ID参数的工程整定方法

PID参数的工程整定方法

基本控制规律及其作用效果实际应用的控制规律PID参数的工程整定方法复杂调节系统的参数整定

第一节

基本控制规律及其作用效果

位式调节比例调节积分调节微分调节在工业生产过程控制中，常用的基本调节规律大致可分为：1-1、位式调节也就是常说的开/关式调节，它的动作规律是当被调参数偏离给定值时，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。如图1所示。

图1位式控制系统实例因此，位式控制的过渡过程必然是一个持续振荡的过程。如图2所示。图2位式控制的过渡过程

1-2、比例调节

比例调节依依据“偏差差的大小””来动作作。它的的输出与输输入偏差的的大小成比比例，调节节及时，有有力，但是是有余差。。用用比例度度δ来表示示其作用的的强弱，其其单位用%表示。例例如比例度度60%，，即表示当当偏差为为量程的60%时，，输出变化化值为量量程的100%。δδ越小，调调节作用越越强，调调节作用太太强时，会会引起振荡荡。比例调调节作用适适用于负荷荷变化小，，对象纯滞滞后不大大，时间常常数较大而而又允许有余差差的控制系系统中，常常用于塔和和储罐的液液位控制以以及一些要要求不高的的压力控制制中。使用用时应注意意，当负荷荷变化幅度度较大时，，为了平衡衡负荷变化化所需的调调节阀开度度变化也将将较大，待待稳定后，，被调参数数的余差就就可能较大大。比例控控制规律的的动态方程程为：y（t）=Kpe（t）=1δe（t）其中：y（（t）———输出变变化量。e（t）———输入入变化量。。Kp———比比例增益。。δ———比比例度，它它是Kp的的倒数。1-3、积积分调节它依据“偏偏差是否存存在”来动动作。它的输出与与偏差对时时间的积分分成比例，，只有当余余差完全消消失，积分分作用才停停止。其实实质就是消消除余差。。但积分作作用使最大大动偏差增增大，延长长了调其中：TI——积积分时间间。1-4、微分调节节它依据“偏偏差变化速速度”来动动作。它的输出与与输入偏差差变化的速速度成比例例，其实质质和效果是是阻止被调调参数的一切切变化，节时间。用用积分时间间Ti表示示其作用的的强弱，单单位用分（（或秒）表表示。Ti越小，积积分作用越越强，积分分作用太强强时，也会会引起振荡荡。积分控控制规律的的动态方程程为：其中：TD——微分时间。。有超前调节节的作用。。对滞后较较大的对象象有很好的的效果。使使调节过程程动偏差减少，，余差也减减少（但不不能消）。。用微分时时间Td表表示作用的的强弱，单单位用分（（或秒）表表示。Td大，作用用强，Td太大，会会引起振荡荡。微分控控制规律的的动态方程程为：第二节实实际应用用的控制规规律P比例作用用PI比例、、积分作用用PD比例、、微分作用用PID比例例、积分、、微分作用用由于位式调调节及易引引起振荡，，所以除特特定场合外外，一般应应用较少，，使用较多多的是比例例、积分、、微分调节节作用。但但实际上单单纯使用比比例、积分分、微分作作用的场合合也较少，，最多使用用的是三种种调节规律律的组合。。组合后的的调节规律律由图3所所示，PID三作用用调节质量量最好、PI次之，，积分最差差因此很少少单用。其其中：PI作用的的传递函数数为：注意：KpTd即为微分控控制规律的的动态方程程中TD。注意：δTi即为为积分控制制规律的动动态方程中中TI。PD作用的的传递函数数为：PID作用的传递递函数为：：图3各种种调节规律律比较1—比例微微分作用；；2—比例例积分微分分作用；3—比例作作用；4—比例积积分作用；；5—积分分作用；第三节PID参数的工程程整定方法法临界比例度度法衰减曲线法法经验试凑法法反应曲线法法调节器参数数的整定，，是自动调调节系统中中相当重要要的一个问问题。在调调节方案已已经确定，，仪表及调调节阀等已已经选定并并已装好之之后，调节节对象的特特性也就确确定了，调调节系统的的品质就主主要决定于于调节器参参数的整定定。因此，，调节器参参数整定的的任务，就就是对已选选定的调节节系统，求求得最好的的调节质量量时调节器器的参数值值，即所谓谓求取调节节器的最佳佳值，具体体讲就是确定最合合适的比例例度、积分分时间和微微分时间。。把参数整定定工作放在在怎样的位位置，存在在两种片面面的看法：：一种看法是是过分强调调了参数整整定的作用用，把调节节器参数整整定看作自自动化理论论的核心，，这当然是是错误的。。因为调节节器参数只只能在一定定范围内起起作用，如如果方案不不合理，工工况改变、、或属于仪仪表和调节节阀故障，，则不论怎怎样去调整整比例度，，积分时间间和微分时时间，仍然然达不到预预定的调节质量量要求。另一种看法法是过分地地贬低参数数整定的作作用，我们们会遇到三三类不同的的系统情况况。第一类类是较容易易调节的系系统：比例例度、积分分时间和微微分时间可可以放在很很宽的范围围，调节质质量都能满满足。第二二类是方案案选择不当当的系统，，不论怎样样去整定参参数，系统统仍不能良良好的运行行。如果只只看到以上上两种情况况，是会产产生不必重重视调节器器参数整定定的错觉。。实际上有有相当多数数量的系统统介于这两两种极端情情况之间，，这可以说说是第三类类的系统，，它们在整整定参数选选择得当的的时候，可可以运行得得很好，反之，在整整定参数不不合适时，，调节质量量就达不到到要求。我我们不要将将它们与第第二类系统统混同起来来，错当成成不能投入入自动的系系统。另外外，对第一一类系统来来说也有使使调节质量量进一步完完善的要求求。因此此，，我我们们应应当当重重视视调调节节器器参参数数整整定定的的工工作作，，而而不不要要片片面面地地看看问问题题。。参数数整整定定的的方方法法很很多多，，我我们们只只介介绍绍几几种种工工程程上上最最常常用用的的方方法法。。1、、临临界界比比例例度度法法这是是目目前前使使用用较较广广的的一一种种方方法法，，具具体体作作法法如如下下：：先在在纯纯比比例例作作用用下下（（把把积积分分时时间间放放到到最最大大，，微微分分时时间间放放到到零零）），，在在闭闭合合的的调调节节系系统统中中，，从从大大到到小小地地逐逐渐渐地地改改变变调调节节器器的的比比例例度度，，就就会会得得到到一一个个临临界界振振荡荡过过程程，，如如图图4所所示示。。这这时时的的比比例例度度叫叫临临界界比比例例度度δδk，，周周期期为为临临界界振振荡荡周周期期Tk。。记记下下δδk和和Tk，，然然后后按按表表1的的经经验验公公式式来来确确定定调调节节器器的的各各参参数数值值。。图4临界界振振荡荡示示意意图图δk表1临界界比比例例度度法法数数据据表表调节作用比例度δ（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）比例2δk

比例积分2.2δk0.85Tk

比例微分1.8δk

0.1Tk比例积分微分1.7δk0.5Tk0.125Tk这种种方方法法在在下下面面两两种种情情况况下下不不宜宜采采用用：：1））、、求求取取的的临临界界比比例例度度过过小小，，因因为为这这时时候候调调节节阀阀很很容容易易处处于于全全开开及及全全关关位位置置，，对于于工工艺艺生生产产不不利利。。2））、、工工艺艺上上约约束束条条件件较较严严格格时时，，因因为为这这时时候候如如达达到到等等幅幅振振荡荡，，将将影影响响生生产产的的安安全全运运行行。。2、、衰衰减减曲曲线线法法临界界比比例例度度法法是是要要系系统统等等幅幅振振荡荡，，还还要要多多次次试试凑凑，，而而用用衰衰减减曲曲线线法法较较简简单单，，一一般般又又有有两两种种方方法法。。1））、、4：：1衰衰减减曲曲线线法法使使系系统统处处于于纯纯比比例例作作用用下下，，在在达达到到稳稳定定时时，，用用改改变变给给定定值值的的办办法法加加入入阶阶跃跃干干扰扰，，观观察察记记录录曲曲线线的的衰衰减减比比，，然然后后逐逐渐渐从从大大到到小小改改变变比比例例度度，，使使出出现现4：：1的的衰衰减减比比为为止止，，如如图图5所所示示。。记记下下此此时时的的比比例例度度δδs、、Ts。。再再按按表表2的的经经验验公公式式来来确确定定PID数数值值。。图54：1衰衰减减调调节节过过程程曲曲线线δs表24：：1衰减减曲曲线线法法数数据据表表调节作用比例度δ（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）比例δs

比例积分1.2δs0.5Ts

比例积分微分0.8δs0.3Ts0.1Ts2））、、10：：1衰衰减减曲曲线线法法有有的的过过程程，，4：：1衰衰减减仍仍嫌嫌振振荡荡过过强强，，可可采采用用10：：1衰衰减减曲曲线线法法。。方方法法同同上上，，得得到到10：：1衰衰减减曲曲线线，，记记下下此此时时的的比比例例度度δδ｀｀s和和上上升升时时间间T｀｀s，，再再按按表表3的的经经验验公公式式来来确确定定PID的的数数值值。。衰衰减减曲曲线线如如图图6所所示示。。图610：：1衰减减曲曲线线示示意意图图采用用衰衰减减曲曲线线法法必必须须注注意意几几点点：：（1））、、加加给给定定干干扰扰不不能能太太大大，，要要根根据据生生产产操操作作要要求求来来定定，，一一般般在在5%左左右右，，也也有有例例外外的的情情况况。表310：：1衰减减曲曲线线法法数数据据表表调节作用比例度δ（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）比例δ＇s

比例积分1.2δ＇s２Ｔ＇Ｓ

比例积分微分0.8δ＇s１.２Ｔ＇ｓ０.４Ｔ＇ｓ（2））、、必必须须在在工工艺艺参参数数稳稳定定的的情情况况下下才才能能加加给给定定干干扰扰，，否否则则得得不不到到正正确确得得δs、Ts。（3））、、对对于于反反应应快快的的系系统统，，如如流流量量、、管管道道压压力力和和小小容容量量的的液液位位调调节节等等，，要要在在记记录录上上严严格格得得到到4：1衰减减曲曲线线较较困困难难，，一一般般以以被被调调参参数数来来回回波波动动两两次次达达到到稳稳定定，，就就近近似似地地认认为为达达到到4：1衰减减过过程程了了。。下面面举举一一个个现现场场整整定定的的例例子子。。在在某某塔塔顶顶温温度度调调节节系系统统中中，，被被调调参参数数是是塔塔顶顶温温度度，，调调节节参参数数是是回回流流量量。。在在整整定定过过程程中中，，考考虑虑到到对对象象滞滞后后较较大大，，反反应应较较慢慢的的情情况况，，δδ的的选选择择从从50%开始始凑凑试试起起，，此此时时在在阶阶跃跃作作用用下下（（给给定定值值降降低低2%）的的过过渡渡过过程程曲曲线线见见图图7-（（a））。。此此时时调调节节时时间间长长，，不不起起振振荡荡，，于于是是将将比比例例度度减减少少，，δδ=30%、20%、及及10%时的的曲曲线线见见（（b）、、（（c）、、（（d）。。显显然然，，20%的情情况况最最好好，，衰衰减减比比接接近近4：1，，Ts=10分。。（a））（b））（c））(d)(e)图7用用衰衰减曲曲线法法现场场整定定按4：1衰减曲曲线法法数据据表定定出整整定参参数：：δ=0.8··δs=16%Ti=0.3··Ts=3分；；Td=0.1··Ts=1分。。投运时时，先先将δδ放在在较大大的数数值，，把Ti从大大减减少少到到3分，，把把Td从小小到到大大逐逐步步放放大大到到1分，，然然后后把把δδ拉拉到到16%，（（如如果果在在δδ=16%的条条件件下下很很快快地地把把Td放到到1分，，调调节节器器的的输输出出会会剧烈烈变变化化））。。再再对对系系统统加加2%的的给给定定值值变变化化时时，，仍仍产产生生4：：1衰衰减减过过程程，，见见图图（（e））所所示示，，调调节节质质量量显显著著改改善善。。3、、经经验验试试凑凑法法这是是在在生生产产实实践践中中所所总总结结出出来来的的方方法法，，目目前前应应用用最最为为广广泛泛，，其其步步骤骤简简述述如如下下：：1））、、根根据据不不同同调调节节系系统统的的特特点点，，先先把把P、、I、、D各各参参数数放放在在基基本本合合适适的的数数值值上上。。这这些些数数值值是是由由大大量量实实践践经经验验总总结结得得来来的的（（按按4：：1衰衰减减）），，其其范范围围大大致致如如表表4所所示示。。但但也也有有特特殊殊情情况况超超出出表表列列的的范范围围，，例例如如有有的的温温度度调调节节系系统统积积分分时时间间长长达达15分分钟钟以以上上，，有有的的流流量量系系统统的的比比例例度度可可到到200%左左右右等等等等。。表4各各调调节节系系统统PID参参数数经经验验数数据据表表调节系统比例度δ（%）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，并有杂散扰动，δ应大，Ti较短，不必用微分。压力30-700.4-3

对象滞后一般不大，δ略小，Ti略大，不用微分。液位20-801-5

δ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。δ小，Ti大，加微分作用。参数数整整定定找找最最佳佳，，从从大大到到小小顺顺次次查查，，先是是比比例例后后积积分分，，最最后后才才把把微微分分加加；；曲线线振振荡荡很很频频繁繁，，比比例例度度值值要要放放大大，，曲线线漂漂浮浮绕绕大大弯弯，，比比例例度度值值应应减减小小；；[1]2））、、看看曲曲线线，，调调参参数数。。根根据据操操作作经经验验，，看看曲曲线线的的形形状状，，直直接接在在闭闭合合的的调调节节系系统统中中逐逐步步反反复复试试凑凑，，一一直直得得到到满满意意数数据据。。在实实践践中中，，人人们们把把具具体体整整定定的的方方法法总总结结了了几几段段顺顺口口溜溜。。曲线线偏偏离离回回复复慢慢，，积积分分时时间间往往下下降降，，曲线线振振荡荡周周期期长长，，积积分分时时间间再再加加长长；；曲线线振振荡荡频频率率快快，，先先把把微微分分降降下下来来，，动差差大大来来波波动动慢慢，，微微分分时时间间应应加加长长；；理想想曲曲线线两两个个波波，，前前高高后后低低四四比比一一，，一看看二二调调多多分分析析，，调调节节质质量量不不会会低低。。第一一段段讲讲的的是是整整定定顺顺序序，，δ和和Ti都都是是从从大大到到小小逐逐步步加加上上去去，，微微分分是是最最后后才才考考虑虑的的。。第二二段段讲讲的的是是比比例例度度如如何何整整定定。。第三三段段讲讲的的是是积积分分时时间间如如何何整整定定。。第四四段段讲讲的的是是微微分分时时间间如如何何整整定定。。第五五段段讲讲的的是是标标准准。。上面面这这种种方方法法步步骤骤是是先先加加δ，再加加Ti，，最后才才加Td。应用用中较稳稳妥。另一种方方法是先先从表中中所列范范围内取取Ti的的某个数数值，如如果需要要微分，，则取Td=（（1/3~1/4）Ti，然然后对δδ进行试试凑，也也能较快快地达到到要求。。实践证明明，在一一定范围围内适当当地组合合δ和Ti的数数值，可可以得到到同样衰衰减比的的曲线，，就是说说，δ的的减少，，可以用用增加Ti的办办法来补补偿，而而基本上上不影响响调节过过程的质质量。另另外，将将所在装装置控制制系统的的PID参数记记录下来来，是一一个很好好的做法法。3）、在在不熟悉悉的生产产过程中中，应先先进行手手动调节节。进入入自动调调节时，，应确定定比例度度、积分分时间、、微分时时间。当当调节输输出变化化一点点点而影响响测量值值有较大大变化的的这种场场合，为为考虑到到系统的的稳定性性，应加加大比例例度，反反之，则则减小比比例度。。当调节节器的输输出变化化时，在在生产过过程中希希望测量量值跟踪踪时间较较短，则则应该缩缩短积分分时间，，回复时时间长的的生产过过程则应应该有较较长的微微分时间间。（1）、、比例、、积分调调节a）、积积分时间间置于最最大b）、微微分时间间切除c）、按按下述方方法寻求求比例度度的最佳佳值。把把比例度度从较大大数值逐逐渐往下下降（例例如100%→→50%→20%）这这时仔细细观察各各个比例例度情况况下的调调节过程程，直至至开始产产生周期期性振荡荡。（测测量值以以给定值值为中心心作有规规则得振振荡），，在产生生周期性性振荡得得情况下下，把此此比例度度逐渐加加宽直至至系统充充分稳定定。d）、接接下去把把积分时时间逐渐渐缩短，，一般减减少积分分时间即即缩短了了测量值值跟踪给给定值的的时间，，但是由由于过程程有延迟迟，积分分时间缩缩短时，，仍会产产生振荡荡，此时时，表示示积分时时间过短短，应把把积分时时间稍加加延长，，直至振振荡停止止。（2）、、比例、、积分、、微分调调节a）、积积分时间间置于最最大b）、微分分时间置置于最小小c）、和和前面的的比例、、积分调调节作用用一样改改变比例例度，求求起振点点。d）、加加大微分分时间使使振荡停停止，接接着把比比例度调调得稍小小一些，，使振荡荡又产生生，加大大微分时时间，使使振荡再再停止，，来回这这样操作作，直至至虽加大大微分时时间，但但不能使使振荡停停止，以以求得微微分时间间的最佳佳值，此此时把比比例度调调得稍大大一些直直至振荡荡停止。。e）、把把积分时时间调成成和微分分时间相相同的数数值一般般情况下下是没有有什么问问题的，，如果又又产生振振荡则加加大积分分时间直直至振荡荡停止。。以上方法法依据经经验试凑凑法，实实际应用用过程中中根据需需要和习习惯选用用某一种种。4、反应应曲线法法反应曲线线是表达达对象特特性的方方法之一一。反应应曲线法法，是需需要预先先测量反反应曲线线，通过过对象动动态特性性数据定定出整定定参数的的方法。。而在某某些工艺艺对象上上的约束束条件比比较严，，测试有有困难；；而在另另一些对对象上，，干扰因因素较多多，且较较频繁，，测试就就不易准准确，因因此应用用场合受受到限制制。一般般现场应应用较少少，这里里就不再再多讲。。5、几种种曲线的的区别与与判断在实际的的参数整整定过程程中，不不论采取取什么样样的整定定方法，，理想曲曲线与实实际曲线线都存在在着差别别，下面面介绍几几种经实实践总结结出来的的曲线与与判断结结果，供供整定中中参考。。a、积分时间间过小，，振荡周周期长，，输出变变化到指指示变化化时间长长。b、比例度过过小，振振荡周期期短，输输出变化化到指示示变化时时间短。。c、微分时间间过长，，振荡周周期最短短，输出出变化到到指示变变化时最最短。1）、a、比例例度过大大，曲线线漂浮绕绕大弯。。b、积分分时间过过长，曲曲线偏离离回复慢慢。2）、第四节复复杂杂调节系系统的参参数整定定以串级调调节系统统为例来来说明复复杂调节节系统的的参数整整定方法法。见图图8所示示。由于于串级调调节系统统中，有有主、副副两组参参数，各各通道及及回路间间存在着着相互联联系和影影响。改改变主、、副回路路的任一一参数，，对整个个系统都都有影响响。特别别是主、、副对象象时间常常数相差差不大时时，动态态联系密密切，整整定参数数的工作作尤其困困难。在整定参参数前，，先要明明确串级级调节图8串串级控制制系统方方块图系统的设设计目的的。如果果主要是是保证主主参数的的调节质质量，对副参数数要求不不高，则则整定工工作就比比较容易易；如果果主、副副参数都都要求高高，整定定工作就就比较复复杂。下下面介绍绍“先副副后主””两步参参数整定定法。第一步：：在工况况稳定情情况下，，将主回回路闭合合，把主主调节器