PID参数整定实验--李维涛.doc

PID参数整定实验 在过程控制中,PID控制器(PID调节器)一直是应用最为广泛的一种自动控制器。在模拟过程控制中，PID控制算式为：u(t) =Kp+u0几个重要PID参数对系统控制过程的影响趋势： 增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。 增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。一般PID整定方法有以下几种：一.实验试凑法所谓实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。试凑法是工程控制中常用且重要的方法。 在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。 （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5080，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=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。二.ZN法 Z-N法又叫做临界比例度法，是目前使用较广的一种整定参数方法。实验步骤：1） 把调节器的积分环节和微分环节断开，比例度置较大数值，把系统投入闭环运行，然后将调节器比例度Kp由大逐渐减小，得到临界振荡过程。这时候的比例度叫做临界比例度Kpcnt，振荡的两个波峰之间的时间即为临界振荡周期Tn.2） 根据Kpcnt和Tn的值，运用表1中的经验公式，计算出调节器各个参数Kp、Ti和Td的值。3） 根据计算结果设置调节器的参数值。运行之后，即可得到响应曲线。控制器KpTiTdP0.5 Kpcnt-PI0.45 Kpcnt0.85 Tn-PID0.6 Kpcnt0.5 Tn0.12 Tn 表1三CC法C-C法也叫做动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程（包括Wv(s).被控对象Wo(s)和测量变送Wm(s)阶跃响应特性进行近似计算的方法在调节阀Wv(s)的输入端加一阶跃信号，记录测量变送器Wm(s)的输出响应曲线，根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数（-过程的滞后时间，T-过程的时间常数，K -平衡终值）。然后根据这些参数的数值，分别应用表2相应公式计算出调节器的整定参数值控制器KpTiTdPT0/ 2(K0 ) -PI0.9T0/2(K0 )3-PID1.2T0/2(K0 )20.5 表2下面以一阶（Gps=）、二阶( Gps= )和三阶( Gps= )控制对象说明，分别在P、PI和PID三种控制器作用下的不同。1. P控制器1. 控制对象为Gps=时： 试凑法 根据上文讲到的由小到大，两边夹近的方法确定Kp=2.9 。 ZN法 由上文所讲方法，断开微分积分环节，调节比例度Kpcnt=5.39346，使其得到如图1所示响应曲线： 图1求得Tn=3.65。由表1经验式可得Kp=3.24。CC法 由于是一阶控制对象，直接可知，K0=1，T0=3，=1。由表2经验式并微调可得Kp=3。以上三种方法所得曲线，如图2所示：CC法试凑法ZN法 图22. 控制对象为Gps=时： 试凑法 根据上文的方法，逐步试凑，得到可观曲线。此时Kp=1.6。 ZN法 同理上文，调节比例控制器，使曲线达到等幅震荡，如图3所示，此时Kpcnt= 3.7656 。. 图3 由图求得Tn=5.55。根据表1经验式，可得Kp=1.88。 CC法 由上述所讲，给控制对象加一单位阶跃信号，示波器中显示曲线如图4所示： 图4由图求得=1.5 T0=4.2 K0=1.根据表2经验式可知Kp=1.4。以上三种方法所得曲线如图5所示：CC法试凑法ZN法 图5控制对象为Gps=时：试凑法 同上所述，得到Kp=1.1 Z-N法 同上所述，得到等幅震荡曲线如图6所示，此时Kpcnt=2.4978。图6由上图求得Tn=6.87。根据表1经验式可知Kp=1.2。 CC法 同上所述在示波器中得到单位阶跃信号如图7所示 图7由上图求得=1.73 Tn=3.798 K0=1，由表2经验式可知，Kp=1.09。以上三种方法所得曲线如图8所示：图8CC法试凑法ZN法 2. PI控制器 被控对象为Gps=时： 试凑法 如前所述，改变比例和积分环节，可以影响曲线的超调量，Kp和Ti作用相反。试凑可得，Kp=2.1,Ti=3.7。 ZN法 根据中的数据，由表1经验式可得，Kp=2.5,Ti=4.6。 CC法 根据中的数据，由表2检验式可得，Kp=1.4,Ti=3。以上三种方法所得曲线如图9所示：CC法试凑法ZN法 图9 被控对象为Gps= 时： 试凑法 如前所述，经试凑得，Kp=1.5,Ti=4.3。 ZN法 如前所述，根据中所得数据，由表1经验式可得，Kp=1.7,Ti=4.7。 CC法 如前所述，根据中所得数据，由表2经验式可得，Kp=1.3,Ti=4.5。 以上三种方法所得曲线如图10所示：CC法试凑法ZN法 图10 被控对象为Gps=时： 试凑法 如前所述，经试凑可得，Kp=1.2,Ti=5。 ZN法 如前所述，根据中所得数据，由表1经验式可得，Kp=1.4,Ti=5.86。 CC法 如前所述，根据中所得数据，由表2经验式可得，Kp=1.15,Ti=5.2。 以上三种方法所得曲线如图11所示：CC法试凑法ZN法 图11 3.PID控制器 控制对象为Gps=时： 试凑法 如前所述，试凑可得，Kp=3.2,Ti=3.5,Td=0.2。 ZN法 根据中的数据，由表1经验式并稍做修改可得，Kp=3.24,Ti=2.8，Td=0.2。 CC法 根据中的数据，由表2检验式并稍做修改可得，Kp=3.6,Ti=3.5,Td=0.3。以上三种方法所得曲线如图12所示：试凑法CC法ZN法 图12被控对象为Gps= 时： 试凑法 如前所述，经试凑得，Kp=2.1,Ti=2.7，Td=0.6。 ZN法 如前所述，根据中所得数据，由表1经验式并稍做修改可得，Kp=2.26,Ti=2.8,Td=0.6。 CC法 如前所述，根据中所得数据，由表2经验式并稍做修改可得，Kp=1.9,Ti=2.7,Td=0.6。 以上三种方法所得曲线如图13所示：CC法试凑法ZN法 图13 被控对象为Gps=时： 试凑法 如前所述，经试凑可得，Kp=1.1, Ti=2.5，Td=0.6 。 ZN法 如前所述，根据中所得数据，由表1经验式可得，Kp=1.5, Ti=3.4, Td=0.82。 CC法 如前所述，根据中所得数据，由表2经验式可得，Kp=1.32, Ti=5.2, Td=0.865。 以上三种方法所得曲线如图14所示: CC法试凑法ZN法 图14 总结:反应曲线法是通过系统开环试验，得到被控过程的典型特征参数之后，再对调节器参数进行整定。因此，这种方法适应性较广，通用性较强。临界比例度法是闭环试验整定方法。