(待分)PID控制原理与参数整定方法

1、控制原理与参数整定方法一、概述是比例积分微分控制的简称，也是一种控制算法，其特点是结构改变灵活、 技术成熟、适应性强。对一个控制系统而言，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数 经常发生变化，运用控制理论综合分析要耗费很大的代价， 却不能得到预期的效 果，所以人们往往采用调节器，根据经验在线整定参数，以便得到满意的控制效 果。随着计算机特别是微机技术的发展， 控制算法已能用微机简单实现，由于软 件系统的灵活性，算法可以得到修正而更加完善。我们阳江基地有数以千计的采用控制的调节器，用于温度控制、压力控制、 流量控制，在塑杯及灌装生产过程中，发挥着重要的作用。因此，学习控制的基 本原理，合

2、理的设计控制系统，用好、维护好这些调节器，对提高产品质量，降 低废品率，节约能源具有十分重要的意义。本课程从系统的角度，采用多种分析 方法，详细讲解经典控制的基本原理和参数的整定方法， 简介现代数字控制思想， 希望对大家使用调节器有所帮助。二、调节系统的品质和特性一个调节系统的品质可以用静态品质和动态品质来衡量。所谓静态品质就是 系统稳定后，被控参数与给定值间的差值的大小。偏差愈大则静差愈大，静差愈 小静态品质愈好。当系统受到扰动后或整定在一个新值时需要在较短时间内过渡到稳定，不发生振荡和发散，这便是衡量系统动态特性的指标。一个好的调节系统应该二个品 质都好。但动静态品质往往是相互矛盾的，要静

3、差小，系统的放大倍数就要大， 系统放大倍数愈大则系统愈不稳定，即动态品质不好。图收敛型图收敛型图发散型落图振荡型图至是几种典型的控制曲线，只有图表示动静态品质都好。一般的调节系统都具有惯性和滞后两种特性， 只是大小不同而已。这两个特性应从控制对象，控制作用这两个方面去理解。弄懂以上关于调节系统的几个基 本概念，对于理解控制的原理有很大的帮助。三、控制的基本原理控制是按偏差信号的比例（）、积分（）和微分（）进行控制，数字控制是 计算机来实现连续控制功能的一种算法。模拟或数字控制，按控制作用的形式分 为以下几种。、比例控制作用（简记），它是指控制器的输出与输入偏差（也即误差）信 号成比例，比例控制

4、的算法为：（）（）式中（）偏差信号。（）控制器输出信号。比例增益。比例控制器实际上是一个可调增益的放大器，比例控制能迅速反映误差，从而减小误差，但不能消除稳态误差，比例系数的加大，会引起系统的不稳定。例 如会出现图所示振动等。这就是说，比例控制不能处理好动静态品质这一矛盾。 在比例控制的基础上，引入积分控制作用，可以解决这一矛盾。、积分控制作用（简记）积分控制作用的算法如下：（）/（）式中为积分增益。当有偏差信号（）时，贝U控制的输出将不断增加，直到偏差信号 为零，积分控制作用可以消除静差，但它有滞后现象，会使系统超调量加大，甚 至使系统出现振荡，必须与比例环节同时使用。图所示，是一个滞后时间

5、短，惯性小的调节系统，采用控制获得理想控制效 果的图形，为了分析简单，将图画成以偏差信号表示的图形，如图，当系统受到 扰动时，能很快恢复正常。如图所示，在图中，时（），-厂 '，随着时间的增加，的值也不断增加，直到。（）时，-厂'的值达到最大。也就是说，在时刻偏差为零，积分控制作用确达到了最好值。这一点反映了积分控制作用滞后现象， 是引起系统超 调量加大的主要原因，对于那些惯性大，滞后时间长的控制对象，控制无法获得 理想的控制效果，必须再引入微分控制作用。、微分控制作用（简称）微分控制算法如下：U（七）二KD特式中为微分增益，微分控制中，控制器的输出与输入偏差信号 （）的变化率

6、成 比例，它只在动态过程中有效，微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的 稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动 态性能。必须与其他控制作用相结合。0I111厂1IIIIIIJ-0ti It2t11111TJT!II II1IIIIII1*2 0用图解法可以方便地解读微分控制的作用。仍以一个理想的控制曲线作为分析对象，如图所示。我们 知道，定积分J在几何意义上代表曲线（）与横cleCt）轴之间的面积，如图中的阴影部分，而代表曲线（）的斜率，由此可以画出积分控制输出和微分控制输 出的曲线，在点时、控制作用为零（在这里为了分析 简单，不考虑稳态时的控制作用）。微分

7、控制作用为最 大值，这个值是由（）上升趋势决定的。对于采用反作用 控制的温控系统来说，在点就大幅减小调节器的输出， 即减少加热时间，抑制温度上升的趋势。所以微分调 节有预调之称。随图着时间的变化，控制作用逐渐增强，在时刻，控制作用达到最大值，微分控制作用为。在这一段过程中，由于微分的预调作用，加快了系统 的动态响应速度，减小调整时间。在至这段过程中积分控制作用继续增加，而微 分控制作用从零向负最大值变化。可以看出微分作用具有克服积分作用的滞后现 象，减小超调量，克服振荡的作用综上所述，将系统偏差的比例积分微分线性组合构成的控制作用就是比例积 分微分控制作用，简称。模拟控制作用算法如下:I?()

8、()/ ()deCt)()/ () 式中称为积分时间常数，愈大，积分控制作用愈弱，称为微分时间常数， 愈大，微分控制作用愈强。四、模拟运算的物理过程比例运算：比例运算即线性放大，只是它的刻度不是按放大倍数刻度的， 而 是以的倒数为刻度，这在系统调节中有一定的物理意义，当系统中其它环节放大 倍数为时，要使输出有的改变，需改变的偏差信号正好为比例带的刻度值。积分运算：在线性放大器的负反馈回路中引入微分电路，如图积分负反馈等效电路图积分反馈电压放大器输出取自放 大器输 出VfCp1世厂Vf Jt L0微分负反馈等效电路反馈电压放大器输出图微分运算：在线性放大器的负反馈回路中引入积分电路，如图以上是对

9、模拟运算的物理过程的简化分析，和实际的物理过程有一定差别， 主要目的是定性分析、化繁为简，了解运算电路控制原理，从而加深对数字的认 识。理解软件硬化，硬件软化的过程。五、数字简介对式()进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程 就可以得到数字算法，由于数字算法采用微机通过软件系统实现， 有很大的灵活 性，可以很方便地解决模拟控制过程中存在的一些不足，数字调节器也已成为当今调节器的主流。下面仅对积分项的改 进做简单的介绍。、积分分离法在控制规律中，引入积分项的目的，主 要是为了消除系统的静态误差，但积分作用过强会产生较大的超调量，甚至会出现积分饱和现象，这是控制系统所不允 许的

10、。积分分离法的思想是，为了保证系统的精度和相对稳定性， 给偏差设定 个分离值£ ， £ >，当()三£时，即偏差小时，米用控制。当 ()> £时，即偏差 较大时，去掉积分作用采用控制，从而使系统的超调量大幅降低。图为采用和不 米用积分分离法的曲线比较示意。曲线表示用积分分离法后的控制过程， 比较可 知，采用积分分离方法可显著降低超调量，并可缩短调节时间。除此之外，还有 变速积分法等就不做介绍了。六、参数的整定方法数字调节器与模拟调节器控制思想完全一样，只是实现的物理过程不同，数 字调节器参数的整定方法也和模拟调节器基本相同，只是增加了自整定功

11、能。、自整法现在的数字调节器，大多采用了模糊控制技术进行调节。模糊控制基于专家知识或熟练操作者的成熟经验，并可通过学习不断更新。因而它具有智能性和自学习性，是一种人工智能调节方式。参数的自整功能，模 拟专家操作，自动寻优，整定出最佳参数，使之达到理想的控制效果。我们在使 用调节器时，应首先启动自整功能，看一看整定的结果和控制效果，这是一个向 专家系统学习的过程。自整定结果，也不一定都是最佳参数，有时还需我们进一 步寻优。关于启动自整功能的方法，请阅读有关的说明书，非常简单。、逐试法将参数之一增加或减少，如果控制效果变好，则继续增加或减少该参数， 否则往反方向调整，直到效果满足要求。、临界值整定

12、性比例积分调节器、积分时间置于最大。、从一个比较大的比例带逐步降低， 每降低一次等待一定的时间，观察记录 表上或记录纸上被控参量的记录曲线，直至记录曲线出现周期性振荡，然后在这 一点上再加大比例带，直到不出现振荡。、减少积分时间，每减一次同样等待一定的时间，观察记录曲线，当它低于 由过程的滞后特性所决定的某个临界值时， 曲线又出现周期性振荡，然后在这点 上缓慢地加大积分时间直至振荡停止。比例积分微分调节器、积分时间置于最大。、微分时间置于最小。、用上方法减小比例带至周期性振荡出现。、加大微分时间，使周期性振荡停止，再减小比例带，使振荡重新出现，再 加大微分时间，使振荡停止，重复上述过程至加大微

13、分时间后振荡不再停止。再增大比例带至周期性振荡停止。、取积分时间为微分时间的倍，如果周期性振荡出现，加大积分时间至振 荡停止。、经验整定法根据控制原理和系统的特性，结合自己的经验，直接设置参数，然后再根据 控制效果做进一步的修改。当调节器输出变化很小，而引起测量值（被控参量）变化较大时，应将比例 带置于较大的数值，反之亦然。当调节器输出变化，很快引起被控参量的变化， 则积分和微分时间的整定就应较小，对于快速的流量系统则可以不加入微分运 算，反之亦然。熟悉系统的特性是整定参数的关键。最后分析两个温度调节系统， 加深对上述内容的理解。例：果冻条封口温控系统，采用佳能电子智能数字调节仪出厂时参数设定 为，置设定值C,达到时，启动自整定功能，大约在分钟左右，自整结束。，。 进入控制后，很快稳定在上C上，当设定值改为C,很快又稳定在C,动静态品 质均非常理想，实际上采用出厂设定参数值也能获得满意的控制效果。例，联苯锅炉用于化纤纺丝管道伴热， 工艺温度为CC,温控器选用日本 岛电公司型自整定温控仪，出厂设定值为，在该参数下，温度波动较大为c 土&#