系統(tǒng)，如流量、管道壓力 和小容量的液位調(diào)節(jié)等，要在記錄紙上嚴(yán)格得到 4: 1衰減曲線較困難，一般以被調(diào)參數(shù)來回波動(dòng) 兩次達(dá)到穩(wěn)定，就近似地認(rèn)為達(dá)到4: 1衰減過程了。下面舉一個(gè)現(xiàn)場整定的例子。在某塔頂溫 度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，被調(diào)參數(shù)是塔頂溫度，工藝允 許波動(dòng)為V 4 C,調(diào)節(jié)參數(shù)是回流量。在整定過 程中，考慮到對(duì)象滯后較大，反應(yīng)較慢的情況， 8的選擇從50%開始湊試起，此時(shí)在階躍作 用下（給定值降低2%）的過渡過程曲線見圖 5- （a）。此時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間長，不起振蕩，于是將 比例度減少，8 =30%、20%、及10%時(shí)的曲 線見（b）、（c）、（d）。顯然，2

14、0%的情況最好， 衰減比接近 4: 1, Ts=10分。按4: 1衰減曲線法數(shù)據(jù)表定出整定參數(shù)：8 =0.8 - 8 s=16%;Ti=0.3 - Ts=3 分；Td=0.1 - Ts=1 分。投運(yùn)時(shí)，先將8放在較大的數(shù)值，把 Ti 從大減少到3分，把Td從小到大逐步放-5%卜+5%S =50%(a)(d)大到1分，然后把8拉到 15%,（如果在8 =15%的條件下很快地把 Td放到1分，調(diào)節(jié)器的輸（e）圖5用衰減曲線法現(xiàn)場整定出會(huì)劇烈變化）。再對(duì)系統(tǒng)加2%的給定值變 化時(shí)，仍產(chǎn)生4： 1衰減過程，見圖（e）所示, 調(diào)節(jié)質(zhì)量顯著改善，超調(diào)量小于1C,調(diào)節(jié)時(shí)間為6.5分。3經(jīng)驗(yàn)試湊法這是在生產(chǎn)實(shí)

15、踐中所總結(jié)出來的方法，目前應(yīng)用最為廣泛，其步驟簡述如下：P、1）、根據(jù)不同調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)，先把 I、D各參數(shù)放在基本合適的數(shù)值上，這些數(shù)值是由大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得來的（按4: 1衰減），其范圍大致如表 4所示。但也有特殊情況超15分鐘以上，有的流量系統(tǒng)的比例度可出表列的范圍，例如有的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)積分時(shí)間長達(dá) 到200虬右等等。參數(shù)整定找最佳, 先是比例后積分, 曲線振蕩很頻繁, 曲線漂浮繞大彎, 曲線偏離回復(fù)慢, 曲線振蕩周期長, 曲線振蕩頻率快, 動(dòng)差大來波動(dòng)慢, 理想曲線兩個(gè)波, 一看二調(diào)多分析,從大到小順次查, 最后才把微分加; 比例度值要放大, 比例度值應(yīng)減小; 積分時(shí)間往下降, 積分時(shí)

16、間再加長; 先把微分降下來, 微分時(shí)間應(yīng)加長; 前高后低四比一, 調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低。1表4各調(diào)節(jié)系統(tǒng)PID參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表調(diào)節(jié)系統(tǒng)比例度8 （%）積分時(shí)間Ti （分）微分時(shí)間Td （分）說明流里40-1000.1-1對(duì)象時(shí)間常數(shù)小，并有雜散擾動(dòng)，8應(yīng)大， Ti較短，不必用微分。壓力30-700.4-3對(duì)象滯后一般不大，8略小，Ti略大，不用微分。液位20-801-58小，Ti較大，要求小局時(shí)可不用積分， 不用微分。溫度20-603-100.5-3對(duì)象容量滯后較大。8小，Ti大，加微分作用。2）、看曲線，調(diào)參數(shù)，根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，看曲線的形狀，直接在閉合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中逐步反 復(fù)試湊，一直得到滿意數(shù)據(jù)。在實(shí)

17、踐中，把具體整定的方法總結(jié)了幾段順口溜。都是從大到小逐步加上去，微分是最后才考慮的。Ti,最后才加Tdo應(yīng)用中較穩(wěn)妥。Ti的某個(gè)數(shù)值，如果需要微分，則取Td= （1/31/4） Ti,第一段講的是整定順序，8和 Ti 第二段講的是比例度如何整定。第三段講的是積分時(shí)間如何整定。第四段講的是微分時(shí)間如何整定。 第五段講的是標(biāo)準(zhǔn)。上面這種方法步驟是先加8 ,再加 另一種方法是先從表列范圍內(nèi)取然后對(duì)8進(jìn)行試湊，也能較快地達(dá)到要求。實(shí)踐證明，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)亟M合8和Ti的數(shù)值，可以得到同樣衰減比的曲線，就是說，8的減少，可以用增加Ti的辦法來補(bǔ)償，而基本上不影響調(diào)節(jié)過程的質(zhì)量。所以，這種情況，先確定T

18、i、Td再確定8的順序也是可以的。而且可能更快些。如果曲線仍然不理想， 可用Ti、Td再加以適當(dāng)調(diào)整。另外，將所在裝置控制系統(tǒng)的PID參數(shù)記錄下來，是一個(gè)很好的做法。3）、在不熟悉的生產(chǎn)過程中，應(yīng)先進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。進(jìn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)確定比例度、積 分時(shí)間、微分時(shí)間。當(dāng)調(diào)節(jié)輸出變化一點(diǎn)點(diǎn)而影響測量值有較大變化的這種場合，為考慮到 系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)加大比例度，反之，則減小比例度。當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出變化時(shí)，在生產(chǎn)過程 中希望測量值跟蹤時(shí)間較短，則應(yīng)該縮短積分時(shí)間，回復(fù)時(shí)間長的生產(chǎn)過程則應(yīng)該有較長的 微分時(shí)間。（1）、比例、積分調(diào)節(jié)a）、積分時(shí)間置于最大b）、微分時(shí)間切除c）、按下述方法尋求比例度的最佳值。

19、把比例度從較大數(shù)值逐漸往下降（例如100% 50%一20%）這時(shí)仔細(xì)觀察各個(gè)比例度情況下的調(diào)節(jié)過程，直至開始產(chǎn)生周期性振蕩。（測量值以給定值為中心作有規(guī)則得振蕩），在產(chǎn)生周期性振蕩得情況下，把此比例度逐漸加寬直至系統(tǒng)充 分穩(wěn)定。d）、接下去把積分時(shí)間逐漸縮短，一般減少積分時(shí)間即縮短了測量值跟蹤給定值得時(shí)間，但 是由于過程有延遲，積分時(shí)間縮短時(shí)，仍會(huì)產(chǎn)生振蕩，此時(shí)，表示積分時(shí)間過短，應(yīng)把積分 時(shí)間稍加延長，直至振蕩停止。（2）、比例、積分、微分調(diào)節(jié)a）、積分時(shí)間置于最大b）、微分時(shí)間置于最小c）、和前面的比例、積分調(diào)節(jié)作用一樣改變比例度，求起振點(diǎn)。d）、加大微分時(shí)間使振蕩停止，接著把比例度調(diào)得稍

20、小一些，使振蕩又產(chǎn)生，加大微分時(shí)間， 使振蕩再停止，來回這樣操作，直至雖加大微分時(shí)間，但不能使振蕩停止，以求得微分時(shí)間 的最佳值，此時(shí)把比例度調(diào)得稍大一些直至振蕩停止。e）、把積分時(shí)間調(diào)成和微分時(shí)間相同的數(shù)值一般情況下是沒有什么問題的，如果又產(chǎn)生振蕩則加大積分時(shí)間直至振蕩停止。以上方法依據(jù)經(jīng)驗(yàn)試湊法，實(shí)際應(yīng)用過程中根據(jù)需要和習(xí)慣選用某一種。4反應(yīng)曲線法反應(yīng)曲線是表達(dá)對(duì)象特性的方法之一。反應(yīng)曲線法，是需要預(yù)先測量反應(yīng)曲線，通過對(duì) 象動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)定出整定參數(shù)的方法。而在某些工藝對(duì)象上的約束條件比較嚴(yán)，測試有困難； 而在另一些對(duì)象上，干擾因素較多，且較頻繁，測試就不易準(zhǔn)確，因此應(yīng)用場合受到限制。 一

21、般現(xiàn)場應(yīng)用較少，這里就不再多講。5幾種曲線的區(qū)別與判斷在實(shí)際的參數(shù)整定過程中，不論采取什么樣的整定方法，理想曲線與實(shí)際曲線都存在著 差別，下面介紹幾種經(jīng)實(shí)踐總結(jié)出來的曲線與判斷結(jié)果，供整定中參考。1）、積分時(shí)間過小，振蕩周期長，輸出變化到指示變化時(shí)間長。 比例度過小，振蕩周期短，輸出變化到指示變化時(shí)間短。微分時(shí)間過長，振蕩周期最短，輸出變化到指示變化時(shí)最短。 2）、a、b、比例度過大，曲線漂浮繞大彎。積分時(shí)間過長，曲線偏離回復(fù)慢。第四節(jié)復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定以串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例來說明復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定方法。由于串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，有主、 副兩組參數(shù)，各通道及回路間存在著相互聯(lián)系和影響。改變主、副

22、回路的任一參數(shù)，對(duì)整個(gè) 系統(tǒng)都有影響。特別是主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)相差不大時(shí)，動(dòng)態(tài)聯(lián)系密切，整定參數(shù)的工作尤 其困難。在整定參數(shù)前，先要明確串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的。如果主要是保證主參數(shù)的調(diào)節(jié)質(zhì)量， 對(duì)副參數(shù)要求不高，則整定工作就比較容易；如果主、副參數(shù)都要求高，整定工作就比較復(fù) 雜。下面介紹“先副后主”兩步參數(shù)整定法。第一步：在工況穩(wěn)定情況下，將主回路閉合，把主調(diào)節(jié)器比例度放在100%,積分時(shí)間放在最大，微分時(shí)間放在零。用 4: 1衰減曲線整定副回路，求出副回路得比例度8 2s和振蕩周 期 T2S0第二步：把副回路看成是主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，使用4: 1衰減曲線法整定主回路，求得主調(diào)節(jié)器8 is和Tis。根據(jù)8 is、8