PID参数的整定方法Word格式.docx

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I就是积分，就是对输入偏差进行积分运算；

D就是微分，对输入偏差进行微分运算。

至于是谁发明的PID控制方法，不得而知，但确实是一个天才。

3．日常生活中的PID应用

在日常生活中，人们不自觉的会应用到PID控制思想，只是没有上升到理论高度。

比方说桌子上放个物体，样子像块金属。

你心里会觉得这个物体比较重，就用较大力量去拿，可是这个东西其实是木头做的，外观被加工成了金属的样子。

手一下子“拿空了”，用力过猛，这是怎么回事？

比例作用太强了。

导致你的大脑发出指令，让你的手输出较大的力矩，导致“过调”。

还是那个桌子，还放着一块相同样子的东西，这一次你会用较小的力量去拿。

可是东西纹丝不动。

怎么回事？

原来这个东西确确实实是金属做的。

刚才你调整小了比例作用，导致比例作用过弱。

导致你的大脑发出指令，命令你的手输出较小的力矩，导致“欠调”。

还是那个桌子，第三块东西样子跟前两块相同，这一次你一定会小心点了，开始力量比较小，感觉物体比较沉重了，再逐渐增加力量，最终顺利拿起这个东西。

为什么顺利了呢？

因为这时候你不仅使用了比例作用，还使用了积分作用，根据你使用的力量和物体重量之间的偏差，逐渐增加手的输出力量，直到拿起物品以后，你增加力量的趋势才得以停止。

4．PID整定口诀

相信大家在学习过程中都见过下面这PID参数的整定口诀：

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。

曲线漂浮绕大弯，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，前高后低四比一。

一看二调多分析，调节质量不会低。

可是，对于一个初学者来说，如果没有具体的实例，还是不能判断怎么算绕大弯，怎么叫做快怎么叫做慢。

咱们看看“曲线波动周期长，积分时间再加长。

”这句话。

要单纯理解这句话很不容易。

它的本意是说：

被调量波动不能稳定且周期较长，说明积分作用过强，需要将积分时间加长。

可积分时间是否过长，不是单纯看被调量的波动状况就能判断出来的。

尤其是多冲量复杂调节系统，同样被调量的曲线形状，不能唯一断定是某一种因素所致，我们需要把输出曲线放在一起综合衡量。

5．PID的工程整定方法：

其实这个方法已经被大家所熟知，并由PID优化软件进行实现。

浅白一点说，就是先把系统调为纯比例作用，然后增强比例作用让系统震荡，记录下比例作用和震荡周期，然后这个比例作用乘以0.6，积分作用适当延长。

公式表达如下：

Ｋｐ　＝　０．６×

Ｋｍ

Ｋｄ　＝　Ｋｐ×

π／4ω

Ｋｉ　＝　Ｋｐ×

ω／π

Ｋｐ为比例控制参数

Ｋｄ为微分控制参数

Ｋｉ为积分控制参数

Ｋｍ为系统开始振荡时的比例值；

ω为极坐标下振荡时的频率

这个方法只是提供一个大致的思路，具体情况要复杂得多。

6．PID的不足

PID控制法已经当之无愧的成了经典控制方法。

我们在控制理论中都会进行大篇幅的讲述，在我们电厂热力系统的控制中，绝大部分都采用PID控制方法，我们要讲的，也就是这种经典的PID控制。

可是对于大迟延的系统，或者是多输入多输出的强耦合系统，PID控制往往就变得无能为力了，不能取得良好的控制效果。

三．现代控制理论介绍

在PID调节诞生后，取得了很好的应用效果。

PID调节迅速普及。

但是，正如上面所述的，现实总是复杂的。

有些系统是PID应付不了的。

这就是现代控制理论的形成的原因。

下面介绍几种常用的现代控制思想

1．神经网络控制

总的来说，神经网络控制是模拟生物感知控制。

它将每个信号进行加权运算和小信号切除后，进行层运算，最终多路输出。

并行计算、分步信息储存、容错能力强是它突出的优点。

2．模糊控制

模糊控制诞生于1965年。

创始人是美国人（又是美国！

）模糊控制叫做Fuzzy控制，是将精确量模糊化，根据隶属度进行控制策略的选取，因为模糊控制对精细调节的优势不明显，后来又诞生了模糊+PID控制。

3．小波理论

第二节PID的参数整定

一．几个基本概念

1.单回路：

就是指自动调节系统只含有一个PID的调节系统。

2.串级：

一个PID不够用怎么办？

把两个PID串接起来，第一个PID的输出作为第二个PID的设定值，形成一个串级调节系统。

又叫双回路调节系统。

3.正作用：

对于PID调节器来说，输出随着被调量增高而增高，降低而降低的作用，叫做正作用。

比方说一个水池有一个进水口和一个出水口，进水量固定不变，依靠调节出水口的水量调节水池水位。

那么水位如果高了，就需要调节出水量增大，

4.负作用：

对于PID调节器来说，输出随着被调量的增高而降低的作用叫做负作用。

还是这个水池，我们把出水量固定不变，而依靠调节进水量来调节水池水位。

那么如果水池水位增高，就需要关小进水量。

5.动态偏差：

在调节过程中，被调量和设定值之间的偏差随时改变，任意时刻两者之间的偏差叫做动态偏差。

简称动差。

6.静态偏差：

调解趋于稳定之后，被调量和设定值之间还存在的偏差叫做静态偏差。

简称静差。

7.回调：

调节器调节作用显现，使得被调量开始由上升变为下降，或者由下降变为上升。

二．PID参数调整要观察的曲线

现在DCS在电厂控制领域很普及，曲线功能很强大，想收集什么曲线就收集什么曲线，投自动至少要观察以下曲线。

1、设定值。

作为比较判断依据；

2、被调量波动曲线。

3、PID输出。

就这么简单。

如果是串级调节系统，我们还要收集：

4、副调的被调量曲线；

5、PID输出曲线。

三．PID控制作用的特性分析

为今后曲线分析方便，我们把PID的作用人为分开，单独进行分析

1.P－比例作用曲线的特征分析

所谓的P，就是比例作用，就是把调节器的输入偏差乘以一个系数，作为调节器的输出。

一般来说，设定值不会经常改变，那就是说：

当设定值不变的时候，调节器的输出只与被调量的波动有关。

那么我们可以基本上得出如下一个概念性公式：

输出波动=被调量波动*比例增益

通过概念性公式，我们可以得到如下结论，对于一个单回路调节系统，单纯的比例作用下：

输出的波形与被调量的波形完全相似。

一句话简述：

被调量变化多少，输出乘以比例系数就变化多少。

P-比例作用下被调量曲线的几点推论：

（1）对于正作用的调节系统，顶点、谷底均发生在同一时刻。

（2）对于正作用的调节系统，被调量的曲线上升，输出曲线就上升；

被调量曲线下降，输出曲线就下降。

两者趋势完全一样。

（3）对于负作用的调节系统，被调量曲线和输出曲线相对。

（4）波动周期完全一致。

（5）只要被调量变化，输出就变化；

被调量不变化，不管静态偏差有多大，输出也不会变化。

上面5条推论很重要，请大家牢牢记住。

只有熟练掌握这些，才真正能够判断PID的影响。

对于一些最简单的有自平衡能力的调节系统，比如水池水位，就可以用一个单纯的比例调节系统完成调节。

2.I-纯积分作用曲线的特征分析

I就是积分作用。

积分相当于一个斜率发生器。

启动这个发生器的前提是调节器的输入偏差不等于零，斜率的大小与两个参数有关：

输入偏差的大小、积分时间。

在许多调节系统中，规定单纯的积分作用是不存在的。

它必须要和比例作用配合在一起使用才有意义。

为了分析方便，咱们把积分作用剥离开来，对其作单纯的分析。

那么单纯积分作用的特性总结如下：

（1）输出的升降与被调量的升降无关，与输入偏差的正负有关。

（2）输出的升降与被调量的大小无关。

（3）输出的斜率与被调量的大小有关。

（4）被调量不管怎么变化，输出始终不会出现阶跃扰动。

（5）被调量达到顶点的时候，输出的变化趋势不变，速率开始减缓。

（6）输出曲线达到顶点的时候，必然是输入偏差等于零的时候。

积分作用下的调节曲线

因输出的响应较比例作用不明显，故被调量开始变化的时刻t2，较比例作用缓慢。

在t1到t2的时间内，因为被调量不变，即输入偏差不变，所以输出以不变的速率上升，即呈线性上升。

调节器的输出缓慢改变，导致被调量逐渐受到影响而改变。

在t2时刻，被调量开始变化时，输入偏差逐渐减小，输出的速率开始降低。

到t3时刻，偏差为0时，输出不变，输出曲线为水平。

然后偏差开始为正时，输出才开始降低。

到t4时刻，被调量达到顶点开始回复，但是因偏差仍旧为正，故输出继续降低只是速率开始减缓。

直到t5时刻，偏差为0时，输出才重新升高。

一般来说，积分作用容易被初学者重视，重视是对的，因为它可以消除静态偏差。

可是重视过头了，就会形成积分干扰。

3.D-纯微分作用曲线的特征分析

D就是微分作用。

单纯的微分作用是不存在的。

同积分作用一样，我们之所以要把微分作用单独隔离开来讲，就是为了理解的方便。

微分作用的特点一句话简述：

被调量不动，输出不动；

被调量一动，输出马上跳。

微分作用的特点总结如下：

（1）微分作用与被调量的大小无关，与被调量的变化速率有关；

（2）与被调量的正负无关，与被调量的变化趋势有关；

（3）如果被调量有一个阶跃变化，就相当于输入变化的速度无穷大，那么输出会直接到最小或者最大。

所以，实际微分都是对幅度有限制的（Kd）。

（4）微分参数分为两个：

微分增益和微分时间。

微分增益表示输出波动的幅度，微分时间表示回归的快慢。

合理搭配微分增益和微分时间，会起到让你起初意想不到的效果。

比例积分微分三个作用各有各的特点。

总结如下：

比例作用：

输出与输入曲线相似。

积分作用：

只要输入有偏差输出就变化。

微分作用：

输入有抖动输出才变化，且会猛烈变化

4.比例积分作用的特征曲线分析 

比例积分作用，就是在被调量波动的时候，纯比例和纯积分作用的叠加。

普通的工程师最容易犯的毛病，就是难以区分波动曲线中，哪些因素是比例作用造成的，哪些因素是积分作用造成的。

如图所示，定值有阶跃扰动时，比例作用使输出曲线Tout同时有一个阶跃扰动，同时积分作用使Tout开始继续增大。

t2时刻后，被调量响应Tout开始增大。

此时比例作用因△e减小而使Tout开始降低（如图中点划线Tout（δ）所示）；

但是前文说了积分作用与△e的趋势无关，与△e的正负有关，积分作用因△e还在负向，故继续使Tout增大，只是速率有所减缓。

比例作用和积分作用的叠加，决定了Tout的实际走向，如图Tout（δi）所示。

只要比例作用不是无穷大，或是积分作用不为零，从t2时刻开始，总要有一段时间是积分作用强于比例作用，使得Tout继续升高。

然后持平（t3时刻），然后降低。

在被调量升到顶峰的t5时刻，同理，比例作用使Tout也达到顶点（负向），而积分作用使得最终Tout的顶点向后延时（t6时刻）。

从上面的分析可以看出：

判断t6时刻的先后，或者说t6距离t5的时间，是判断积分作用强弱的标准。

一般来说，积分作用往往被初学者过度重视。

因为积分作用造成的超调往往被误读为比例作用的不当。

四．PID参数的整定

1.整定比例带（比例增益）

整定参数要根据上面提到的孤立分析的原则，先把系统设置为纯比例作用。

也就是说积分时间无穷大，微分增益为0。

最传统、原始的提法是比例带。

比例带是输入偏差和输出数值相除的差。

比例带越大，比例作用越弱。

它是增益的倒数。

就是说比例作用越强，比例增益也就越大。

整定比例作用比较笨的办法，逐渐加大比例作用，一直到系统发生等幅震荡，然后在这个基础上适当减小比例作用即可，或者把比例增益乘以0.6～0.8。

不过上述方法是有一点点风险的。

有的系统不允许设定值偏差大，要想明显地看出来什么是等幅震荡，就有可能威胁系统安全。

并且，在比例作用比较弱的时候，波动曲线往往也是震荡着的，有人甚至会把极弱参数下的波动当成了震荡，结果是系统始终难以稳定。

那么到底怎么判断震荡呢？

一般来说，对于一个简单的单回路调节系统，比例作用很强的时候，振荡周期是很有规律的，基本上呈正弦波形状。

而极弱参数下的波动也有一定的周期，但是在一个波动周期内，往往参杂了几个小波峰。

根据这个我们几乎大致可以判断比例作用了。

最终你所整定的系统，其调节效果应该是被调量波动小而平缓。

在一个扰动过来之后，被调量的波动应该是“一大一小两个波”。

2.整定积分时间

一个初学者往往过分注重积分作用，积分作用过强，容易造成系统震荡，或者损害执行机柜。

对于主调来说，主调的目的就是为了消除静态偏差。

如果能够消除静态偏差，积分作用就可以尽量的小。

在整定比例作用的时候，积分作用先取消。

比例作用整定好的时候，就需要逐渐加强积分作用，直到消除静差为止。

我们需要注意的是：

一般情况下，如果比例参数设置不合理，那么静差也往往难以消除。

在没有设置好比例作用的时候，初学者往往以为是积分作用不够强，就一再加强积分作用，结果造成了积分的干扰。

那么积分作用设置多少合理？

上图中，我们最需要关注的几个点是：

t5、t6、t7。

在t5，t7之间，t6的时刻反映了积分的强度。

t6过于靠近t5，则积分作用过弱；

t6过于靠近t7，则积分作用过强。

t6所处的位置，应该在t5、t7之间的1/2靠前一点。

也就是说，t6的位置等于，（t7—t5）之间的1/4到1/2之间。

为什么积分要这么弱？

当被调量回调的时候（t5时刻），说明调节器让执行机构发挥了调节作用，此时调节机构的开度足以控制被调量不会偏差更大，为了消除静态偏差，可以保持这个开度，或者让执行机构稍微继续动作一点即可。

如果此时被调量回调迅速，则说明执行机构的调节已经过量，那么必须也要让执行机构回调，执行机构的回调是怎样产生的？

是比例作用克服了积分作用而产生的，是比例和积分的叠加。

而此时Tout（δ）和Tout（i）所调节的方向是不一样的，一个为正，一个为负。

从上面的叙述，我们还可以验证前面的一个推理：

积分作用和比例作用是相对的。

当比例作用强的时候，积分也可以随之增强；

比例作用弱的时候，积分也必须随之下调。

积分作用只是辅助比例作用进行调节，它仅仅是为了消除静态偏差。

3.整定微分作用

微分作用比较容易判断，那就是PID输出“毛刺”过多。

一般来说，微分作用包含两个参数：

实际微分环节在前面已经说过。

图4就是实际应用中的微分环节。

其实理想的微分环节并不是这样的。

当阶跃扰动来临的时候，理想微分环节带来的调节输出是无穷大的。

微分为什么具有超前调节作用？

（1）、波动来临时，不管波动的幅度有多大，只要波动的速度够大，调节器就会令输出大幅度调整。

也就是说，波动即将来临的时候，波动的征兆就是被调量的曲线开始上升。

对于比例和积分作用来说，开始上升不意味着大幅度调节；

对于微分作用来说，开始上升就意味着调节进行了，因为“开始”的时候，如果速度上去了，输出就可以有一个大幅度的调整。

这是超前调节的作用之一。

（2）波动结束后，如果调节器调节合理，一般被调量经过一个静止期后，还会稍微回调一点。

在被调量处于静止期间，因为微分时间的作用，不等被调量回调，调节器首先回调。

这是微分的超前作用之二。

在微分增益增大的时候，一定要考虑到微分时间的调整。

否则调节曲线上会有很多毛刺。

毛刺直接影响到执行机构的频繁动作，一般来说，它是有害的。

好的调节效果，往往在调节曲线上是看不到毛刺的。

只可以在输出曲线上看到一个突出的陡升或者陡降。

要合理利用微粉增益和微分时间的搭配，会取得很好的调节效果。

微分作用是最容易判断的。

但是对于一个熟练整定PID参数的人来说，怎样充分发挥微分参数的“超前调节”作用，并且不增加对系统有害的干扰，仍旧是一个需要长久思考的问题。

有的系统把微分作用分出调节器以外。

比如火电厂主汽温度控制，许多人用“导前微分调节”。

所谓的“导前微分”，就是把微分分出调节器，专门对温度前馈量进行微分运算，然后把运算的结果叠加到PID的输出，去控制执行机构。

4.几点建议

一个精通参数整定的人，首先要熟悉系统工艺原理，更要观察运行人员对系统的操作。

只有我们知道怎样操作是正确的，才能够知道PID发出的指令是否正确的，才能够知道怎样修改PID参数。

对于系统工艺操作的理解，对于实际发生的各种干扰问题，运行操作员比我们更熟悉。

所以，我们还要虚心向他们请教。

系统发生了波动，到底是什么原因造成的？

什么因素之干扰的主要因素？

怎样操作弥补？

了解清楚之后，再加上我们的分析，才能得到最真实的资料。

五．自动控制系统的调节指标

1、衰减率：

大约为0.75最好。

用俗话说“一大一小两个波”最好

2、最大偏差：

系统稳定后，被调量与设定值的最大偏差。

一个整定好的稳定的调节系统，一般第一个波动最大，因为“一大一小两个波”，后面就趋于稳定了。

如果不能趋于稳定，系统调节就不成功

3、波动范围：

实际运行中的调节系统，扰动因素是不断存在的，因而被调量是不断波动着的，所以波动范围基本要达到一个区间。

4、执行机构动作次数。

动作次数决定了执行机构的寿命。

这里说的执行机构不光包括执行器，还包括调节阀门。

执行机构频繁动作不光损坏执行器，还会让阀门线性恶化。

5、稳定时间：

阶跃扰动后，被调量回到稳态所需要的时间。

稳定时间决定了系统抑制干扰的速度。

六．PID整定需要注意的几个问题

1、执行机构动作次数：

执行机构动作次数不能过频，过频则容易损坏执行机构。

动作次数与比例积分微分作用都有关系。

一般来说，合适的比例带使得系统波动较小，调节器的输出波动也就小，执行器波动也少；

如果输入偏差不为零，积分作用就会让输出一直向一个方向积下去。

积分过强的话，会让执行器一次只动作一点，但是频繁地一点点向一个方向动作；

微分作用会让执行器反复波动。

2、PID死区问题：

为了减少执行器动作次数，一般都对PID调节器设置个死区。

在偏差的死区内，都认为输入偏差为0。

当超过死区后，输入偏差才开始计算。

死区可以有效减少执行器的动作次数。

但是死区过大的话又带来调节精度降低的问题，对于一般不强调调节精度的调节系统，死死区应用很广泛。

提高死区降低精度的同时，也会降低调节系统稳定性。

因为它造成了调节滞后。

系统迟延。

这一点不大容易被人理解。

图8：

死区过大带来调节滞后，影响系统稳定性。

对于串级调节系统，主调的死区可以降低甚至取消。

设置副调的死区就可以降低执行机构的动作次数了。

3、调节裕度：

调节系统要有一个合适的调节裕度。

如果执行机构经常处于关闭或者开满状态，那么调节裕度就很小，调节质量就受到影响。

一般来说，阀门开度在80%以上，流量已经达到最大，所以执行机构经常开度在80%也可以说裕度减小了。

4、通流量问题：

调节阀门的孔径都是经过严格计算的。

不过也存在计算失误的时候。

通流量过大，执行机构稍微动作一点就可能发生超调；

反之执行机构大幅度动作还不能抑制干扰。

系统稳定不了。

所以，系统如果不能稳定，还应从系统以外找原因。

5、空行程问题

在一定的开度内，调节器输出有变化，执行器也动作了，可是阀门流量没变化，这属于空行程问题。

一般的机构都存在这个问题。

空行程一般都比较小，可以忽略。

可是如果过大，就不得不要重视这个问题了。

解决空行程的办法有很多，一般都在DCS内完成。

当然，如果执行器和阀门能够解决的，要以硬件解决为主。

6、线性问题

一般来说阀门开度与流量的关系都成平滑的线性关系。

如果阀门使用时间长，或者阀门受到损伤，线性就会改变。

线性问题可以有多种解决办法，既有参数整定的，也有控制策略的。

当然最根本的解决办法在于对线性恶化的治理。

如果是比较贵重的调速泵线性恶化，难以治理更换，那只好从调节系统寻找解决办法了。

在火电厂中普遍存在的问题：

减温水调节阀的线性恶化。

这基本上是个顽疾。

因为减温水调节阀动作频繁，经常在完全关闭和打开之间反复波动，相当多的电厂减温水阀门线性都很不好，而且还伴随着空行程偏大。

两个问题加起来，给自动调节带来很大的困难。

7、耦合问题

一个调节系统或者执行机构的调节，对另一个系统产生干扰互相干扰，或者是两个调节系统间互为干扰，产生直接耦合。

解耦的办法是先整定主动干扰的调节系统，再整定被动系统。

也可以在主动干扰

七．参数整定的几个认识误区

1、对微分的认识误区

认为微分就是超前调节，如果被调量或者测量值有滞后，就要加微分。

微分是有超前调节的功能，但是微分作用有些地方不能用：

测量值存在不间断的微小波动的时候。

尤其是水位、气压测量，波动始终存在，我们一直在考虑滤波呢，再加个微分，就会造成调节干扰。

不如不要微分。

2、对积分的认识误区

有些人发现偏差就要调积分，偏差存在有可能是系统调节缓慢，比例作用也有可能影响，如果积分作用盖过了比例作用，那么这个系统就很难稳定。

3、对耦合系统中，超前调节的认识误区

对于耦合系统，不管初学者熟练者都容易考虑一个捷径：

增加前馈调节。

这个问题甚至搞自动控制的老手都容易犯，毕竟捷径谁都想走。

比如众所周知的协调控制，经典控制法中，就有负荷和汽压互为前馈的控制策略设计。

这个方法也不为错，但是更普适更好的方法是一种整定参数的思想，参数设置合理的话这个前馈画蛇添足。

要积极探讨各种控制办法。

4、反馈过强

复杂调节系统中，前馈信号和反馈信号过强的话，会造成系统震荡，所以调解过程中不仅仅要注意PID参数，还要注意反馈参数。

尤其在汽包水位三冲量调节系统中，蒸汽流量和给水流量的信号都要经过系数处理。

有些未经处理的系统，在负荷波动的时候，就要退掉自动，否则会发生震荡的危险。

5、改变设定值以抑制超调

频繁改变设定值是干扰自动调节。

尤其减温水调节系统，没有必要依靠改变设定值来抑制超调。

那么什么