PID参数整定培训

PID参数整定培训一、过程控制系统基本知识二、PID特性曲线分析三、PID整定方法四、PID整定案例五、PID整定经验总结六、知识拓展—Lambda整定一、过程控制系统基本知识1自动控制系统的基本要求

快速性

稳定性

准确性一、过程控制系统基本知识定值控制系统的过渡过程2自动控制系统的过渡过程衰减比n----衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。一、过程控制系统基本知识稳定性

定值：4：13.1单项性能指标——衰减比回复时间Ts----回复时间是衡量过渡过程快速性的指标。定义：被控变量从原稳态值达到新稳态值所需要的时间。一、过程控制系统基本知识快速性3.2单项性能指标—回复时间

一、过程控制系统基本知识动态准确性

3.3单项性能指标—最大动态偏差

一、过程控制系统基本知识静态准确性

3.4单项性能指标—余差一、过程控制系统基本知识4基本概念单回路：就是只有一个PID的调节系统。串级：一个PID不够用怎么办？把两个PID串接起来，形成一个串级调节系统。又叫双回路调节系统。主调：串级系统中，要调节被调量的那个PID叫做主调。副调：串级系统中，输出直接去指挥执行器动作的那个PID叫做副调。主调的输出进入副调作为副调的设定值。一般来说，主调为了调节被调量，副调为了消除干扰。正作用：比方说一个水池有一个进水口和一个出水口，进水量固定不变，依靠调节出水口的水量调节水池水位。那么水位如果高了，就需要调节出水量增大，对于PID调节器来说，输出随着被调量增高而增高，降低而降低的作用，叫做正作用。一、过程控制系统基本知识反作用：还是这个水池，我们把出水量固定不变，而依靠调节进水量来调节水池水位。那么如果水池水位增高，就需要关小进水量。对于PID调节器来说，输出随着被调量的增高而降低的作用叫做反作用。动态偏差：在调节过程中，被调量和设定值之间的偏差随时改变，任意时刻两者之间的偏差叫做动态偏差。简称动差。静态偏差：调解趋于稳定之后，被调量和设定值之间还存在的偏差叫做静态偏差。简称静差。回调：调节器调节作用显现，使得被调量开始由上升变为下降，或者由下降变为上升。阶跃：被观察的曲线呈垂直上升或者下降，这种情况在异常情况下是存在的，比如人为修改数值，或者短路开路一、过程控制系统基本知识通用方块图5过程控制系统方框图二、PID特征曲线分析PID控制器的介绍PID控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID（比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation））控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。二、PID特征曲线分析PID控制器的优点PID控制具有以下优点：1、原理简单，使用方便；2、适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油等各种行业；3、鲁棒性强，即控制品质对控制对象特性的变化不大敏感。（一）P——纯比例作用趋势图的特征分析比例作用（P)：将控制器的输入偏差乘以一个系数，作为控制器的输出。输出波动（MV）=被调量波动（PV）*比例增益（设定值不变）特点：反应速度快，控制作用及时，在时间上没有延滞。二、PID特征曲线分析二、PID特征曲线分析①对余差的影响：在相同负荷变化量的扰动下，比例度δ越小，控制过程终了时的余差就越小。②对系统稳定性的影响：减小比例度会降低系统的稳定性。③对系统过渡过程的影响：随着比例度的减小，震荡加剧，震荡频率提高，即震荡周期缩短。推论二、PID特征曲线分析纯比例作用下的调节曲线二、PID特征曲线分析①输出的波形与被控变量的波形完全相似。②对于正作用的调节系统，顶点、谷底均发生在同一时刻。③对于副作用的调节系统，被调量的顶点就是输出的谷底，谷底就是输出的顶点。④对于正作用的调节系统，被调量的曲线上升，输出曲线就上升；被调量曲线下降，输出曲线就下降。两者趋势完全一样。⑤对于副作用的调节系统，被调量曲线和输出曲线相对。波动周期完全一致。⑥只要被调量变化，输出就变化；被调量不变化，不管静态偏差有多大，输出也不会变化。推论二、PID特征曲线分析①被调量回调的时候，输出必然回调吗？②纯比例调节系统会消除静差吗？③扰动不变的情况下，比例度与余差的关系？④纯比例控制系统的应用场合？思考题二、PID特征曲线分析（二）I——纯积分作用趋势图的特征分析积分作用（I）：如果调节器的输入偏差不等于零，就让调节器的输出按照一定的速度一直朝一个方向累加下去。

特点：无差系统。只有偏差不存在时，积分才会停止。控制作用随时间的积累缓慢增强，作用缓慢。二、PID特征曲线分析二、PID特征曲线分析①积分时间TI越小，积分控制作用的输出变化越快，积分控制作用越强。②适当减小积分时间，可使最大动态偏差减小，余差消除变快。③随着积分时间的减小，振荡加剧，振荡频率增加，系统稳定性下降。推论二、PID特征曲线分析纯积分作用下的调节曲线二、PID特征曲线分析①输出的升降与被调量的升降无关，与输入偏差的正负有关。②输出的升降与被调量的大小无关。③输出的斜率与被调量的大小有关。④被调量不管怎么变化，输出始终不会出现阶跃扰动。⑤被调量达到顶点的时候，输出的变化趋势不变，速率开始减缓。⑥输出曲线达到顶点的时候，必然时输入偏差等于零的时候。推论二、PID特征曲线分析①为什么积分作用会降低系统的稳定性？②为什么没有纯积分调节系统？思考题二、PID特征曲线分析（三）D——纯微分作用趋势图的特征分析微分作用（D）：以偏差的变化速率进行控制，具有“超前控制”作用。特点：被调量不动，输出不动；被调量一动，输出马上跳。二、PID特征曲线分析二、PID特征曲线分析①微分时间TD越大，微分控制作用的输出变化越快，微分控制作用越强。②选取适当的微分时间，可缩短系统的回复时间，提高系统的稳定性，减少动态偏差和余差。③引入太强的微分作用，会使系统振荡加剧，稳定性变差。推论二、PID特征曲线分析微分作用下的调节曲线二、PID特征曲线分析①微分作用与被调量大小无关，与被调量的变化速率有关。②与被调量的正负无关，与被调量的变化趋势有关。③如果被调量有一个阶跃，就相当于输入变化的速度无穷大，那么输出会直接到最小或者最大。④波动调节之后，输出还会自动拐回头。推论二、PID特征曲线分析比例作用：输出与输入曲线相似。积分作用：只要输入有偏差输出就变化。微分作用：输入有抖动输出才变化，且会猛变化。小结二、PID特征曲线分析（四）PI——比例积分作用趋势图的特征分析比例积分作用：就是在被调量波动的时候，纯比例和纯积分作用的叠加，简单的叠加。二、PID特征曲线分析比例积分作用下的调节曲线二、PID特征曲线分析（五）PID——比例、积分、微分作用趋势图的特征分析比例积分微分作用：集中三种控制作用的优点，既能快速进行控制，又能消除偏差，还可以根据被控变量的变化趋势超前动作，具有较好的控制性能。二、PID特征曲线分析比例积分微分作用下的调节曲线二、PID特征曲线分析二、PID特征曲线分析比例作用是最基本的控制作用，在整个控制过程中都起作用；微分作用主要在控制前期起作用，相当于预调；积分作用主要在控制后期起作用，相当于细调。总结二、PID特征曲线分析常用的控制规律①液位：一般要求不高，用P或PI控制规律。②流量：时间常数小，测量信息中夹杂有噪声，用PI控制规律。③压力：液体介质的时间常数小，气体介质的时间常数中等，用P或PI控制规律。④温度和成分分析：容量滞后较大，宜用PID控制规律。观察哪些曲线？①设定值（SV）——作为比较判断依据；②实时值（PV）——被控变量波动曲线；③控制器输出（MV）——阀位。对于一个单回路来说，我们需要收集的曲线：如果是串级调节系统，还需要收集：④副调的被调量曲线；⑤副调的PID输出曲线。三、PID整定方法三、PID整定方法PID参数设定对话框理论计算法：根据已知的广义对象特性及控制质量的要求，通过理论计算求出控制器的最佳参数。工程整定法：在已经投运的实际控制系统中，通过实验或探索来确定控制器的最佳参数。几种常用的工程整定法：1、经验凑试法2、临界比例度法3、衰减曲线法PID参数整定的方法三、PID整定方法经验凑试法参数整定思路先后顺序为先比例后积分最后加微分。①置控制器积分时间TI=∞，微分时间TD=0，选定一个合适的PB值作为起始值，将系统投入自动运行状态，整定比例度PD。②PB值调整好后，如要求消除余差，则要引入积分作用。在引入积分作用的同时，将比例度增加10%-20%。③如果是三作用控制器，则在已调整好PB和TI的基础上再引入微分作用。引入微分作用时，允许把PB和TI值缩小一点。三、PID整定方法经验凑试法三、PID整定方法被控变量被控对象特点比例度δ/%积分时间TI/min微分时间TD/min液位质量要求不高20~80——压力时间常数小30~700.4~3.0—流量时间常数小，波动，有噪声40~1000.1~1—温度滞后较大20~603~100.5~3.0控制器参数的经验数据表三、PID整定方法临界比例度法一个调节系统，在阶跃干扰作用下，出现既不发散也不衰减的等幅震荡过程，此过程成为等幅振荡过程，如右图所示。此时PID调节器的比例度为临界比例度δk，被调参数的工作周期称为临界周期Tk。三、PID整定方法临界比例度法整定PID参数步骤:1、被控系统稳定后,把PID调节器的积分时间放到最大,微分时间放到零(相当于切除了积分和微分作用,只使用比例作用)。2、通过外界干扰或使PID调节器设定值作一阶跃变化,观察由此而引起的测量值振荡。3、从大到小逐步把PID调节器的比例度减小，看测量值振荡的变化是发散的还是衰减的，如是衰减的则应把比例度继续减小；如是发散的则应把比例度放大。4、连续重复2和3步骤,直至测量值按恒定幅度和周期发生振荡,即持续4-5次等幅振荡为止。此时的比例度示值就是临界比例度δk，周期则称为临界振荡周期Tk。三、PID整定方法5、从振荡波形图来看,来回振荡1次的时间就是临界周期Tk,即从振荡波的第一个波的顶点到第二个波的顶点的时间。DCS在趋势记录曲线中可直接得出Tk。控制规律控制器参数δ/%TI/minTD/minP2δk——PI2.2δk0.85Tk—PID1.7δk0.5Tk0.13Tk注意事项：对于工艺不允许被控变量有等幅振荡的，不能采用此法。临界比例度法PID参数整定经验公式三、PID整定方法衰减曲线法衰减曲线法整定调节器参数通常会按照4:1和10:1两种衰减方式进行，两种方法操作步骤相同，但分别适用于不同工况的调节器参数整定。衰减曲线法是针对经验法和临界比度法的不足，并在他们的基础上反复实验得出的。4:1衰减曲线法整定调节器参数纯比例度作用下的自动调节系统，在比例度逐渐减小时，出现4:1衰减振荡过程，此时比例度为4：1衰减比例度δs，两个相邻同向波峰之间的距离为4:1衰减操作周期Ts，如右图所示：三、PID整定方法三、PID整定方法4:1衰减曲线法整定PID参数步骤:1、在闭合的控制系统中,将PID调节器变为纯比例作用,比例度放在较大的数值上。2、系统达到稳定后，通过外界干扰或使PID调节器设定值作一阶跃变化，观察记录曲线的衰减比。3、从大到小改变比例度，直至出现4:1衰减比为止，记下此时的比例度δs(叫4:1衰减比例度)并从曲线上得出衰减周期Ts。对有些控制对象，控制过程进行较快，难以从记录曲线上找出衰减比。这时只要被控量波动2次就能达到稳定状态,可近似认为是4:1的衰减过程，其波动1次时间为Ts。三、PID整定方法4、得到了衰减比例度Ps和衰减周期Ts后,就可根据表中的经验公式求出PID调节器的PID参数。5、将比例度放在比计算值略大的数值上，逐步引入积分和微作用。6、将比例度降至计算值上，观察运行，适当调整。4:1衰减曲线法PID参数整定经验公式控制规律控制器参数δ/%TI/minTd/minPδk——PI1.2δk0.5Ts—PID0.8δk0.3Ts0.1Ts

三、PID整定方法10:1衰减曲线法整定调节器参数调节系统中，由于采用4:1衰减比仍嫌振荡比较厉害，则可采用10:1的衰减过程，如下图所示。这种情况下由于衰减太快，要测量操作周期比较困难，但可测取从施加干扰开始至第一个波峰飞升时间Tr。三、PID整定方法10:1衰减曲线法整定调节参数步骤和4:1衰减曲线法完全一致，仅采用的整定参数和经验公式不同。10:1衰减曲线法PID参数整定经验公式控制规律控制器参数δ/%TI/minTd/minPδss——PI1.2δss2Tr—PID0.8δss1.2Tr0.4Tr衰减曲线法比较简便,适用于一般情况下的各种参数的控制系统。但对于干扰频繁，记录曲线不规则,不断有小摆动时，由于不易得到正确的衰减比例度δs和衰减周期Ts，使得这种方法难于应用。三、PID整定方法三种控制器参数整定方法的比较上述三种工程整定方法各有优缺点。经验凑试法简单可靠，能够应用于各种控制系统，特别适合扰动频繁、记录曲线不太规则的控制系统;缺点是需反复凑试，花费时间长。同时，由于经验凑试法是靠经验来整定的，是一种“看曲线，调参数”的整定方法，所以对于不同经验水平的人，对同一过渡过程曲线可能有不同的认识，从而得出不同的结论，整定质量不一定高。因此，对于现场经验较丰富、技术水平较高的人，此法较为合适。三、PID整定方法临界比例度法简便且易于判断，整定质量较好，适用于一般的温度、压力、流量和液位控制系统;但对于临界比例度很小，或者工艺生产约東条件严格、对过渡过程不允许出现等幅振荡的控制系统不适用。衰减曲线法的优点是较为准确可靠，而且安全，整定质量较高，但对于外界动作用强烈且频繁的系统，或由于仪表、控制阀工艺上的某种原因面使记录曲线不规则，或难以从曲线上判断衰减比和衰减周期的控制系统不适用。因此，在实际应用中，一定要根据过程的情况与各种整定方法的特点，合理选择使用。四、PID整定案例四、PID整定案例四、PID整定案例四、PID整定案例五、PID整定经验总结在实际的调节过程中我们也发现了一系列的问题，这些问题并不是PID调节所能解决的：1、阀门的选型不合适，过小或者过大。例如环己酮车间醇二塔液位LIC_13016的调节阀选型过小，当液位波动时阀门开到100%都要长一段时间才能把液位稳定下来，以至于不能进行及时的调节；2、阀门的精度达不到PID调节精度的要求。例如醇塔的再沸蒸汽FPV13011，该调节阀的精度是1%，当PID控制器给出低于1%的信号时阀门不会动作。3、工艺的波动导致PV值和MV值波动。特别是对于一些蒸发器，管网蒸汽的波动往往会引起工艺指标的不规则大幅度波动。例如烷塔的3#冷凝蒸发器，当管网压力波动时往往会引起蒸发器液位的不规则大幅度波动；4、对于一些比较重要的阀门操作员往往会采取阀门限幅或者选择手动模式。五、PID整定经验总结在调节过程中大家集思广益，分析成功和失败的原因。对于PID的调节做出了以下的经验总结：1、一般来说，在整定中，观察到曲线震荡很频繁，需把比例度增大以减少震荡；当曲线最大偏差大且趋于非周期过程时，需把比例度减少。

2、当曲线波动较大时，应增大积分时间；曲线偏离给定值后，长时间回不来，则需减小积分时间，以加快消除余差。

3、如果曲线震荡的厉害，需把微分作用减到最小，或暂时不加微分；曲线最大偏差大而衰减慢，需把微分时间加长而加大作用。4、比例度过小，积分时间过小或微分时间过大，都会产生周期性的激烈震荡。积分时间过小，震荡周期较长；比例带过小，震荡周期较短；微分时间过大，震荡周期最短

。五、PID整定经验总结（5）比例度过大或积分时间过长，都会使过渡过程变化缓慢。比例度过大，曲线如不规则的波浪较大的偏离给定值。积分时间过长，曲线会通过非周期的不正常途径，慢慢回复到给定值。（6）微分抗干扰能力较弱，如流量变化较快，一旦出现异常波动，微分会放大误差，导致调节无法控制。（所以除温度外，尽量不要加入微分调节）（7）比例度、积分时间过小，导致响应快，阀门要在短时间内调节，就会出现陡升陡降，甚至出现发散振荡，对生产造成影响。（8)PID调节完毕后，若条件允许应适当的给一个阶跃信号看回路的响应，特别是添加了微分回路。（9）工艺改变可能导致以前稳定的趋势变得波动，需要根据工艺改变进行调整PID。五、PID整定经验总结五、PID整定经验总结整定参数的几个认识误区1、对微分的认识误区认为微分就是超前调节，如果被调量或者测量值有滞后，就要加微分。微分是有超前调节的功能，但是微分作用有些地方不能用：测量值存在不间断的微小波动的时候。尤其是水位、气压测量，波动始终存在，我们一直在考虑滤波呢，再加个微分，就会造成调节干扰。不如不要微分。2、对积分的认识误区有些人发现偏差就要调积分，偏差存在有可能是系统调节缓慢，比例作用也有可能影响，如果积分作用盖过了比例作用，那么这个系统就很难稳定。3、死搬标准，强调个别指标教科书里，自动调节系统需要关注的指标有很多。这些指标都有助于自动调节系五、PID整定经验总结统的整定。但是自动好不好，不要硬套指标。最应关注的有两个指标：被调量波动范围、执行机构动作次数，其他都不是最必要的。4、改变设定值以抑制超调频繁改变设定值是干扰自动调节。尤其减温水系统，没有必要依靠改变设定值来抑制超调。那么什么情况下，需要人为干扰呢？在系统输出长时间最大或者最小的时候，说明达到了积分饱和，需要退出系统，然后再投即可。频繁改变设定值是干扰自动调节。5、主调快还是副调快？因系统而定，因参数而定。常规参数：主调的比例弱，积分强，以消除静差；副调的比例强，积分弱，以消除干扰。不绝对。五、PID整定经验总结趋势读定法整定口诀自动调节并不难，复杂系统化简单。整定要练硬功夫，图形特征看熟练。趋势读定三要素，设定被调和输出。三个曲线放一起，然后曲线能判读。积分微分先去掉，死区暂时也不要。比例曲线最简单，被调输出一般般。顶点谷底同时刻，升降同时同拐点。波动周期都一样，静态偏差没法办。比例从弱渐调强，阶跃响应记时间。时间放大十来倍，调节周期约在内。然后比例再加强，没有周期才算对。静差消除靠积分，能消静差就算稳。不管被调升或降，输出只管偏差存。输入偏差等于零，输出才会不积分。五、PID整定经验总结积分不可加太强，干扰调节成扰因。被调拐点零点间，输出拐点仔细辨，积分拐点再靠前，既消静差又不乱。微分分辨最容易，输入偏差多注意。偏差不动微分死，偏差一动就积极。跳动之后自动回，微分时间管回归。系统若有大延迟，微分超前最适宜。风压水位易波动，微分作用要丢弃。比例积分和微分，曲线判读特征真。如果不会看曲线，多看杖策行吟文。综合比较灵活用，盛极而衰来扼杀因。六、知识拓展—Lambda整定Lambda整定是用于减少过程波动的成功方法。从最简单的意义上讲，Lambda整定以所需的闭环响应速度实现回路的非振荡响应。通过选择