PID参数整定试验--李维涛

1、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 种白动控制器。在模拟过程控制中，PID控制算式为：u(t) =Kp( e(n) M' e(i) 早 e(n) - e(n - 1)】+u0 Ti i _0T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，

2、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 50 80%,再将积分时间置

3、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. Z N 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 至帐界振荡过程

4、。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 KpcntPI0.45 Kpcnt0.85 TnPID0.6 Kpcnt0.5 Tn0.12 Tn表1三. CH C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 W

5、m(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(t -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(K0PI0.9T0/2(K03rPID1.2T0/2(K0 i)2t0.5 T表2下面以一阶(Gps=q?)、二阶(Gps=(s.12s七)和三阶(Gps=J )控制对象说明，分别在P、PI和PID三种控制器作用S 1下的不同。1. P控制器.控制对象为Gps=m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

6、环节，调节比例度Kpcnt=5.39346,使其得到如图1所示响应曲线：1.81.61.41.210.80.60.40.20-0.2051015202530t图1求得Tn=3.65。由表1经验式可得 Kp=3.24。 .C C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：1.41.2 /一Z N 法0.2011111300510152025t图2(2).控制对象为GpS=(s+ Ls+i)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。 .Z N法 同理上文，调节比例控制器，使曲

7、线达到等幅震荡，如图3所示，此时Kpcnt= 3.7656。1.81.61.41.21|<0.80.60.40.20-0.20102030405060708090100t.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,由图求得 =1.5T0=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:图5.控制对象为 Gps=一1一 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。1、6._IIIIIIII1侦一-1.2 .-1

8、-"！一"V-0.8 -t y y0.6-: !0.4 r ：' 1 ； 1 | : :' : :! i 、 : ! i ： ： i i "0.2 -I0 -T-0.2 1111111110102030405060708090100t由上图求得Tn=6.87。根据表1经验式可知Kp=1.2 .CHC法 同上所述在示波器中得到单位阶跃信号如图 7所示1._,.,IpI.<I1;|I0.9 -0.8 .'.0.7 -0.6 -0.5 .0.4 -0.3 -0.2 -0.1 L0 1：E1r1E11012345678910t图7由上图求得

9、个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82. PI控制器.被控对象为 Gps=3s1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。 .Z N法根据中的数据，由表1经验式可得，Kp=2.5,Ti=4.6。 .C C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：1.41.210.8 y0.60.40.2Z N法试凑法0051015t图9被控对象为gps=（s+1；2S+1）时：202530 .试凑法 如前所述

10、，经试凑得，Kp=1.5,Ti=4.3 .Z N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 .C C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:图10.被控对象为 Gps=一1 时：S 1 .试凑法 如前所述，经试凑可得，Kp=1.2,Ti=5 .Z N法 如前所述，根据中所得数据，由表1经验式可得,做修改可得,Kp=1.9,Ti=2.7,Td=0.6OKp=1.4,Ti=5.86。 .C C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、11所示：1.41.210.8 y0.60.40.2Z N法试凑法CC法102030t405060图113.PID控制器控制对象为GPS=3S 1 .试凑法 如前所述，试凑可得,Kp=3.2,TI=3.5,Td=0.2 。.Z N法 根据中的数据，由表1经验式并稍做修改可得,.CH C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:图12.被控对象为 Gps= $ £ .试凑法 如前所述，经试凑得，Kp=2.1,Ti=2.7 , Td=0.6。 .Z N法 如前所述，根据中所得数据，由表 1经验式并稍做修改可

12、得，Kp=2.26,Ti=2.8,Td=0.6。 .C C法 如前所述，根据中所得数据，由表2经验式并稍以上三种方法所得曲线如图13所示:1.510.5Z N法试凑法CC法0 051015202530t图13.被控对象为 Gps=一1 时：S 1.试凑法 如前所述，经试凑可得，Kp=1.1, Ti=2.5 , Td=0.6 .Z N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 .C C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:1.4y0L051015202530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