PID參數(shù)的如何設(shè)定調(diào)節(jié)

黃一鈁

PID控制簡介

目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志,。同時(shí),，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論,、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段,。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等,。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),。一個(gè)控控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)﹑輸入輸出接口,�,？刂破鞯妮敵鼋�(jīng)過輸出接口﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)﹐加到被控系統(tǒng)上﹔控制系統(tǒng)的被控量﹐經(jīng)過傳感器﹐變送器﹐通過輸入接口送到控制器,。不同的控制系統(tǒng)﹐其傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器,。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器,。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多,，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用,，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator),，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正,、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力,、溫度,、流量、液位控制器,，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC),，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等�,？删幊炭刂破�(PLC)是利用其閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn)PID控制,，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等,。還有可以實(shí)現(xiàn)PID    控制功能的控制器,，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連,，利用網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能,。

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 .1、開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒有影響,。在這種控制系統(tǒng)中,，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。

2,、閉環(huán)控制系統(tǒng)

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閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來影響控制器的輸出,，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋,，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反,，則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback)，若極性相同,，則稱為正反饋,，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng),。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多,。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋,，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作,。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路,，也就成了一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng),。另例，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈,，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源,，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3,、階躍響應(yīng)

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階躍響應(yīng)是指將一個(gè)階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時(shí),，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后﹐系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差,�,？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn),、快三個(gè)字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability),，一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作,，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的﹔準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,、控制精度,，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(Steady-state error)    描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差﹔快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性,，通常用上升時(shí)間來定量描述,。

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4、PID控制的原理和特點(diǎn)

在工程實(shí)際中,，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例,、積分、微分控制,，簡稱PID控制,，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史,，它以其結(jié)構(gòu)簡單,、穩(wěn)定性好、工作可靠,、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一,。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí),，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定,，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí),，最適合用PID控制技術(shù),。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制,。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,，利用比例、積分,、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的,。

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比例（P）控制

比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系,。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）,。

積分（I）控制

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在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系,。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng),，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）,。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分,，隨著時(shí)間的增加,，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣,，即便誤差很小,，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小,，直到等于零,。因此，比例+積分(PI)控制器,，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差,。

 微分（D）控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系,。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)    出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn),。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用,，其變化總是落后于誤差的變化,。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零,。這就是說,，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值,，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”,，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣,，具有比例+微分的控制器,，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值,，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào),。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性,。

5,、PID控制器的參數(shù)整定

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PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù),、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小,。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法,。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用,，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法,，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn),，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單,、易于掌握,，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法,，主要有臨界比例法,、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn),，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn),，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù),，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善�,，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法,。利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作﹔(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期﹔(3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù),。

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PID參數(shù)的設(shè)定：是靠經(jīng)驗(yàn)及工藝的熟悉，參考測(cè)量值跟蹤與設(shè)定值曲線,，從而調(diào)整P\I\D的大小,。

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PID控制器參數(shù)的工程整定,各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中P.I.D參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以下可參照：

溫度T: P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s

壓力P: P=30~70%,T=24~180s

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液位L: P=20~80%,T=60~300s

流量L: P=40~100%,T=6~60s

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書上的常用口訣：

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參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查

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 先是比例后積分,，最后再把微分加

; 曲線振蕩很頻繁,，比例度盤要放大

 曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳

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曲線偏離回復(fù)慢,，積分時(shí)間往下降

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 曲線波動(dòng)周期長,，積分時(shí)間再加長

曲線振蕩頻率快，先把微分降下來

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動(dòng)差大來波動(dòng)慢,。微分時(shí)間應(yīng)加長

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理想曲線兩個(gè)波,，前高后低4比1

一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低

這里介紹一種經(jīng)驗(yàn)法,。這種方法實(shí)質(zhì)上是一種試湊法,，它是在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的行之有效的方法，并在現(xiàn)場(chǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用,。

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 這種方法的基本程序是先根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),，確定一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行,，然后人為地加入階躍擾動(dòng)（如改變調(diào)節(jié)器的給定值）,，觀察被調(diào)量或調(diào)節(jié)器輸出的階躍響應(yīng)曲線。若認(rèn)為控制質(zhì)量不滿意,，則根據(jù)各整定參數(shù)對(duì)控制過程的影響改變調(diào)節(jié)器參數(shù),。這樣反復(fù)試驗(yàn)，直到滿意為止,。

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經(jīng)驗(yàn)法簡單可靠,，但需要有一定現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，整定時(shí)易帶有主觀片面性,。當(dāng)采用PID調(diào)節(jié)器時(shí),，有多個(gè)整定參數(shù)，反復(fù)試湊的次數(shù)增多,，不易得到最佳整定參數(shù),。

下面以PID調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟：

【1】讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)S0=0，實(shí)際微分系數(shù)k=0,，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行,，由小到大改變比例系數(shù)S1，讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化,，觀察控制過程,，直到獲得滿意的控制過程為止

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【2】取比例系數(shù)S1為當(dāng)前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)S0,，同樣讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化,，直至求得滿意的控制過程

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【3】積分系數(shù)S0保持不變，改變比例系數(shù)S1,，觀察控制過程有無改善,，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止,。否則,，將原比例系數(shù)S1增大一些，再調(diào)整積分系數(shù)S0,，力求改善控制過程,。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)S1和積分系數(shù)S0為止

【4】引入適當(dāng)?shù)膶?shí)際微分系數(shù)k和實(shí)際微分時(shí)間TD,，此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù)S1和積分系數(shù)S0,。和前述步驟相同，微分時(shí)間的整定也需反復(fù)調(diào)整,，直到控制過程滿意為止

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 注意：仿真系統(tǒng)所采用的PID調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)的工業(yè) PID調(diào)節(jié)器有所不同,，各個(gè)參數(shù)之間相互隔離，互不影響,，因而用其觀察調(diào)節(jié)規(guī)律十分方便,。

PID參數(shù)是根據(jù)控制對(duì)象的慣量來確定的。大慣量如：大烘房的溫度控制,，一般P可在10以上,I=3-10,D=1左右,。小慣量如：一個(gè)小電機(jī)帶一水泵進(jìn)行壓力閉環(huán)控制，一般只用PI控制,。P=1-10,I=0.1-1,D=0,這些要在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行修正的。

我提供一種增量式PID供大家參考

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△U(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

A=Kp(1+T/Ti+Td/T)

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B=Kp(1+2Td/T)

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C=KpTd/T

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T采樣周期 Td微分時(shí)間 Ti積分時(shí)間

用上面的算法可以構(gòu)造自己的PID算法,。

U（K）=U（K-1）+△U（K）

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秦風(fēng)

呵呵,，多謝介紹，認(rèn)識(shí)更深了

jun_boy

多謝介紹，認(rèn)識(shí)更深了

仞欲

呵呵 雖然了解了!但是再過一次也不錯(cuò)!謝謝