PID參數(shù)的工程整定方法培訓(xùn)教材

1、PID參數(shù)的工程整定方法培訓(xùn)教材 2005年12月20日目 錄第一節(jié) 基本控制規(guī)律及其作用效果···························（1）第二節(jié) 實用的控制規(guī)律·············

2、;·····························（2）第三節(jié) PID參數(shù)的工程整定方法·················

3、3;·············（3）第四節(jié) 複雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定······························（8）附錄一 各廠家DCS系統(tǒng)PID相關(guān)資料

4、統(tǒng)計··················（8）附錄二 相關(guān)的名詞解釋·····························&#

5、183;············（9）第一節(jié) 基本控制規(guī)律及其作用效果在工業(yè)生產(chǎn)程序控制中，常用的基本調(diào)節(jié)規(guī)律大致可分為：1 位式調(diào)節(jié)也就是常說的開/關(guān)式調(diào)節(jié)，它的動作規(guī)律是當(dāng)被控變數(shù)偏離給定值時，調(diào)節(jié)器的輸出不是最大就是最小，從而使執(zhí)行器全開或全關(guān)。在實際應(yīng)用中，常用於機(jī)組油箱恒溫控制、水塔以及一些儲罐的液位控制等。在實施時，只要選用帶上、下限接點的檢測儀錶、位式調(diào)節(jié)器或PLC、再配一些繼電器、電磁閥、執(zhí)行器、磁力起動器等即可構(gòu)成位元式控制系統(tǒng)。因此，位式控制的過渡過程必然

6、是一個持續(xù)振盪的過程。如圖0所示。圖0 位式控制的過渡過程2 比例調(diào)節(jié)它依據(jù)“偏差的大小”來動作。它的輸出與輸入偏差的大小成比例，調(diào)節(jié)及時，有力，但是有餘差。用比例度來表示其作用的強(qiáng)弱，用%表示。例如比例度60%，即表示當(dāng)偏差為量程的60%時，輸出變化值為量程的100%。越小，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，調(diào)節(jié)作用太強(qiáng)時，會引起振盪。比例調(diào)節(jié)作用適用於負(fù)荷變化小，物件純滯後不大，時間常數(shù)較大而又允許有餘差的控制系統(tǒng)中，常用于塔和儲罐的液位控制以及一些要求不高的壓力控制中。使用時應(yīng)注意，當(dāng)負(fù)荷變化幅度較大時，為了平衡負(fù)荷變化所需的調(diào)節(jié)閥開度變化也將較大，待穩(wěn)定後，被控變數(shù)的餘差就可能較大。比例控制規(guī)律的動態(tài)方程

7、為：其中：y（t） 輸出變化量。e（t） 輸入變化量。Kp 比例增益。 比例度，它是Kp的倒數(shù)。3 積分調(diào)節(jié)它依據(jù)“偏差是否存在”來動作。它的輸出與偏差對時間的積分成比例，只有當(dāng)余差完全消失，積分作用才停止。其實質(zhì)就是消除餘差。但積分作用使最大動偏差增大，延長了調(diào)節(jié)時間。用積分時間Ti表示其作用的強(qiáng)弱，單位用分（或秒）表示。Ti越小，積分作用越強(qiáng)，積分作用太強(qiáng)時，也會引起振盪。積分控制規(guī)律的動態(tài)方程為：其中：TI 積分時間。4 微分調(diào)節(jié)它依據(jù)“偏差變化速度”來動作。它的輸出與輸入偏差變化的速度成比例，其實質(zhì)和效果是阻止被調(diào)參數(shù)的一切變化，有超前調(diào)節(jié)的作用。對滯後較大的對象有很好的效果。使調(diào)節(jié)過

8、程動偏差減少，餘差也減少（但不能消除）。用微分時間Td表示作用的強(qiáng)弱，單位用分（或秒）表示。Td大，作用強(qiáng)，Td太大，會引起振盪。微分控制規(guī)律的動態(tài)方程為：其中：TD 微分時間。第二節(jié) 實用的控制規(guī)律由於位式調(diào)節(jié)及易引起振盪，所以除特定場合外，一般應(yīng)用較少，使用較多的是比例、積分、微分調(diào)節(jié)作用。但實際上單純使用比例、積分、微分作用的場合也較少，最多使用的是三種調(diào)節(jié)規(guī)律的組合。組合後的調(diào)節(jié)規(guī)律由圖1所示，PID三作用調(diào)節(jié)品質(zhì)最好、PI次之，積分最差因此很少單用。其中：PI作用的傳遞函數(shù)為：注意：Ti即為積分控制規(guī)律的動態(tài)方程中TI。PD作用的傳遞函數(shù)為：注意：KpTd即為微分控制規(guī)律的動態(tài)方程中

9、TD。PID作用的傳遞函數(shù)為：圖1 各種調(diào)節(jié)規(guī)律比較1比例微分作用；2比例積分微分作用；3比例作用；4比例積分作用；5積分作用；第三節(jié) PID參數(shù)的工程整定方法調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中相當(dāng)重要的一個問題。在調(diào)節(jié)方案已經(jīng)確定，儀錶及調(diào)節(jié)閥等已經(jīng)選定並已裝好之後，調(diào)節(jié)物件的特性也就確定了，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)就主要決定於調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。因此，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的任務(wù)，就是對已選定的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，求得最好的調(diào)節(jié)品質(zhì)時調(diào)節(jié)器的參數(shù)值，即所謂求取調(diào)節(jié)器的最佳值，具體講就是確定最合適的比例度、積分時間和微分時間。把參數(shù)整定工作放在怎樣的位置，存在兩種片面的看法：一種看法是過分強(qiáng)調(diào)了參數(shù)整定的作用，把調(diào)節(jié)器參

10、數(shù)整定看作自動化理論的核心，這當(dāng)然是錯誤的。因為調(diào)節(jié)器參數(shù)只能在一定範(fàn)圍內(nèi)起作用，如果方案不合理，工況改變、或?qū)凫秲x錶和調(diào)節(jié)閥故障，則不論怎樣去調(diào)整比例度，積分時間和微分時間，仍然達(dá)不到預(yù)定的調(diào)節(jié)品質(zhì)要求。同時，調(diào)節(jié)器參數(shù)在目前很難單純依靠計算的方法來求取，因為計算法要遇到兩個很大的困難，一是缺乏足夠的物件動態(tài)特性資料，實驗測試也不容易，二是計算方法繁瑣，工作量大，而且物件往往有非線性或改變工藝參數(shù)的情況，所以化了不少力氣算出來的結(jié)果仍不可靠。另一種看法是過分地貶低參數(shù)整定的作用，我們會遇到三類不同的系統(tǒng)情況。第一類是較容易調(diào)節(jié)的系統(tǒng)：比例度、積分時間和微分時間可以放在很寬的範(fàn)圍，調(diào)節(jié)品質(zhì)都能

11、滿足。第二類是方案選擇不當(dāng)?shù)南到y(tǒng)，不論怎樣去整定參數(shù)，系統(tǒng)仍不能良好的運(yùn)行。如果只看到以上兩種情況，是會產(chǎn)生不必重視調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的錯覺。實際上有相當(dāng)多數(shù)量的系統(tǒng)介於這兩種極端情況之間，這可以說是第三類的系統(tǒng)，它們在整定參數(shù)選擇得當(dāng)?shù)臅r候，可以運(yùn)行得很好，反之，在整定參數(shù)不合適時，調(diào)節(jié)品質(zhì)就達(dá)不到要求。我們不要將它們與第二類系統(tǒng)混同起來，錯當(dāng)成不能投入自動的系統(tǒng)。另外，對第一類系統(tǒng)來說也有使調(diào)節(jié)品質(zhì)進(jìn)一步完善的要求。因此，我們應(yīng)當(dāng)重視調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的工作，而不要片面地看問題。參數(shù)整定的方法很多，我們只介紹幾種工程上最常用的方法。1 臨界比例度法這是目前使用較廣的一種方法，具體作法如下：先在純比

12、例作用下（把積分時間放到最大，微分時間放到零），在閉合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，從大到小地逐漸地改變調(diào)節(jié)器的比例度，就會得到一個臨界振盪過程，如圖2所示。這時的比例度叫臨界比例度k，週期為臨界振盪週期Tk。記下k和Tk，然後按表1的經(jīng)驗公式來確定調(diào)節(jié)器的各參數(shù)值。圖2 臨界振盪示意圖表1 臨界比例度法資料表調(diào)節(jié)作用比例度（%）積分時間Ti（分）微分時間Td（分）比例2k比例積分2.2k0.85Tk比例微分1.8k0.1Tk比例積分微分1.7k0.5Tk0.125Tk這種方法在下面兩種情況下不宜採用：1）、臨界比例度過小，因為這時候調(diào)節(jié)閥很容易處於全開及全關(guān)位置，對於工藝生產(chǎn)不利，舉例來說，對於一個用燃料油

13、（或瓦斯）加熱的爐子，如很小，接近雙位調(diào)節(jié)，將一會兒熄火，一會兒煙囪濃煙直沖。2）、工藝上約束條件較嚴(yán)格時，因為這時候如達(dá)到等幅振盪，將影響生產(chǎn)的安全運(yùn)行。2 衰減曲線法臨界比例度法是要系統(tǒng)等幅振盪，還要多次試湊，而用衰減曲線法較簡單，一般又有兩種方法。（1）、4：1衰減曲線法使系統(tǒng)處於純比例作用下，在達(dá)到穩(wěn)定時，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察記錄曲線的衰減比，然後逐漸從大到小改變比例度，使出現(xiàn)4：1的衰減比為止，如圖3所示。記下此時的比例度s。再按表2的經(jīng)驗公式來確定PID數(shù)值。圖3 4：1衰減調(diào)節(jié)過程曲線表2 4：1衰減曲線法資料表調(diào)節(jié)作用比例度（%）積分時間Ti（分）微分時間Td（

14、分）比例s比例積分1.2s0.5Ts比例積分微分0.8s0.3Ts0.1Ts（2）、10：1衰減曲線法有的過程，4：1衰減仍嫌振盪過強(qiáng)，可採用10：1衰減曲線法。方法同上，得到10：1衰減曲線，記下此時的比例度s和上升時間Ts，再按表3的經(jīng)驗公式來確定PID的數(shù)值。衰減曲線如圖4所示。圖4 10：1衰減曲線示意圖表3 10：1衰減曲線法資料表調(diào)節(jié)作用比例度（%）積分時間Ti（分）微分時間Td（分）比例s比例積分1.2s比例積分微分0.8s.採用衰減曲線法必須注意幾點：1）、加給定干擾不能太大，要根據(jù)生產(chǎn)操作要求來定，一般在5%左右，也有例外的情況。2）、必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定的情況下才能加給定干擾

15、，否則得不到正確得 s、Ts、或s和Ts值。3）、對於反應(yīng)快的系統(tǒng)，如流量、管道壓力 （a） 和小容量的液位元調(diào)節(jié)等，要在記錄紙上嚴(yán)格得到 4：1衰減曲線較困難，一般以被調(diào)參數(shù)來回波動兩次達(dá)到穩(wěn)定，就近似地認(rèn)為達(dá)到4：1衰減過程了。下面舉一個現(xiàn)場整定的例子。在某塔頂溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，被調(diào)參數(shù)是塔頂溫度，工藝允許波動為4，調(diào)節(jié)參數(shù)是回流量。在整定過 （b） 程中，考慮到物件滯後較大，反應(yīng)較慢的情況， 的選擇從50%開始湊試起，此時在階躍作 用下（給定值降低2%）的過渡過程曲線見圖 5-（a）。此時調(diào)節(jié)時間長，不起振盪，於是將比例度減少，=30%、20%、及10%時的曲線見（b）、（c）、（d）。顯

16、然，20%的情況最好，衰減比接近4：1，Ts=10分。 （C） 按4：1衰減曲線法資料表定出整定參數(shù)：=0.8·s=16%；Ti=0.3·Ts=3分； Td=0.1·Ts=1分。 投運(yùn)時，先將放在較大的數(shù)值，把Ti從大減少到3分，把Td從小到大逐步放大到1分，然後把拉到15%，（如果在=15% （d）的條件下很快地把Td放到1分，調(diào)節(jié)器的輸出會劇烈變化）。再對系統(tǒng)加2% 的給定值變化時，仍產(chǎn)生4：1衰減過程，見圖（e）所示， 調(diào)節(jié)品質(zhì)顯著改善，超調(diào)量小於1，調(diào)節(jié)時間為6.5分。3 經(jīng)驗試湊法這是在生產(chǎn)實踐中所總結(jié)出來的方法，目 前應(yīng)用最為廣泛，其步驟簡述如下： （

17、e）1）、根據(jù)不同調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點，先把P、 圖5 用衰減曲線法現(xiàn)場整定 I、D各參數(shù)放在基本合適的數(shù)值上，這些數(shù)值是由大量實踐經(jīng)驗總結(jié)得來的（按4：1衰減），其範(fàn)圍大致如表4所示。但也有特殊情況超出表列的範(fàn)圍，例如有的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)積分時間長達(dá)15分鐘以上，有的流量系統(tǒng)的比例度可到200%左右等等。表4 各調(diào)節(jié)系統(tǒng)PID參數(shù)經(jīng)驗資料表調(diào)節(jié)系統(tǒng)比例度（%）積分時間Ti（分）微分時間Td（分）說明流量40-1000.1-1對象時間常數(shù)小，並有雜散擾動，應(yīng)大，Ti較短，不必用微分。壓力30-700.4-3物件滯後一般不大，略小，Ti略大，不用微分。液位20-801-5小，Ti較大，要求不高時可不用積分

18、，不用微分。溫度20-603-100.5-3物件容量滯後較大。小，Ti大，加微分作用。2）、看曲線，調(diào)參數(shù)，根據(jù)操作經(jīng)驗，看曲線的形狀，直接在閉合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中逐步反複試湊，一直得到滿意資料。在實踐中，把具體整定的方法總結(jié)了幾段順口溜。參數(shù)整定找最佳，從大到小順次查，先是比例後積分，最後才把微分加；曲線振盪很頻繁，比例度值要放大，曲線漂浮繞大彎，比例度值應(yīng)減小；1曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降，曲線振盪週期長，積分時間再加長；曲線振盪頻率快，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，前高後低四比一，一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)品質(zhì)不會低。第一段講的是整定順序，和Ti都是從大到小逐步

19、加上去，微分是最後才考慮的。第二段講的是比例度如何整定。第三段講的是積分時間如何整定。第四段講的是微分時間如何整定。第五段講的是標(biāo)準(zhǔn)。上面這種方法步驟是先加，再加Ti，最後才加Td。應(yīng)用中較穩(wěn)妥。另一種方法是先從表列範(fàn)圍內(nèi)取Ti的某個數(shù)值，如果需要微分，則取Td=（1/31/4）Ti，然後對進(jìn)行試湊，也能較快地達(dá)到要求。實踐證明，在一定範(fàn)圍內(nèi)適當(dāng)?shù)亟M合和Ti的數(shù)值，可以得到同樣衰減比的曲線，就是說，的減少，可以用增加Ti的辦法來補(bǔ)償，而基本上不影響調(diào)節(jié)過程的品質(zhì)。所以，這種情況，先確定Ti、Td再確定的順序也是可以的。而且可能更快些。如果曲線仍然不理想，可用Ti、Td再加以適當(dāng)調(diào)整。另外，將所

20、在裝置控制系統(tǒng)的PID參數(shù)記錄下來，是一個很好的做法。3）、在不熟悉的生產(chǎn)過程中，應(yīng)先進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。進(jìn)入自動調(diào)節(jié)時，應(yīng)確定比例度、積分時間、微分時間。當(dāng)調(diào)節(jié)輸出變化一點點而影響測量值有較大變化的這種場合，為考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)加大比例度，反之，則減小比例度。當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出變化時，在生產(chǎn)過程中希望測量值跟蹤時間較短，則應(yīng)該縮短積分時間，回復(fù)時間長的生產(chǎn)過程則應(yīng)該有較長的微分時間。（1）、比例、積分調(diào)節(jié)a）、積分時間置於最大b）、微分時間切除c）、按下述方法尋求比例度的最佳值。把比例度從較大數(shù)值逐漸往下降（例如100%50%20%）這時仔細(xì)觀察各個比例度情況下的調(diào)節(jié)過程，直至開始產(chǎn)生週期性振盪。

21、（測量值以給定值為中心作有規(guī)則得振盪），在產(chǎn)生週期性振盪得情況下，把此比例度逐漸加寬直至系統(tǒng)充分穩(wěn)定。d）、接下去把積分時間逐漸縮短，一般減少積分時間即縮短了測量值跟蹤給定值得時間，但是由於過程有延遲，積分時間縮短時，仍會產(chǎn)生振盪，此時，表示積分時間過短，應(yīng)把積分時間稍加延長，直至振盪停止。（2）、比例、積分、微分調(diào)節(jié)a）、積分時間置於最大b）、微分時間置於最小c）、和前面的比例、積分調(diào)節(jié)作用一樣改變比例度，求起振點。d）、加大微分時間使振盪停止，接著把比例度調(diào)得稍小一些，使振盪又產(chǎn)生，加大微分時間，使振盪再停止，來回這樣操作，直至雖加大微分時間，但不能使振盪停止，以求得微分時間的最佳值，此時

22、把比例度調(diào)得稍大一些直至振盪停止。e）、把積分時間調(diào)成和微分時間相同的數(shù)值一般情況下是沒有什麼問題的，如果又產(chǎn)生振盪則加大積分時間直至振盪停止。以上方法依據(jù)經(jīng)驗試湊法，實際應(yīng)用過程中根據(jù)需要和習(xí)慣選用某一種。4 反應(yīng)曲線法反應(yīng)曲線是表達(dá)物件特性的方法之一。反應(yīng)曲線法，是需要預(yù)先測量反應(yīng)曲線，通過物件動態(tài)特性資料定出整定參數(shù)的方法。而在某些工藝物件上的約束條件比較嚴(yán)，測試有困難；而在另一些物件上，干擾因素較多，且較頻繁，測試就不易準(zhǔn)確，因此應(yīng)用場合受到限制。一般現(xiàn)場應(yīng)用較少，這裡就不再多講。5 幾種曲線的區(qū)別與判斷在實際的參數(shù)整定過程中，不論採取什麼樣的整定方法，理想曲線與實際曲線都存在著差別，

23、下面介紹幾種經(jīng)實踐總結(jié)出來的曲線與判斷結(jié)果，供整定中參考。1）、a、 積分時間過小，振盪週期長，輸出變化到指示變化時間長。b、 比例度過小，振盪週期短，輸出變化到指示變化時間短。c、 微分時間過長，振盪週期最短，輸出變化到指示變化時最短。2）、a、 比例度過大，曲線漂浮繞大彎。b、 積分時間過長，曲線偏離回復(fù)慢。第四節(jié) 複雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定以串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例來說明複雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定方法。由於串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，有主、副兩組參數(shù)，各通道及回路間存在著相互聯(lián)繫和影響。改變主、副回路的任一參數(shù)，對整個系統(tǒng)都有影響。特別是主、副物件時間常數(shù)相差不大時，動態(tài)聯(lián)繫密切，整定參數(shù)的工作尤其困難。在整定參數(shù)前，先要明確串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計目的。如果主要是保證主參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，對副參數(shù)要求不高，則整定工作就比較容易；如果主、副參數(shù)都要求高，整定工作就比較複雜。下面介紹“先副後主”兩步參數(shù)整定法。第一步：在工況穩(wěn)定情況下，將主回路閉合，把主調(diào)節(jié)器比例度放在100%，積分時間放在最大，微分時間放在零。用4：1衰減曲線整定副回路，求出副回路得比例度2s和振盪週期T2s。第二步：把副回路看成是主回路的一個環(huán)節(jié)