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文档简介
1、PID 控制器的参数整定 (经验总结 )PID 控制器的参数整定(1)PID 是比例,积分,微分的缩写 .比例调节作用:是按比例反应系统的偏差 ,系统一旦出现了偏差 , 比例调节立即产 生调节作用用以减少偏差。比例作用大 ,可以加快调节 ,减少误差 , 但是过大的比 例,使系统的稳定性下降 , 甚至造成系统的不稳定。积分调节作用:是使系统消除稳态误差 ,提高无差度。因为有误差 ,积分调节就进 行,直至无差,积分调节停止 ,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分 时间常数 Ti,Ti 越小,积分作用就越强。反之Ti 大,则积分作用弱 ,加入积分调节 可使系统稳定性下降 , 动态响应变慢。积
2、分作用常与另两种调节规律结合 ,组成 PI 调节器或 PID 调节器。微分调节作用:微分作用反映系统偏差信号的变化率 ,具有预见性 ,能预见偏差变 化的趋势 ,因此能产生超前的控制作用 , 在偏差还没有形成之前 ,已被微分调节作 用消除。因此, 可以改善系统的动态性能。 在微分时间选择合适情况下 ,可以减少 超调, 减少调节时间。 微分作用对噪声干扰有放大作用 , 因此过强的加微分调节 ,对系统抗干扰不利。 此外,微分反应的是变化率 , 而当输入没有变化时 ,微分作用 输出为零。微分作用不能单独使用 ,需要与另外两种调节规律相结合 ,组成 PD或 PID 控制器。(2) PID 具体调节方法方
3、法一确定控制器参数数字 PID 控制器控制参数的选择,可按连续 -时间 PID 参数整定方法进行。 在选择数字 PID 参数之前,首先应该确定控制器结构。对允许有静差(或稳态误差)的系 统,可以适当选择 P 或 PD 控制器,使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的 系统,应选择包含积分控制的 PI或PID控制器。一般来说, PI、PID 和P控制器应用较多。 对于有滞后的对象 ,往往都加入微分控制。选择参数控制器结构确定后, 即可开始选择参数。 参数的选择, 要根据受控对象的具体特性和对控制 系统的性能要求进行。 工程上, 一般要求整个闭环系统是稳定的, 对给定量的变化能迅速响 应并平
4、滑跟踪, 超调量小;在不同干扰作用下,能保证被控量在给定值;当环境参数发生变 化时,整个系统能保持稳定,等等。这些要求,对控制系统自身性能来说,有些是矛盾的。 我们必须满足主要的方面的要求,兼顾其他方面,适当地折衷处理。PID 控制器的参数整定,可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上, PID 控制器的参数常 常是通过实验来确定,通过试凑,或者通过实验经验公式来确定。常用的方法,采样周期选择,实验凑试法 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。整定步骤 实验凑试法的整定步骤为 "先
5、比例,再积分,最后微分 "。(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
6、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。实验经验法 扩充临界比例度法实验经验法调整 PID 参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法,其最大的优点是,参数的整定不依赖受控对象的数学模型,直接在现场整定、简单易行。扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象,是对连续-时间 PID 控制器参数整定的临界比例度法的扩充。整定步骤扩充比例度法整定数字 PID 控制器参数的步骤是:(1)预选择一个足够短的采样周期 TS 。一般说 TS 应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。 (2 )用选定的 TS 使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用,将控制选择为纯比例控制 器,构成闭环运行
7、。逐渐减小比例度,即加大比例放大系数KP ,直至系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡 (稳定边缘) ,将这时的比例放大系数记为 Kr,临界振荡周期记为 Tr 。 (3)选择控制度。控制度,就是以连续 -时间 PID 控制器为基准,将数字 PID 控制效果与之相比较。 通常采用误差平方积分作为控制效果的评价函数。定义控制度采样周期 TS 的长短会影响采样 -数据控制系统 的品质,同样是最佳整定, 采样 -数据控制系 统的控制品质要低于连续 -时间控制系统。因而,控制度总是大于1 的,而且控制度越大,相应的采样 -数据控制系统的品质越差。控制度的选择要从所设计的系统的控制品质要求出 发。(4 )
8、 查表确定参数。根据所选择的控制度,查表3 一 2 ,得出数字 PID 中相应的参数TS,KP,TI 和 TD 。(5)运行与修正。将求得的各参数值加入PID 控制器 , 闭环运行 ,观察控制效果 ,并作适当的调整以获得比较满意的效果。方法二2.3 PID 参数整定方法2.3.1 工程整定法PID 数字调节器的参数,除了比例系数 Kp,积分时间 Ti 和微分时间 Td 外,还有 1 个重要参数即采样周 期 T 。1 采样周期 T 的选择确定 从理论上讲,采样频率越高,失真越小。但是,对于控制器,由于是依靠偏差信号来进行调节计算的, 当采样周期 T太小,偏差信号也会过小, 此时计算机将失去调节作
9、用; 若采样周期 T 太长,则将引起误差。 因此采样周期 T 必须综合考虑。采样周期的选择方法有两种,一种是计算法,另一种是经验法。计算法由于比较复杂,特别是被控对象各环节时间常数难以确定,工程上较少用。经验法是一种凑试 法,即根据人们在控制工作实践中积累的经验以及被控对象的特点,先选择一个采样周期 T ,进行试验, 再反复改变 T ,直到满意为止。2Kp,Ti,Td 的选择方法1 )扩充临界比例度法扩充临界比例度法是简易工程整定方法之一,用它整定Kp,Ti,Td 的步骤如下。选择最短采样周期 Tmin ,求出临界比例度 Su和临界振荡周期 Tu。具体方法是将 Tmin 输入计算机,只 有 P
10、 环节控制,逐渐缩小比例度,直到系统产生等幅振荡。此时的比例度即为临界比例度Su,振荡周期称为临界振荡周期 Tu。选择控制度为:2-15 )根据计算度, 查表 2-1 可求出 Kp,通常当控制度为 1.05 时,表示数字控制方式与模拟方式效果相当Ti, Td 。表 2-1 扩充临界比例度法整定参数表控制度控制规律参数TKpTiTdPI0.03T u0.53S u0.88T u/1.05PID0.014T u0.63S u0.49T u0.14T uPI0.05T u0.49S u0.91T u/1.2PID0.43T u0.47S u0.47T u0.16T uPI0.14T u0.42S u
11、0.99T u/1.5PID0.09T u0.34S u0.43T u0.20TuPI0.22T u0.36S u1.05T u/2.0PID0.16T u0.27S u0.4T u0.22T u2 )扩充响应曲线法若已知系统的动态特性曲线,可以采用和模拟调节方法一样的响应曲线法进行整定,其步骤如下。断开微机调节器,使系统手动工作,当系统在给定值处处于平衡后,给一阶跃输入。用仪表记录被调 参数在此阶跃作用下的变化过程曲线。如图 2-12 所示。图 2-12 阶跃信号下的曲线在曲线最大斜率处做切线,求得滞后时间 t ,对象时间常数 以及它们的比值 /t。根据所求得的 ,t 和 /t 值,查表 2
12、-2 求得值 Kp,Ti, Td。表 2-2 扩充响应曲线法整定参数表控制度控制规律参数TKpTiTd1.05PI0.1t0.84 /t0.34t/PID0.05t1.15 /t2.0t0.45t1.2PI0.2t0.78 /t3.6t/PID0.15t1.0 /t1.9t0.55t1.5PI0.50t0.68 /t3.9t/PID0.34t0.85 /t1.62t0.65t2.0PI0.8t0.57 /t4.2t/PID0.6t0.6 /t1.5tt2.3.2 经验法在实际工作过程中,由于被调对象的动态特性不是很容易确定,即使确定了,不仅计算困难,工作量 大,往往其结果与实际相差较大,甚至事
13、倍功半。因此,在实际生产过程中采用的是经验法。即根据各调 节作用的规律,经过闭环试验,反复凑试,找出最佳调节参数。微机调速器参数最终要在现场试验好后, 才能选出最优参数。厂家有规定的参考值,有一个范围,是理论计算出来的。因此要选择出最优参数,就 必须在生产现场进行试验做记录曲线后方能得到。2.3.3 凑试法确定 PID 调节参数凑试法是通过模拟(或闭环)运行观察系统的响应(例如,阶跃响应)曲线,然后根据各调节参数对 系统响应的大致影响,反复凑试参数,以达到满意的响应,从而确定 PID 的调节参数。增大比例系数 Kp 一般将加快系统的响应,这有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调,
14、并产生振荡,使 稳定性变坏。增大式( 2-2 )中的 Td 有利于加快系统响应,使超调量减小,稳定性增加,但对于干扰信号 的抑制能力将减弱。在凑试时,可参考以上参数分析控制过程的影响趋势,对参数进行先比例,后积分, 再微分的整定步骤。其具体步骤如下:首先整定比例部分。将比例系数由小调大,并观察相应的系统响应,直至得到反应快、超调小的响 应曲线。如果系统没有静差或静差小到允许的范围之内,并且响应曲线已属满意,那么只需要用比例调节器即可,最优比例系数可由此确定。当仅调节比例调节器参数,系统的静差还达不到设计要求时,则需加入积分环节。整定时,首先置 积分常数 Ti 为一个较大值,经第一步整定得到的比
15、例系数会略为缩小(如减小20% ),然后减小积分常数,使系统在保持良好动态性能的情况下,静差得到消除。在此过程中,可根据响应曲线的好坏反复修改 比例系数和积分常数,直至得到满意的效果和相应的参数。若使用比例积分器,能消除静差,但动态过程经反复调整后仍达不到要求,这时可加入微分环节。 在整定时, 先置微分常数 Td 为零, 在第二步整定的基础上, 增大 T d,同时相应地改变 Kp 和 Ti,逐步凑试, 以获得满意的调节效果和参数。应该指出,在整定中参数的选定不是惟一的。事实上,比例、积分和微分三部分作用是相互影响的。 从应用角度来看, 只要被控制过程的主要性能指标达到设计要求, 那么比例、 积
16、分和微分参数也就确定了。 表 2-3 给出了一些常见的调节器参数选择范围。表 2-3 常见被调量 PID 参数经验选择范围被调量特点参数KpTi/ minTd/ min流量时间常数小,并有噪声,故 Kp 比较小, Ti 较小,不用微分12.50.1 1温度对象有较大滞后,常用微分1.6 53100.5 3压力对象的滞后不大,不用微分1.4 3.50.4 3液位允许有静差时,不用积分和微分1.25 5(3)总结PID 控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:一是理论计算整定法。 它主要是依据系统的数学模型, 经过理论计算确定控制器 参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用, 还必须通过工
17、程实际进行调 整和修改。二是工程整定方法, 它主要依赖工程经验, 直接在控制系统的试验中进行, 且方 法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。 现在一般采用的是临界比例法。PID 控制器的参数整定 (经验总结 )利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下: (1) 首先预选择一个足够短的 采样周期让系统工作; (2) 仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出 现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期; (3) 在一定的控制度下 通过公式计算得到 PID 控制器的参数。PID 参数的设定:是靠经验及工艺的熟悉,参考测量值跟踪与设定值曲线,从 而调整 PID 的大小。PID 控制器参数的工程整定 ,各种调节系统中 P.I.D
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