PID参数的工程整定方法（辅导讲义）.docx

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1、第一节基本控制规律及其作用效果在工业生产过程控制中，常用的基本调节规律大致可分为：1位式调节也就是常说的开/关式调节，它的动作规律是当被控变量偏离给定值时，调节器的输出不是最大就是最小，从而使执行器全开或全关。在实际应用中，常用于机组油箱恒温控制、水塔以及一些储罐的液位控制等。在实施时，只要选用带上、下限接点的检测仪表、位式调节器或P1.C、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O所示。图O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

2、6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%。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：1y(t)=Kpe(t)=e(t)其中：y(t)输出变化量。e(t)一一输入变化量。Kp一一比例增益。比例度，它是迎的倒数。3积分调节它依据“偏差是否存在”来动作

3、。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:y(t)4Je(t)dt其中：TI一一积分时间。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

4、太大，会引起振荡。微分控制规律的动态方程为：y(t)=TDde(t)dt其中：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，PlD三作用调节质量最好、Pl次之，积分最差因此很少单用。其中：PI作用的传递函数为：Gpi(三)=Kp(l+-)=W(l)TisOFis注意：1.即为积分控制规律的动态方程中ThPD作用的传递函数为：Gpd(三)=Kp(1+Tds)=!(1+Tds)注意：KE及即为微分控制规律的

5、动态方程中TD。PID作用的传递函数为：Gpid(三)=Kp(l+U+Tds)=4(l+-+Tds)TisOTis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；5一积分作用；第三节PlD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

6、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。

7、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

8、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k,周期为临界振荡周期Tk。记下5k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临界振荡不意图表1临界比例度法数据表调节作用比例度6（%）积分时间Ti（分）微分时间I（分）比例26k比例积分2.2k0.85Tk比例微分1.8k0.1Tk比例积分微分1.7k0.5Tk0.125Tk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

9、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so再按表2的经验公式来确定PID数值。表24：1衰减曲线法数据表调埼作用

10、比例度6（%）积分时间Ti（分）微分时间迟（分）比例S比例积分1.2s0.5Ts比例积分微分0.8s0.3Ts0.1Ts（2）10：1衰减曲线法有的过程，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6s和上升时间Ts,再按表3的经验公式来确定PlD的数值。衰减曲线如图4所示。表310:1衰减曲线法数据表调节作用比例度6（%）积分时间Ti（分）微分时间如（分）比例S比例积分1.26s2TS比例枳分微分0.86s1.2T,s0.4Ts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）

11、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6s、Ts.或6s和Ts值。3）对于反应快的系统，如流量、管道压力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V4C,调节参数是回流量。在整定过程中，考虑到对象滞后较大，反应较慢的情况，5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-（八）o此时调节时间长，不起振荡，于是将比例度减少，6=30%、20%、及10%时的曲线见（b）、

12、（C）、（d）o显然,20%的情况最好，衰减比接近4：1,TS=IO分。按4：1衰减曲线法数据表定出整定参数：=0.8s=16%;Ti=0.3Ts=3分；Td=O.1Ts=I分。投运时，先将5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,然后把拉到15%,（如果在=15%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：1）根据不同调节系统的特点，先把P、I、D各参数放

13、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比例度6（%）积分时间Ti（分）微分时间腹（分）说明流量40-1000.1-1对象时间常数小,并有杂散扰动，6应大，Ti较短，不必用微分。压力30-700.4-3对象滞后一般不大，5略小，Ti略大，不用微分。液位20-801-56小，Ti较大，要求不高时可不用积分，不用微分。温度20-603-100.5-3对象容量滞后较大。6小，Ti大，加微分

14、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；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，5和Ti都是从大到小逐步加上去，微分是最后才“第二段讲的是比例度如何整定。第三段讲的是积分时间如何整定。第

15、四段讲的是微分时间如何整定。第五段讲的是标准。上面这种方法步骤是先加5,再加Ti,最后才加Td。应用中较稳妥。另一种方法是先从表列范围内取Ti的某个数值，如果需要微分，则取Td=（1314）Ti,然后对进行试凑，也能较快地达到要求。实践证明，在一定范围内适当地组合5和Ti的数值，可以得到同样衰减比的曲线，就是说，5的减少，可以用增加Ti的办法来补偿，而基本上不影响调节过程的质量。所以，这种情况，先确定Ti、Td再确定的顺序也是可以的。而且可能更快些。如果曲线仍然不理想，可用Ti、Td再加以适当调整。另外，将所在装置控制系统的PID参数记录下来，是一个很好的做法。3）在不熟悉的生产过程中，应先进行手动调节。进入自动调节时，应确定比例度、积分时间、微分时间。当调节输出变化一点点而影响测量值有较大变化的这种场合，为考虑到系统的稳定性，应加大比