PID参数整定 经验DOCWord文档格式.docx
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只要选用带上、下限接点的检测仪表、位式调节器或PLC、再配一些继电器、电磁阀、执行器、磁力起动器等即可构成位式控制系统。
因此,位式控制的过渡过程必然是一个持续振荡的过程。
如图0所示。
图0位式控制的过渡过程
2比例调节
它依据“偏差的大小”来动作。
它的输出与输入偏差的大小成比例,调节及时,有力,但是有余差。
用比例度δ来表示其作用的强弱,用%表示。
例如比例度60%,即表示当偏差为量程的60%时,输出变化值为量程的100%。
δ越小,调节作用越强,调节作用太强时,会引起振荡。
比例调节作用适用于负荷变化小,对象纯滞后不大,时间常数较大而又允许有余差的控制系统中,常用于塔和储罐的液位控制以及一些要求不高的压力控制中。
使用时应注意,当负荷变化幅度较大时,为了平衡负荷变化所需的调节阀开度变化也将较大,待稳定后,被控变量的余差就可能较大。
比例控制规律的动态方程为:
其中:
y(t)——输出变化量。
e(t)——输入变化量。
Kp——比例增益。
δ——比例度,它是Kp的倒数。
3积分调节
它依据“偏差是否存在”来动作。
它的输出与偏差对时间的积分成比例,只有当余差完全消失,积分作用才停止。
其实质就是消除余差。
但积分作用使最大动偏差增大,延长了调节时间。
用积分时间Ti表示其作用的强弱,单位用分(或秒)表示。
Ti越小,积分作用越强,积分作用太强时,也会引起振荡。
积分控制规律的动态方程为:
TI——积分时间。
4微分调节
它依据“偏差变化速度”来动作。
它的输出与输入偏差变化的速度成比例,其实质和效果是阻止被调参数的一切变化,有超前调节的作用。
对滞后较大的对象有很好的效果。
使调节过程动偏差减少,余差也减少(但不能消除)。
用微分时间Td表示作用的强弱,单位用分(或秒)表示。
Td大,作用强,Td太大,会引起振荡。
微分控制规律的动态方程为:
TD——微分时间。
第二节实用的控制规律
由于位式调节及易引起振荡,所以除特定场合外,一般应用较少,使用较多的是比例、积分、微分调节作用。
但实际上单纯使用比例、积分、微分作用的场合也较少,最多使用的是三种调节规律的组合。
组合后的调节规律由图1所示,PID三作用调节质量最好、PI次之,积分最差因此很少单用。
PI作用的传递函数为:
注意:
δTi即为积分控制规律的动态方程中TI。
PD作用的传递函数为:
KpTd即为微分控制规律的动态方程中TD。
PID作用的传递函数为:
图1各种调节规律比较
1—比例微分作用;
2—比例积分微分作用;
3—比例作用;
4—比例积分作用;
5—积分作用;
第三节PID参数的工程整定方法
调节器参数的整定,是自动调节系统中相当重要的一个问题。
在调节方案已经确定,仪表及调节阀等已经选定并已装好之后,调节对象的特性也就确定了,调节系统的品质就主要决定于调节器参数的整定。
因此,调节器参数整定的任务,就是对已选定的调节系统,求得最好的调节质量时调节器的参数值,即所谓求取调节器的最佳值,具体讲就是确定最合适的比例度、积分时间和微分时间。
把参数整定工作放在怎样的位置,存在两种片面的看法:
一种看法是过分强调了参数整定的作用,把调节器参数整定看作自动化理论的核心,这当然是错误的。
因为调节器参数只能在一定范围内起作用,如果方案不合理,工况改变、或属于仪表和调节阀故障,则不论怎样去调整比例度,积分时间和微分时间,仍然达不到预定的调节质量要求。
同时,调节器参数在目前很难单纯依靠计算的方法来求取,因为计算法要遇到两个很大的困难,一是缺乏足够的对象动态特性资料,实验测试也不容易,二是计算方法繁琐,工作量大,而且对象往往有非线性或改变工艺参数的情况,所以化了不少力气算出来的结果仍不可靠。
另一种看法是过分地贬低参数整定的作用,我们会遇到三类不同的系统情况。
第一类是较容易调节的系统:
比例度、积分时间和微分时间可以放在很宽的范围,调节质量都能满足。
第二类是方案选择不当的系统,不论怎样去整定参数,系统仍不能良好的运行。
如果只看到以上两种情况,是会产生不必重视调节器参数整定的错觉。
实际上有相当多数量的系统介于这两种极端情况之间,这可以说是第三类的系统,它们在整定参数选择得当的时候,可以运行得很好,反之,在整定参数不合适时,调节质量就达不到要求。
我们不要将它们与第二类系统混同起来,错当成不能投入自动的系统。
另外,对第一类系统来说也有使调节质量进一步完善的要求。
因此,我们应当重视调节器参数整定的工作,而不要片面地看问题。
参数整定的方法很多,我们只介绍几种工程上最常用的方法。
1临界比例度法
这是目前使用较广的一种方法,具体作法如下:
先在纯比例作用下(把积分时间放到最大,微分时间放到零),在闭合的调节系统中,从大到小地逐渐地改变调节器的比例度,就会得到一个临界振荡过程,如图2所示。
这时的比例度叫临界比例度δk,周期为临界振荡周期Tk。
记下δk和Tk,然后按表1的经验公式来确定调节器的各参数值。
图2临界振荡示意图
表1临界比例度法数据表
调节作用
比例度δ(%)
积分时间Ti(分)
微分时间Td(分)
比例
2δk
比例积分
2.2δk
0.85Tk
比例微分
1.8δk
0.1Tk
比例积分微分
1.7δk
0.5Tk
0.125Tk
这种方法在下面两种情况下不宜采用:
1)、临界比例度过小,因为这时候调节阀很容易处于全开及全关位置,对于工艺生产不利,举例来说,对于一个用燃料油(或瓦斯)加热的炉子,如δ很小,接近双位调节,将一会儿熄火,一会儿烟囱浓烟直冲。
2)、工艺上约束条件较严格时,因为这时候如达到等幅振荡,将影响生产的安全运行。
2衰减曲线法
临界比例度法是要系统等幅振荡,还要多次试凑,而用衰减曲线法较简单,一般又有两种方法。
(1)、4:
1衰减曲线法
使系统处于纯比例作用下,在达到稳定时,用改变给定值的办法加入阶跃干扰,观察记录曲线的衰减比,然后逐渐从大到小改变比例度,使出现4:
1的衰减比为止,如图3所示。
记下此时的比例度δs。
再按表2的经验公式来确定PID数值。
图34:
1衰减调节过程曲线
表24:
1衰减曲线法数据表
δs
1.2δs
0.5Ts
0.8δs
0.3Ts
0.1Ts
(2)、10:
有的过程,4:
1衰减仍嫌振荡过强,可采用10:
1衰减曲线法。
方法同上,得到10:
1衰减曲线,记下此时的比例度δ's和上升时间T's,再按表3的经验公式来确定PID的数值。
衰减曲线如图4所示。
图410:
1衰减曲线示意图
表310:
δ's
1.2δ's
2T'S
0.8δ's
1.2T's
0.4T's
采用衰减曲线法必须注意几点:
1)、加给定干扰不能太大,要根据生产操作
要求来定,一般在5%左右,也有例外的情况。
2)、必须在工艺参数稳定的情况下才能加给
定干扰,否则得不到正确得δs、Ts、或δ's
和T's值。
3)、对于反应快的系统,如流量、管道压力(a)
和小容量的液位调节等,要在记录纸上严格得到
4:
1衰减曲线较困难,一般以被调参数来回波动
两次达到稳定,就近似地认为达到4:
1衰减过
程了。
下面举一个现场整定的例子。
在某塔顶温
度调节系统中,被调参数是塔顶温度,工艺允
许波动为<4℃,调节参数是回流量。
在整定过(b)
程中,考虑到对象滞后较大,反应较慢的情况,
δ的选择从50%开始凑试起,此时在阶跃作
用下(给定值降低2%)的过渡过程曲线见图
5-(a)。
此时调节时间长,不起振荡,于是将
比例度减少,δ=30%、20%、及10%时的曲
线见(b)、(c)、(d)。
显然,20%的情况最好,
衰减比接近4:
1,Ts=10分。
(C)
按4:
1衰减曲线法数据表定出整定参数:
δ=0.8·
δs=16%;
Ti=0.3·
Ts=3分;
Td=0.1·
Ts=1分。
投运时,先将δ放在较大的数值,把Ti
从大减少到3分,把Td从小到大逐步放
大到1分,然后把δ拉到15%,(如果在δ=15%(d)
的条件下很快地把Td放到1分,调节器的输
出会剧烈变化)。
再对系统加2%的给定值变
化时,仍产生4:
1衰减过程,见图(e)所示,
调节质量显著改善,超调量小于1℃,调节时
间为6.5分。
3经验试凑法
这是在生产实践中所总结出来的方法,目
前应用最为广泛,其步骤简述如下:
(e)
1)、根据不同调节系统的特点,先把P、图5用衰减曲线法现场整定
I、D各参数放在基本合适的数值上,这些数值
是由大量实践经验总结得来的(按4:
1衰减),其范围大致如表4所示。
但也有特殊情况超出表列的范围,例如有的温度调节系统积分时间长达15分钟以上,有的流量系统的比例度可到200%左右等等。
表4各调节系统PID参数经验数据表
调节系统
说明
流量
40-100
0.1-1
对象时间常数小,并有杂散扰动,δ应大,Ti较短,不必用微分。
压力
30-70
0.4-3
对象滞后一般不大,δ略小,Ti略大,不用微分。
液位
20-80
1-5
δ小,Ti较大,要求不高时可不用积分,不用微分。
温度
20-60
3-10
0.5-3
对象容量滞后较大。
δ小,Ti大,加微分作用。
2)、看曲线,调参数,根据操作经验,看曲线的形状,直接在闭合的调节系统中逐步反复试凑,一直得到满意数据。
在实践中,把具体整定的方法总结了几段顺口溜。
参数整定找最佳,从大到小顺次查,
先是比例后积分,最后才把微分加;
曲线振荡很频繁,比例度值要放大,
曲线漂浮绕大弯,比例度值应减小;
[1]
曲线偏离回复慢,积分时间往下降,
曲线振荡周期长,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,前高后低四比一,
一看二调多分析,调节质量不会低。
第一段讲的是整定顺序,δ和Ti都是从大到小逐步加上去,微分是最后才考虑的
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