PID參數(shù)如何設(shè)定調(diào)節(jié)

發(fā)布：2018-12-18 | 點擊：人次

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PID就是比例微積分調(diào)節(jié),具體你可以參照自動控制課程里有詳細(xì)介紹！正作用與反作用在溫控里就是當(dāng)正作用時是加熱,反作用是制冷控制。

PID控制簡介

目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。同時,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階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構(gòu)﹑輸入輸出接口。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口﹑執(zhí)行機構(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(inligentregulator),其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器,能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC),還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。

可編程控制器(PLC)是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(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)來實現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。

1、開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loopcontrolsystem)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(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)

閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loopcontrolsystem)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出,形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋,若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反,則稱為負(fù)反饋(NegativeFeedback),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zui后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛,就沒有了反饋回路,也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。另例,當(dāng)一臺真正的全自動洗衣機具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈,并在洗凈之后能自動切斷電源,它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3、階躍響應(yīng)

階躍響應(yīng)是指將一個階躍輸入（stepfunction）加到系統(tǒng)上時,系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進入穩(wěn)態(tài)后﹐系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability),一個系統(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-stateerror)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,通常用上升時間來定量描述。

4、PID控制的原理和特點

在工程實際中,應(yīng)用zui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,控制理論的其它技術(shù)難以采用時,系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定,這時應(yīng)用PID控制技術(shù)zui為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時,zui適合用PID控制技術(shù)。PID控制,實際中也有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、微分計算出控制量進行控制的。

比例（P）控制

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

積分（I）控制

在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng),如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分,隨著時間的增加,積分項會增大。這樣,即便誤差很小,積分項也會隨著時間的增加而加大,它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小,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的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(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,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”項往往是不夠的,比例項的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項”,它能預(yù)測誤差變化的趨勢,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)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。

5、PID控制器的參數(shù)整定

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(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)、積分時間和微分時間的大小。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)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用,還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法,它主要依賴工程經(jīng)驗,直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行,且方法簡單、易于掌握,在工程實際中被廣泛采用。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,其共同點都是通過試驗,然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù),都需要在實際運行中進行zui后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個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)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期﹔(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。

PID參數(shù)的設(shè)定：是靠經(jīng)驗及工藝的熟悉,參考測量值跟蹤與設(shè)定值曲線,從而調(diào)整P\I\D的大小.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,液位L:P=20~80%,T=60~300s,流量L:P=40~100%,T=6~60s。書上的常用口訣：參數(shù)整定找zui佳,從小到大順序查先是比例后積分,zui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,比例度盤往小扳曲線偏離回復(fù)慢,積分時間往下降曲線波動周期長,積分時間再加長曲線振蕩頻率快,先把微分降下來動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長理想曲線兩個波,前高后低4比1一看二調(diào)多分析,調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低這里介紹一種經(jīng)驗法。這種方法實質(zhì)上是一種試湊法,它是在生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的行之有效的方法,并在現(xiàn)場中得到了廣泛的應(yīng)用。這種方法的基本程序是先根據(jù)運行經(jīng)驗,確定一組調(diào)節(jié)器參數(shù),并將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行,然后人為地加入階躍擾動（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)對控制過程的影響改變調(diào)節(jié)器參數(shù)。這樣反復(fù)試驗,直到滿意為止。經(jīng)驗法簡單可靠,但需要有一定現(xiàn)場運行經(jīng)驗,整定時易帶有主觀片面性。當(dāng)采用PID調(diào)節(jié)器時,有多個整定參數(shù),反復(fù)試湊的次數(shù)增多,不易得到zui佳整定參數(shù)。

下面以PID調(diào)節(jié)器為例,具體說明經(jīng)驗法的整定步驟：⑴讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)S0=0,實際微分系數(shù)k=0,控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行,由小到大改變比例系數(shù)S1,讓擾動信號作階躍變化,觀察控制過程,直到獲得滿意的控制過程為止。⑵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,同樣讓擾動信號作階躍變化,直至求得滿意的控制過程。(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。⑷引入適當(dāng)?shù)膶嶋H微分系數(shù)k和實際微分時間TD,此時可適當(dāng)增大比例系數(shù)S1和積分系數(shù)S0。和前述步驟相同,微分時間的整定也需反復(fù)調(diào)整,直到控制過程滿意為止。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：一個小電機帶一水泵進行壓力閉環(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)場調(diào)試時進行修正的。我提供一種增量式PID供大家參考△U(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)A=Kp(1+T/Ti+Td/T)B=Kp(1+2Td/T)C=KpTd/TT采樣周期Td微分時間Ti積分時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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