PID整定方法.docx
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PID整定方法
PID参数整定方法就是确定调节器的比例带PB、积分时间Ti和和微分时间Td。
一般可以通过理论计算来确定,但误差太大。
目前,应用最多的还是工程整定法:
如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。
各种方法的大体过程如下:
(1)经验法又叫现场凑试法,即先确定一个调节器的参数值PB和Ti,通过改变给定值对控制系统施加一个扰动,现场观察判断控制曲线形状。
若曲线不够理想,可改变PB或Ti,再画控制过程曲线,经反复凑试直到控制系统符合动态过程品质要求为止,这时的PB和Ti就是最佳值。
如果调节器是PID三作用式,那么要在整定好的PB和Ti的基础上加进微分作用。
由于微分作用有抵制偏差变化的能力,所以确定一个Td值后,可把整定好的PB和Ti值减小一点再进行现场凑试,直到PB、Ti和Td取得最佳值为止。
显然用经验法整定的参数是准确的。
但花时间较多。
为缩短整定时间,应注意以下几点:
①根据控制对象特性确定好初始的参数值PB、Ti和Td。
可参照在实际运行中的同类控制系统的参数值,或参照表3-4-1所给的参数值,使确定的初始参数尽量接近整定的理想值。
这样可大大减少现场凑试的次数。
②在凑试过程中,若发现被控量变化缓慢,不能尽快达到稳定值,这是由于PB过大或Ti过长引起的,但两者是有区别的:
PB过大,曲线漂浮较大,变化不规则,Ti过长,曲线带有振荡分量,接近给定值很缓慢。
这样可根据曲线形状来改变PB或Ti。
③PB过小,Ti过短,Td太长都会导致振荡衰减得慢,甚至不衰减,其区别是PB过小,振荡周期较短;Ti过短,振荡周期较长;Td太长,振荡周期最短。
④如果在整定过程中出现等幅振荡,并且通过改变调节器参数而不能消除这一现象时,可能是阀门定位器调校不准,调节阀传动部分有间隙(或调节阀尺寸过大)或控制对象受到等幅波动的干扰等,都会使被控量出现等幅振荡。
这时就不能只注意调节器参数的整定,而是要检查与调校其它仪表和环节。
(2)衰减曲线法是以4:
1衰减作为整定要求的,先切除调节器的积分和微分作用,用凑试法整定纯比例控制作用的比例带PB(比同时凑试二个或三个参数要简单得多),使之符合4:
1衰减比例的要求,记下此时的比例带PBs和振荡周期Ts。
如果加进积分和微分作用,可按表3-4-2给出经验公式进行计算。
若按这种方式整定的参数作适当的调整。
对有些控制对象,控制过程进行较快,难以从记录曲线上找出衰减比。
这时,只要被控量波动2次就能达到稳定状态,可近似认为是4:
1的衰减过程,其波动一次时间为Ts。
(3)临界比例带法,用临界比例带法整定调节器参数时,先要切除积分和微分作用,让控制系统以较大的比例带,在纯比例控制作用下运行,然后逐渐减小PB,每减小一次都要认真观察过程曲线,直到达到等幅振荡时,记下此时的比例带PBk(称为临界比例带)和波动周期Tk,然后按表3-4-3给出的经验公式求出调节器的参数值。
按该表算出参数值后,要把比例带放在比计算值稍大一点的值上,把Ti和Td放在计算值上,进行现场观察,如果比例带可以减小,再将PB放在计算值上。
这种方法简单,应用比较广泛。
但对PBk很小的控制系统不适用。
(4)反应曲线法,前三种整定调节器参数的方法,都是在预先不知道控制对象特性的情况下进行的。
如果知道控制对象的特性参数,即时间常数T、时间迟延ξ和放大系数K,则可按经验公式计算出调节器的参数。
利用这种方法整定的结果可达到衰减率φ=0.75的要求。
PID就是比例微积分调节,具体你可以参照自动控制课程里有详细介绍!
正作用与反作用在温控里就是当正作用时是加热,反作用是制冷控制。
PID控制简介
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时,控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口﹑执行机构﹐加到被控系统上﹔控制系统的被控量﹐经过传感器﹐变送器﹐通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器(仪表)已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用,有各种各样的PID控制器产品,各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator),其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC),还有可实现PID控制的PC系统等等。
可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制,而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连,如Rockwell的PLC-5等。
还有可以实现PID 控制功能的控制器,如Rockwell 的Logix产品系列,它可以直接与ControlNet相连,利用网络来实现其远程控制功能。
1、开环控制系统
开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。
在这种控制系统中,不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
2、闭环控制系统
闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。
闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈( Negative Feedback),若极性相同,则称为正反馈,一般闭环控制系统均采用负反馈,又称负反馈控制系统。
闭环控制系统的例子很多。
比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统,眼睛便是传感器,充当反馈,人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。
如果没有眼睛,就没有了反馈回路,也就成了一个开环控制系统。
另例,当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净,并在洗净之后能自动切断电源,它就是一个闭环控制系统。
3、阶跃响应
阶跃响应是指将一个阶跃输入(step function)加到系统上时,系统的输出。
稳态误差是指系统的响应进入稳态后﹐系统的期望输出与实际输出之差。
控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。
稳是指系统的稳定性(stability),一个系统要能正常工作,首先必须是稳定的,从阶跃响应上看应该是收敛的﹔准是指控制系统的准确性、控制精度,通常用稳态误差来(Steady-state error) 描述,它表示系统输出稳态值与期望值之差﹔快是指控制系统响应的快速性,通常用上升时间来定量描述。
4、PID控制的原理和特点
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。
PID控制,实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例(P)控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。
积分(I)控制
在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(System with Steady-state Error)。
为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。
这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。
因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分(D)控制
在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会 出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。
这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
5、PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
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。
三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
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。
书上的常用口诀:
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
这里介绍一种经验法。
这种方法实质上是一种试凑法,它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法,并在现场中得到了广泛的应用。
这种方法的基本程序是先根据运行经验,确定一组调节器参数,并将系统投入闭环运行,然后人为地加入阶跃扰动(如改变调节器的给定值),观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。
若认为控制质量不满意,则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。
这样反复试验,直到满意为止。
经验法简单可靠,但需要有一定现场运行经验,整定时易带有主观片面性。
当采用PID调节器时,有多个整定参数,反复试凑的次数增多,不易得到最佳整定参数。
下面以PID调节器为例,具体说明经验法的整定步骤:
⑴让调节器参数积分系数S0=0,实际微分系数k=0,控制系统投入闭环运行,由小到大改变比例系数S1,让扰动信号作阶跃变化,观察控制过程,直到获得满意的控制过程为止。
⑵取比例系数S1为当前的值乘以0.83,由小到大增加积分系数S0,同样让扰动信号作阶跃变化,直至求得满意的控制过程。
(3)积分系数S0保持不变,改变比例系数S1,观察控制过程有无改善,如有改善则继续调整,直到满意为止。
否则,将原比例系数S1增大一些,再调整积分系数S0,力求改善控制过程。
如此反复试凑,直到找到满意的比例系数S1和积分系数S0为止。
⑷引入适当的实际微分系数k和实际微分时间TD,此时可适当增大比例系数S1和积分系数S0。
和前述步骤相同,微分时间的整定也需反复调整,直到控制过程满意为止。
注意:
仿真系统所采用的PID调节器与传统的工业 PID调节器有所不同,各个参数之间相互隔离,互不影响,因而用其观察调节规律十分方便。
PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。
大惯量如:
大烘房的温度控制,一般P可在10以上,I=3-10,D=1左右。
小惯量如:
一个小电机带
一水泵进行压力闭环控制,一般只用PI控制。
P=1-10,I=0.1-1,D=0,这些要在现场调试时进行修正的。
我提供一种增量式PID供大家参考
△U(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)
A=Kp(1+T/Ti+Td/T)
B=Kp(1+2Td/T)
C=KpTd/T
T采样周期 Td微分时间 Ti积分时间
用上面的算法可以构造自己的PID算法。
U(K)=U(K-1)+△U(K)
介绍几种PID参数的整定
PID调节规律对于很多工程技术人员已经耳熟能详,它是在经典控制理论基础上发展出来的。
但是,我们发现,在实际的过程控制中,很多工程技术人员对于如何正确整定这些参数往往会束手无策,甚至无从下手,本文尝试介绍几种常用的方法,以期望对大家的工作有所帮助。
控制器的参数与系统所处的稳态工况有关。
一旦工况改变了,也就是过程对象的“特性”改变了,那么控制器参数的“最佳”值也就随着改变。
这就意味着需要随时整定控制器的参数,以满足控制系统满足过程控制对象的快速性、准确性和稳定性要求。
以下所作介绍,都是从理论书籍中来,欢迎批评指正,交流提高。
PID其控制图如下图1所示:
500)this.border=0>此主题相关图片如下:
500)this.border=0>实时控制一般要求被控过程是稳定的,对给定量的变化能够迅速响应,超调量要小(满足一定的指标要求)且有一定的抗干扰能力。
同时满足上述要求似乎是很困难的,尤其在实际应用中。
但主要指标必须要满足。
参数的选择可以即通过实验确定,也可以通过试凑法或者经验数据法得到。
以下为这主要集中参数整定方法。
1经验数据法PID控制器的参数整定在大量的工程实践中,逐渐被广大工程技术人员经过大量的经验积累找到了一种快捷的整定方法,就是我们现在介绍的所谓“经验法”。
实际上比例、积分和微分三部分作用是相互影响的,应用经验法可避免一些重复工作,节省调试时间,尤其是在缺少一些资料和试验数据的时候。
从应用的角度看,只要被控对象主要指标达到设计要求,能满足现场要求即可。
长期的实践经验发现,各种不同被控对象的PID的参数都是有一定规律的,也就是说有一定的数据范围。
这样就为现场调试提供了一个大致基准,可方便依据此基准迅速查找。
表1给出了几种常见被控量PID参数的经验数据,可供参考。
500)this.border=0>此主题相关图片如下:
500)this.border=0>2试凑法顾名思义,试凑法就是根据过渡过程中被调参数变化的情况进行再调整PID参数的方法。
此法边观察过程曲线(过过程变量变化情况),边修改参数,直到满意为止。
大家都知道,增大比例系数Kp会加快系统的响应速度,提高系统的快速性。
但过大的比例系数会使系统有较大的超调,有可能产生振荡使稳定性变差,并且有稳态误差。
减小积分系数KI将减少积分作用(与积分常数的变化相反),有利于减少超调使系统稳定,减小系统稳态误差,但系统消除静差的速度慢。
增加微分系数KD有利于加快系统的响应,使系统提前作出响应,使超调减少,稳定性增加,但缺点明显,对干扰的抑制能力差,而且整定不当反而使系统处于不稳定状态。
试凑时,一般可根据以上各参数特点,对参数实行先比例、后积分、再微分的步骤进行整定。
(1)比例部分整定。
首先将积分系数KI和微分系数KD置零,取消微分和积分作用而采用纯比例控制。
将比例系数Kp由小到大变化,观察系统的响应,直至响应速度快,且有一定范围的超调为止。
如果系统静差在规定范围之内,且响应曲线已满足设计要求,那么只需用纯比例调节器即可。
(2)积分部分整定。
如果比例控制系统的静差达不到设计要求,这时可以加入积分作用。
在整定时将积分系数KI由小逐渐增加(积分作用就逐渐增强),观察输出,系统的静差应逐渐减少直至消除(在性能指标要求下)。
反复试验几次,直到消除静差的速度满意为止。
注意这时的超调量会比原来加大,可能需要适当降低一些比例系数Kp。
(3)微分部分整定。
若使用比例积分(PI)控制器经反复调整仍达不到设计要求,应考虑加入微分作用。
整定时先将微分系数KD从零逐渐增加(微分作用逐渐增强),观察超调量和稳定性,同时相应地微调比例系数Kp、积分系数KI,逐步试凑,直到满意为止。
注意,在设计控制系统时,应使微分环节为实际微分环节,而不可以是理想微分环节。
3扩充临界比例度法也成为扩充临界比例带法。
这种方法适用于有自平衡能力的被控对象,是模拟系统中临界比例度法的扩充。
整定步骤如下:
(1)选择一个足够短的采样周期T。
所谓足够短,就是采样周期小于对象的纯滞后时间的1/10。
(2)让系统作纯比例控制,并逐渐缩小比例度ð(ð=1/Kp)使系统产生临界振荡。
此时的比例度和振荡周期就是临界比例度ðK和临界振荡周期TK。
(3)选定控制度。
所谓控制度,就是以模拟调节器为基准,将系统的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较,其比值即控制度。
表2位扩充临界比例度法的参数整定表。
500)this.border=0>此主题相关图片如下:
500)this.border=0>这样四个参数的整定问题就简化为一个参数Kp的整定问题了。
改变Kp,观察控制效果,直到满意为止。
欢迎各位多提宝贵意见,交流应用心得。
适用型PID控制器参数整定性能比较
2006.05.07北京清华大学热能工程系热能动力仿真与控制研究所(100084)徐峰李东海姜学智 来自:
电子技术应用
摘要:
基于蒙特卡罗实验原理,提出了一种针对适应型PID控制器的参数整定比较方法。
对于若干典型热工对象,利用所提出的方法,研究了Xiegler-Nichols方法、Chien-Hrones-Reswick方法、Cohen-Coon方法、IMC方法、IST2E最优方法、极点配置方法、幅值相位裕量方法所设计的适应型PID控制系统的性能比较问题。
关键词:
PID参数整定自适应控制蒙特卡罗方法
在控制理论和技术飞速发展的今天,PID控制由于其具有控制方法简单、稳定性好、可靠性高和易于现场调试等优点,被广泛应用于工业过程控制。
在实际过程中,被控过程经常存在时变不确定性的特点,自适应PID控制是解决这一问题的有效途径。
自适应PID控制的一种常用方案是通过在线辨识控制对象参数,根据一定的整定算法实时整定PID控制器参数。
对于各种参数整定方法,核心问题是控制系统的稳定性、收敛性和鲁棒性。
文献[1]、[2]基于一般对象,对几种典型的PID参数整定方法做过比较研究。
对于热工对象,参数在有界的范围内变动,在设计自适应型PID控制器的时候,采用何种PID控制器数整定方法可得到较好的控制效果,还有待研究。
本文针对经典Z-N法、Chien-Hrones-Reswick法、Cohen整定公式、极点配置法、内模法、IST2E最优整定算法和幅值相位裕量法(GPM)等PID参数整定算法、基于蒙特卡罗随机实验,定量分析了连续型适适应PID的性能鲁棒性,提出了适应型PID控制器参数整定的比较方法,并进行了实例研究。
1PID控制器参数整定公式及比较方法
本文中涉及的PID整定方法的参数整定公式见表1,有关符号见文献[3]、[4]。
本文所研究对象为单变量系统,可用如下的传递函数表示:
其中,N(s)与D(s)均为多项式,并且是互质的,N(s)阶数大于等于D(s),L为大于等于0的实数。
所研究的被控制对象模型含有一定的不确定性,设其传递函数的参数在有界区域内变动,因此其模型是一个传递函数族,以{G(s)}表示。
所采用的PID型控制器的表达式如下:
u(s)=Kp(1+1/Tis+Tds)e(s)
其参数Kp、Ti、Td均为正实数,因此所有PID型控制器组成一个控制器集合,以{PID}表示。
进行PID控制器设计时,通过某种PID整定方法可以获得控制器的三个参数,与被控制对象组成一个负反馈系统,其动态性能指标采用超调量σ%和调节时间Ts表示。
当被控制对象的参数发生变化时,需要利用获得的新被对象参数,重新整定控制器参数。
由于被控制对象是一个传递函数族,因此动态性能指标是一个集合,以下列符号表示:
{σ%,Ts}
可见这是一个二维向量的集合,是平面坐标图上的一个区域。
该区域与原点的距离大小反馈所整定的控制系统性能指标的好坏。
而该区域的大小,则反馈控制系统在对象参数变动下其性能指标的散布程度,反馈所整定的控制系统的性能鲁棒性。
PID参数整定的比较方法的具体步骤如下:
(1)确定所研究的被控制对象传递函数及其参数变化区间,构成一个传递函数族;
(2)确定要进行比较的PID整定方法,选取合适的试验次数N,保证当N取列大的值时,所得控制系统性能指标的散布程度不再有显著变化;
(3)选定一种PID整定方法;
(4)每次试验先根据随机抽取的原则在所建立的模型集合中得到一个具体的精确模型,根据模型的参数整定出PID控制器的参数,组成闭合回路,形成完整的PID控制系统进行试验,根据试验结果计算调节时间、超调量;
(5)重复步骤(4)N次,得到N组控制性能参数,根据这N组结果在坐标图上做出N个点的分布图;
(6)根据不同的整定方法重复步骤(3)~(5);
(7)根据所得到的结果比较各种整定方法的整定效果以及鲁棒性。
2仿真研究及结果比较分析
热工模型一[5]:
G(s)=k/(1+sT)n
取T:
16~24s,k:
0.8~1.2,n=3,仿真结果如图1所示,性能参数如表2所示。
表1第三类对象各种整定方法性能参数表
经典Z-N法
CHR法
Cohen法
超调量/%
9.55~9.81(9.68)
11.1~11.2(11.2)
20.0~20.5(20.3)
调节时间/s
99.4~154(131)
152~230(189)
80.2~130(105)
IMC法
最优法(IST2E)
极点配置法
幅值相位裕量法
5.40~6.56(6.08)
12.4~12.7(
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- PID 方法