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PID控制器参数设定讲解

时间:2016-12-31 09:53 来源:电工之家 作者:编辑部
【摘要】PID控制器参数设定讲解 (1)PID是比例,积分,微分的缩写. 比例调节作用:是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。 积......

PID控制器参数设定讲解
(1)PID是比例,积分,微分的缩写.
比例调节作用:是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。
积分调节作用:是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大,则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
微分调节作用:微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。

(2) PID具体调节方法
①方法一
确定控制参数
数字PID控制器控制参数的选择,可按连续-时间PID参数整定方法进行。
在选择数字PID参数之前,首先应该确定控制器结构。对允许有静差(或稳态误差)的系统,可以适当选择P或PD控制器,使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统,应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说,PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。
选择参数
控制器结构确定后,即可开始选择参数。参数的选择,要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上,一般要求整个闭环系统是稳定的,对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪,超调量小;在不同干扰作用下,能保证被控量在给定值;当环境参数发生变化时,整个系统能保持稳定,等等。这些要求,对控制系统自身性能来说,有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求,兼顾其他方面,适当地折衷处理。
PID控制器的参数整定,可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上,PID控制器的参数常常是通过实验来确定,通过试凑,或者通过实验经验公式来确定。
常用的方法,采样周期选择,
实验凑试法
实验凑试法是通过闭环运行或模拟,观察系统的响应曲线,然后根据各参数对系统的影响,反复凑试参数,直至出现满意的响应,从而确定PID控制参数。
整定步骤
实验凑试法的整定步骤为"先比例,再积分,最后微分"。
(1)整定比例控制
将比例控制作用由小变到大,观察各次响应,直至得到反应快、超调小的响应曲线。
(2)整定积分环节
若在比例控制下稳态误差不能满足要求,需加入积分控制。
先将步骤(1)中选择的比例系数减小为原来的50~80%,再将积分时间置一个较大值,观测响应曲线。然后减小积分时间,加大积分作用,并相应调整比例系数,反复试凑至得到较满意的响应,确定比例和积分的参数。
(3)整定微分环节
若经过步骤(2),PI控制只能消除稳态误差,而动态过程不能令人满意,则应加入微分控制,构成PID控制。
先置微分时间TD=0,逐渐加大TD,同时相应地改变比例系数和积分时间,反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。
实验经验法
扩充临界比例度法
实验经验法调整PID参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法,其最大的优点是,参数的整定不依赖受控对象的数学模型,直接在现场整定、简单易行。
扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象,是对连续-时间PID控制器参数整定的临界比例度法的扩充。
整定步骤
扩充比例度法整定数字PID控制器参数的步骤是:
(1)预选择一个足够短的采样周期TS。一般说TS应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。
(2)用选定的TS使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用,将控制选择为纯比例控制器,构成闭环运行。逐渐减小比例度,即加大比例放大系数KP,直至系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡(稳定边缘),将这时的比例放大系数记为Kr,临界振荡周期记为Tr。
(3)选择控制度。
控制度,就是以连续-时间PID控制器为基准,将数字PID控制效果与之相比较。
通常采用误差平方积分
作为控制效果的评价函数。
定义控制度
采样周期TS的长短会影响采样-数据控制系统 的品质,同样是最佳整定,采样-数据控制系统的控制品质要低于连续-时间控制系统。因而,控制度总是大于1的,而且控制度越大,相应的采样-数据控制系统的品质越差。控制度的选择要从所设计的系统的控制品质要求出发。
(4) 查表确定参数。根据所选择的控制度,查表3一2,得出数字PID中相应的参数TS,KP,TI和TD。
(5)运行与修正。将求得的各参数值加入PID控制器,闭环运行,观察控制效果,并作适当的调整以获得比较满意的效果。
②方法二
2.3 PID参数整定方法
2.3.1 工程整定法
PID数字调节器的参数,除了比例系数Kp,积分时间Ti和微分时间Td外,还有1个重要参数即采样周期T。
1.采样周期T的选择确定
从理论上讲,采样频率越高,失真越小。但是,对于控制器,由于是依靠偏差信号来进行调节计算的,当采样周期T太小,偏差信号也会过小,此时计算机将失去调节作用;若采样周期T太长,则将引起误差。因此采样周期T必须综合考虑。采样周期的选择方法有两种,一种是计算法,另一种是经验法。
计算法由于比较复杂,特别是被控对象各环节时间常数难以确定,工程上较少用。经验法是一种凑试法,即根据人们在控制工作实践中积累的经验以及被控对象的特点,先选择一个采样周期T,进行试验,再反复改变T,直到满意为止。
2.Kp,Ti,Td的选择方法
1)扩充临界比例度法
扩充临界比例度法是简易工程整定方法之一,用它整定Kp,Ti,Td的步骤如下。
选择最短采样周期Tmin,求出临界比例度Su和临界振荡周期Tu。具体方法是将Tmin输入计算机,只有P环节控制,逐渐缩小比例度,直到系统产生等幅振荡。此时的比例度即为临界比例度Su,振荡周期称为临界振荡周期Tu。选择控制度为:(2-15)

通常当控制度为1.05时,表示数字控制方式与模拟方式效果相当。根据计算度,查表2-1可求出Kp,Ti,Td。

2)扩充响应曲线法
若已知系统的动态特性曲线,可以采用和模拟调节方法一样的响应曲线法进行整定,其步骤如下。
断开微机调节器,使系统手动工作,当系统在给定值处处于平衡后,给一阶跃输入。用仪表记录被调参数在此阶跃作用下的变化过程曲线。如图2-12所示。

在曲线最大斜率处做切线,求得滞后时间t,对象时间常数τ以及它们的比值τ/t。根据所求得的τ,t和τ/t值,查表2-2求得值Kp,Ti,Td。

2.3.2 经验法
在实际工作过程中,由于被调对象的动态特性不是很容易确定,即使确定了,不仅计算困难,工作量大,往往其结果与实际相差较大,甚至事倍功半。因此,在实际生产过程中采用的是经验法。即根据各调节作用的规律,经过闭环试验,反复凑试,找出最佳调节参数。微机调速器参数最终要在现场试验好后,才能选出最优参数。厂家有规定的参考值,有一个范围,是理论计算出来的。因此要选择出最优参数,就必须在生产现场进行试验做记录曲线后方能得到。
2.3.3 凑试法确定PID调节参数
凑试法是通过模拟(或闭环)运行观察系统的响应(例如,阶跃响应)曲线,然后根据各调节参数对系统响应的大致影响,反复凑试参数,以达到满意的响应,从而确定PID的调节参数。增大比例系数Kp一般将加快系统的响应,这有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调,并产生振荡,使稳定性变坏。增大式(2-2)中的Td有利于加快系统响应,使超调量减小,稳定性增加,但对于干扰信号的抑制能力将减弱。在凑试时,可参考以上参数分析控制过程的影响趋势,对参数进行先比例,后积分,再微分的整定步骤。其具体步骤如下:
首先整定比例部分。将比例系数由小调大,并观察相应的系统响应,直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差小到允许的范围之内,并且响应曲线已属满意,那么只需要用比例调节器即可,最优比例系数可由此确定。
当仅调节比例调节器参数,系统的静差还达不到设计要求时,则需加入积分环节。整定时,首先置积分常数Ti为一个较大值,经第一步整定得到的比例系数会略为缩小(如减小20%),然后减小积分常数,使系统在保持良好动态性能的情况下,静差得到消除。在此过程中,可根据响应曲线的好坏反复修改比例系数和积分常数,直至得到满意的效果和相应的参数。
若使用比例积分器,能消除静差,但动态过程经反复调整后仍达不到要求,这时可加入微分环节。在整定时,先置微分常数Td为零,在第二步整定的基础上,增大Td,同时相应地改变Kp和Ti,逐步凑试,以获得满意的调节效果和参数。
应该指出,在整定中参数的选定不是惟一的。事实上,比例、积分和微分三部分作用是相互影响的。从应用角度来看,只要被控制过程的主要性能指标达到设计要求,那么比例、积分和微分参数也就确定了。表2-3给出了一些常见的调节器参数选择范围。

(3)总结
PID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。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。
PID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。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;(2)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临界振荡周期;(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
PID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P\I\D的大小。
PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照:
温度T: P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s
压力P: P=30~70%,T=24~180s,
液位L: P=20~80%,T=60~300s,
流量L: P=40~100%,T=6~60s。
常用口诀:
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
曲线漂浮绕大湾,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,积分时间再加长
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
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