PID参数整定法总结

PID控制规律

2、PID传递函数

3、各环节的作用

比例环节作用：

系统一旦出现偏差，比例环节立即产生调节作用以减小系统偏差，比例作用大 ,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至遥成系统的不稳定。

积分环节作用：

使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分常数Ti.Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大,则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下隆,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合 ,组成(PI调节或PID调节器。

微分环节作用：

微分环节作用反映系统偏差信号的变化率1,具有预见性,,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调量,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率，而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分环节不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。

4、整定前准备

4.1确定控制器结构

在选择数字 PID参数之前,首先应该确定控制器的结构。

对允许有静差（或稳态误差）的系统,可以适当选择 P或PD控制器,使稳态误差在允许的范围内。

对必须消除稳态误差的系统,应选择包含积分控制的 PI或PID控制器。一般来说, PI,PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。

4.2确定控制器参数

在选择参数控制器结构确定后, 即可开始选择参数。参数的选择, 要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上, 一般要求整个闭环系统是稳定的, 对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪, 超调量小;在不同干扰作用下,能保证被控量在给定值;当环境参数发生变化时,整个系统能保持稳定,等等。这些要求,对控制系统自身性能来说,有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求,解决主要矛盾的主要方面，兼顾其他方面,适当地折衷处理。

5、整定方法

5.1 理论计算法

理论计算法，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，这里不具体介绍，详细的参考其他书籍或博客。

5.2 工程整定法

工程整定方法, 它主要依赖工程经验, 直接在控制系统的实验中进行, 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,主要有实验凑试法、扩充临界比例法、扩充响应曲线法等。

5.2.1 经验数据整定法

在实际工作过程中,由于被调对象的动态特性不是很容易确定,即使确定了,不仅计算困难,工作量大,往往其结果与实际相差较大,甚至事倍功半。因此,在实际生产过程中采用的是经验数据法。即根据各调节作用的规律,经过闭环实验,反复凑试,找出最佳调节参数。微机调速器参数最终要在现场实验好后,才能选出最优参数。厂家有规定的参考值,有一个范围,是理论计算出来的。因此要选择出最优参数,就必须在生产现场进行实验做记录曲线后方能得到。下面列举一些工程上常见被控量的相关参考整定数据经验。

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

5.2.2 实验试凑法

实验凑试法，一般也可以叫经验凑试法，是通过闭环运行或模拟,观察系统的响应曲线,然后根据各参数对系统的影响,反复凑试参数,直至出现满意的响应,从而确定 PID控制参数。

实验凑试法的整定步骤为 "先比例,再积分,最后微分 "。

(1)整定比例控制将比例控制作用由小变到大,观察各次响应,直至得到反应快、超调小的响应曲线。

(2)整定积分环节若在比例控制下稳态误差不能满足要求,需加入积分控制。先将步骤(1)中选择的比例系数减小为原来的 50~80%,再将积分时间置一个较大值,观测响应曲线。然后减小积分时间,加大积分作用,并相应调整比例系数,反复试凑至得到较满意的响应,确定比例和积分的参数。

(3)整定微分环节若经过步骤( 2) , PI控制只能消除稳态误差,而动态过程不能令人满意,则应加入微分控制,构成PID控制。先置微分时间 TD为0,逐渐加大TD,同时相应地改变比例系数和积分时间,反复试凑至获得满意的控制效果和 PID控制参数。

5.2.2 扩充临界比例度法

工程整定 PID参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法 ,其最大的优点是,参数的整定不依赖受控对象的数学模型,直接在现场整定、简单易行。扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象,是对连续 -时间PID控制器参数整定的临界比例度法的扩充。

整定步骤：

(1)预选择一个足够短的采样周期 T。一般说T应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。

(2)用选定的 T使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用,将控制选择为纯比例控制器,构成闭环运行。逐渐减小比例度（1/Kp）,即加大比例放大系数Kp,直至系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡 (稳定边缘) ,此时的比例度(吊塔k)和振荡周期(Tk)就是临界比例度和临界振荡周期。

(3)选择控制度。专指反映离散PID控制所能达到的最佳控制品质与连续PID控制所能达到的最佳控制品质之间差距的指标。通常采用误差平方积分作为控制效果的评价函数，见式。定义控制度采样周期T的长短会影响采样-数据控制系统的品质, 同样是最佳整定, 采样-数据控制系统的控制品质要低于连续-时间控制系统。因而,控制度总是大于 1的,而且控制度越大,相应的采样-数据控制系统的品质越差。控制度的选择要从所设计的系统的控制品质要求出发。

(4) 查表代入计算确定参数。根据所选择的控制度,查表2 得出数字 PID中相应的参数T,KP,TI和TD.

(5)运行与修正。将求得的各参数值加入 PID控制器,闭环运行,观察控制效果,并作适当的调整以获得比较满意的结果。

5.2.3 扩充响应曲线法

若已知系统的动态特性曲线,可以采用和模拟调节方法一样的响应曲线法进行整定.

步骤如下。断开微机调节器,使系统手动工作,当系统在给定值处处于平衡后,给一阶跃信号输入。用仪表记录被调参数在此阶跃作用下的变化过程曲线。如图 2所示。

在曲线最大斜率处做切线,求得滞后时间 t,对象时间常数以及它们的比值，根据所求得数据,查表2求得值Kp, Ti, Td;

表2 扩充响应曲线参数整定表

注：文中图表这些数据参考其他资料，仅供参考。

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