PID参数整定方法

1、PID参数整定方法第一节 基本控制规律及其作用效果1 位式调节也就是常说的开/关式调节，它的动作规律是当被控变量偏离给定值时，调节器的输出不是最大就是最小，从而使执行器全开或全关。在实际应用中，常用于机组油箱恒温控制、水塔以及一些储罐的液位控制等。在实施时，只要选用带上、下限接点的检测仪表、位式调节器或PLC、再配一些继电器、电磁阀、执行器、磁力起动器等即可构成位式控制系统。因此，位式控制的过渡过程必然是一个持续振荡的过程。如图0所示。图0 位式控制的过渡过程2 比例调节比例调节的特点：有差调节1、调节作用快，系统一出现偏差，调节器立即将偏差放大K倍输出；2、系统存在余差。K越小，过渡过程越平

2、稳，但余差越大；K增大，余差将减小，但是不能完全消除余差，只能起到粗调作用，但是K过大，过渡过程易振荡，K太大时，就可能出现发散振荡。依据“偏差的大小”来动作。它的输出与输入偏差的大小成比例，调节及时，有力，但是有余差。也可用比例度来表示其作用的强弱，用%表示。例如比例度60%，即表示当偏差为量程的60%时，输出变化值为量程的100%。越小，调节作用越强，调节作用太强时，会引起振荡。比例调节作用适用于负荷变化小，对象纯滞后不大，时间常数较大而又允许有余差的控制系统中，常用于塔和储罐的液位控制以及一些要求不高的压力控制中。使用时应注意，当负荷变化幅度较大时，为了平衡负荷变化所需的调节阀开度变化也

3、将较大，待稳定后，被控变量的余差就可能较大。比例控制规律的动态方程为：其中：y（t） 输出变化量。e（t） 输入变化量。Kp 比例增益。 比例度，它是Kp的倒数。3 积分调节积分调节的特点：无静差调节积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成正比，积分作用能消除余差，但降低了系统的稳定性，T1由大变小时，积分作用由弱到强，消除余差的能力由弱到强，只有消除偏差，输出才停止变化。依据“偏差是否存在”来动作。它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差完全消失，积分作用才停止。其实质就是消除余差。但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。用积分时间Ti表示其作用的强弱，单位用分（或秒）表示。Ti越小

4、，积分作用越强，积分作用太强时，也会引起振荡。积分控制规律的动态方程为：其中：TI 积分时间。4 微分调节微分调节的特点：微分调节的输出是与被调量的变化率成正比，在引入微分作用后能全面提高控制质量，但是微分作用太强，会引起控制阀时而全开时而全关，因此不能把T2取的太大，当T2由小到大变化时，微分作用由弱到强，对容量滞后有明显的作用，但是对纯滞后没有效果。依据“偏差变化速度”来动作。它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其实质和效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用。对滞后较大的对象有很好的效果。使调节过程动偏差减少，余差也减少（但不能消除）。用微分时间Td表示作用的强弱，单位用分（或秒）

5、表示。Td大，作用强，Td太大，会引起振荡。微分控制规律的动态方程为：其中：TD 微分时间。第二节 实用的控制规律由于位式调节及易引起振荡，所以除特定场合外，一般应用较少，使用较多的是比例、积分、微分调节作用。但实际上单纯使用比例、积分、微分作用的场合也较少，最多使用的是三种调节规律的组合。组合后的调节规律由图1所示，PID三作用调节质量最好、PI次之，积分最差因此很少单用。其中：P控制器的选择：它适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统；PI控制器的选择：它适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统；PID控制器的选择：它适用于负荷变化大，容量滞

6、后较大，控制质量要求又很高的控制系统，比如温度控制系统。PI作用的传递函数为：注意：Ti即为积分控制规律的动态方程中TI。PD作用的传递函数为：注意：KpTd即为微分控制规律的动态方程中TD。PID作用的传递函数为：图1 各种调节规律比较1比例微分作用；2比例积分微分作用；3比例作用；4比例积分作用；5积分作用；第三节 PID参数整定方法调节器参数的整定，是自动调节系统中相当重要的一个问题。在调节方案已经确定，仪表及调节阀等已经选定并已装好之后，调节对象的特性也就确定了，调节系统的品质就主要决定于调节器参数的整定。因此，调节器参数整定的任务，就是对已选定的调节系统，求得最好的调节质量时调节器的

7、参数值，即所谓求取调节器的最佳值，具体讲就是确定最合适的比例度、积分时间和微分时间。参数整定的几种情况：调节器参数只能在一定范围内起作用，如果方案不合理，工况改变、或属于仪表和调节阀故障，则不论怎样去调整比例度，积分时间和微分时间，仍然达不到预定的调节质量要求。调节器参数在目前很难单纯依靠计算的方法来求取，因为计算法要遇到两个很大的困难，一是缺乏足够的对象动态特性资料，实验测试也不容易，二是计算方法繁琐，工作量大，而且对象往往有非线性或改变工艺参数的情况，所以化了不少力气算出来的结果仍不可靠。方案选择不当的系统，不论怎样去整定参数，系统仍不能良好的运行。串级，史密斯，模糊，解耦，状态控制等。简

8、易对象，容易调节的系统，比例度、积分时间和微分时间可以放在很宽的范围，调节质量都能满足。在整定参数不合适时，调节质量就达不到要求，不能投入自动的系统。参数整定不对，调节品质难满足要求。参数整定的方法很多，我们只介绍几种工程上最常用的方法。1 临界比例度法这是目前使用较广的一种方法，具体作法如下：先在纯比例作用下（把积分时间放到最大，微分时间放到零），在闭合的调节系统中，从大到小地逐渐地改变调节器的比例度，就会得到一个临界振荡过程，如图2所示。这时的比例度叫临界比例度k，周期为临界振荡周期Tk。记下k和Tk，然后按表1的经验公式来确定调节器的各参数值。图2 临界振荡示意图表1 临界比例度法数据表

9、调节作用比例度（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）比例2k比例积分2.2k0.85Tk比例微分1.8k0.1Tk比例积分微分1.7k0.5Tk0.125Tk这种方法在下面两种情况下不宜采用：1）、临界比例度过小，因为这时候调节阀很容易处于全开及全关位置，对于工艺生产不利，举例来说，对于一个用燃料油（或瓦斯）加热的炉子，如很小，接近双位调节，将一会儿熄火，一会儿烟囱浓烟直冲。2）、工艺上约束条件较严格时，因为这时候如达到等幅振荡，将影响生产的安全运行。2 衰减曲线法临界比例度法是要系统等幅振荡，还要多次试凑，而用衰减曲线法较简单，一般又有两种方法。（1）、4：1衰减曲线法使系统处于纯比例作

10、用下，在达到稳定时，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察记录曲线的衰减比，然后逐渐从大到小改变比例度，使出现4：1的衰减比为止，如图3所示。记下此时的比例度s。再按表2的经验公式来确定PID数值。图3 4：1衰减调节过程曲线表2 4：1衰减曲线法数据表调节作用比例度（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）比例s比例积分1.2s0.5Ts比例积分微分0.8s0.3Ts0.1Ts（2）、10：1衰减曲线法有的过程，4：1衰减仍嫌振荡过强，可采用10：1衰减曲线法。方法同上，得到10：1衰减曲线，记下此时的比例度s和上升时间Ts，再按表3的经验公式来确定PID的数值。衰减曲线如图4所示。图4 10

11、：1衰减曲线示意图表3 10：1衰减曲线法数据表调节作用比例度（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）比例s比例积分1.2s比例积分微分0.8s.采用衰减曲线法必须注意几点：1）、加给定干扰不能太大，要根据生产操作要求来定，一般在5%左右，也有例外的情况。2）、必须在工艺参数稳定的情况下才能加给定干扰，否则得不到正确得s、Ts、或s和Ts值。3）、对于反应快的系统，如流量、管道压力 （a） 和小容量的液位调节等，要在记录纸上严格得到 4：1衰减曲线较困难，一般以被调参数来回波动两次达到稳定，就近似地认为达到4：1衰减过程了。下面举一个现场整定的例子。在某塔顶温度调节系统中，被调参数是塔顶温度

12、，工艺允许波动为4，调节参数是回流量。在整定过 （b） 程中，考虑到对象滞后较大，反应较慢的情况， 的选择从50%开始凑试起，此时在阶跃作 用下（给定值降低2%）的过渡过程曲线见图 5-（a）。此时调节时间长，不起振荡，于是将比例度减少，=30%、20%、及10%时的曲线见（b）、（c）、（d）。显然，20%的情况最好，衰减比接近4：1，Ts=10分。 （C） 按4：1衰减曲线法数据表定出整定参数：=0.8·s=16%；Ti=0.3·Ts=3分； Td=0.1·Ts=1分。 投运时，先将放在较大的数值，把Ti从大减少到3分，把Td从小到大逐步放大到1分，然后把拉到

13、15%，（如果在=15% （d）的条件下很快地把Td放到1分，调节器的输出会剧烈变化）。再对系统加2% 的给定值变化时，仍产生4：1衰减过程，见图（e）所示， 调节质量显著改善，超调量小于1，调节时间为6.5分。3 经验试凑法经验凑试法在实践中最为实用。在整定参数时，必须认真观察系统响应情况，根据系统的响应情况决定调整那些参数。观察系统响应效果，可以通过查看控制回路细目画面中的实时趋势曲线，衰减曲线最好是4：1，即前一个峰值与后一个峰值的比值为4：1。经验值：在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改，这里的P代表比例度，P1/K。控制系统/参数P（1 / K）KT1 / M

14、inT2/Min液位20801.255.0压力30701.433.40.43流量401001.02.50.11温度20601.753100.31其步骤简述如下： （e）1）、根据不同调节系统的特点，先把P、 图5 用衰减曲线法现场整定 I、D各参数放在基本合适的数值上，这些数值是由大量实践经验总结得来的（按4：1衰减），其范围大致如表4所示。但也有特殊情况超出表列的范围，例如有的温度调节系统积分时间长达15分钟以上，有的流量系统的比例度可到200%左右等等。表4 各调节系统PID参数经验数据表调节系统比例度（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）说明流量40-1000.1-1对象时间常数小，

15、并有杂散扰动，应大，Ti较短，不必用微分。压力30-700.4-3对象滞后一般不大，略小，Ti略大，不用微分。液位20-801-5小，Ti较大，要求不高时可不用积分，不用微分。温度20-603-100.5-3对象容量滞后较大。小，Ti大，加微分作用。2）、看曲线，调参数，根据操作经验，看曲线的形状，直接在闭合的调节系统中逐步反复试凑，一直得到满意数据。太大，曲线漂浮，绕弯：太小，曲线振荡频繁：Ti太大，曲线偏离，慢Ti太小，曲线振荡，周期长Td太大，曲线振荡频率快Td太小，动差大，波动慢理想曲线两个波，前高后低四比一，步骤是先加，再加Ti，最后才加Td。和Ti都是从大到小逐步加上去，最后才考虑

16、微分。在整定时不能让系统出现发散振荡，如出现发散振荡，应立即切为手动，等系统稳定后减小放大倍数、增大积分时间或减小微分时间，重新切换到自动控制。放大倍数越小，过渡过程越平稳，但余差越大。放大倍数越大，过渡过程容易发生振荡。积分时间越小，消除余差就越快,但系统振荡会较大，积分时间越大，系统消除余差的速度较慢。微分时间太大，系统振荡次数增加，调节时间增加，微分太小，系统调节缓慢。也可以试凑，先从表列范围内取Ti的某个数值，如果需要微分，则取Td=（1/31/4）Ti，然后对进行试凑，也能较快地达到要求。实践证明，在一定范围内适当地组合和Ti的数值，可以得到同样衰减比的曲线，就是说，的减少，可以用增

17、加Ti的办法来补偿，而基本上不影响调节过程的质量。所以，这种情况，先确定Ti、Td再确定的顺序也是可以的。而且可能更快些。如果曲线仍然不理想，可用Ti、Td再加以适当调整。另外，将所在装置控制系统的PID参数记录下来，是一个很好的做法。3）、在不熟悉的生产过程中，应先进行手动调节。进入自动调节时，应确定比例度、积分时间、微分时间。当调节输出变化一点点而影响测量值有较大变化的这种场合，为考虑到系统的稳定性，应加大比例度，反之，则减小比例度。当调节器的输出变化时，在生产过程中希望测量值跟踪时间较短，则应该缩短积分时间，回复时间长的生产过程则应该有较长的微分时间。（1）、比例、积分调节a）、积分时间

18、置于最大b）、微分时间切除c）、按下述方法寻求比例度的最佳值。把比例度从较大数值逐渐往下降（例如100%50%20%）这时仔细观察各个比例度情况下的调节过程，直至开始产生周期性振荡。（测量值以给定值为中心作有规则得振荡），在产生周期性振荡得情况下，把此比例度逐渐加宽直至系统充分稳定。d）、接下去把积分时间逐渐缩短，一般减少积分时间即缩短了测量值跟踪给定值得时间，但是由于过程有延迟，积分时间缩短时，仍会产生振荡，此时，表示积分时间过短，应把积分时间稍加延长，直至振荡停止。（2）、比例、积分、微分调节a）、积分时间置于最大b）、微分时间置于最小c）、和前面的比例、积分调节作用一样改变比例度，求起振

19、点。d）、加大微分时间使振荡停止，接着把比例度调得稍小一些，使振荡又产生，加大微分时间，使振荡再停止，来回这样操作，直至虽加大微分时间，但不能使振荡停止，以求得微分时间的最佳值，此时把比例度调得稍大一些直至振荡停止。e）、把积分时间调成和微分时间相同的数值一般情况下是没有什么问题的，如果又产生振荡则加大积分时间直至振荡停止。以上方法依据经验试凑法，实际应用过程中根据需要和习惯选用某一种。4 反应曲线法反应曲线是表达对象特性的方法之一。反应曲线法，是需要预先测量反应曲线，通过对象动态特性数据定出整定参数的方法。而在某些工艺对象上的约束条件比较严，测试有困难；而在另一些对象上，干扰因素较多，且较频繁，测试就不易准确，因此应用场合受到限制。一般现场应用较少，这里就不再多讲。5 几种曲线的区别与判断在实际的参数整定过程中，不论采取什么样的整定方法，理想曲线与实际曲线都存在着差别，下面介绍几种经实践总结出来的曲线与判断结果，供整定中参考。1）、a、 积分时间过小，振荡周期长，输出变化到指示变化时间长。b、 比例度过小，振荡周期短，输出变化到指示变化时间短。c、 微分时间过长，振荡周期最短，输出变化到指示变化时最短。2）、a、 比例度过大，曲线漂浮绕大弯。b、 积