ID参数的工程整定方法概述

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衰减减调节过过程曲线线δs表24：1衰减曲线线法数据据表调节作用比例度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衰减曲曲线法有有的过程程，4：：1衰减减仍嫌振振荡过强强，可采采用10：1衰衰减曲线线法。方方法同上上，得到到10：：1衰减减曲线，，记下此此时的比比例度δδ｀s和和上升时时间T｀｀s，再再按表3的经验验公式来来确定PID的的数值。。衰减曲曲线如图图6所示示。图610：1衰减曲线线示意图图采用衰减减曲线法法必须注注意几点点：（1）、、加给定定干扰不不能太大大，要根根据生产产操作要要求来定定，一般般在5%左右，，也有例例外的情情况。表310：1衰减曲线线法数据据表调节作用比例度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）、、必须在在工艺参参数稳定定的情况况下才能能加给定定干扰，，否则得得不到正正确得δs、Ts。（3）、、对于反反应快的的系统，，如流量量、管道道压力和和小容量量的液位位调节等等，要在在记录上上严格得得到4：1衰减曲线线较困难难，一般般以被调调参数来来回波动动两次达达到稳定定，就近近似地认认为达到到4：1衰减过程程了。下面举一一个现场场整定的的例子。。在某塔塔顶温度度调节系系统中，，被调参参数是塔塔顶温度度，调节节参数是是回流量量。在整整定过程程中，考考虑到对对象滞后后较大，，反应较较慢的情情况，δδ的选择择从50%开始凑试试起，此此时在阶阶跃作用用下（给给定值降降低2%）的过渡渡过程曲曲线见图图7-（（a）。。此时调调节时间间长，不不起振荡荡，于是是将比例例度减少少，δ=30%、20%、及10%时的曲线线见（b）、（c）、（d）。显然然，20%的情况最最好，衰衰减比接接近4：1，Ts=10分。（a）（b）（c）(d)(e)图7用用衰减曲曲线法现现场整定定按4：1衰减曲线线法数据据表定出出整定参参数：δδ=0.8·δδs=16%Ti=0.3·Ts=3分；；Td=0.1·Ts=1分。。投运时，先先将δ放在在较大的数数值，把Ti从大减少到到3分，把Td从小到大逐逐步放大到到1分，然后把把δ拉到16%，（如果在在δ=16%的条件下很很快地把Td放到1分，调节器器的输出会会剧烈变化））。再对系系统加2%的给定定值变化时时，仍产生生4：1衰衰减过程，，见图（e）所示，，调节质量量显著改善善。3、经验试试凑法这是在生产产实践中所所总结出来来的方法，，目前应用用最为广泛泛，其步骤骤简述如下下：1）、根据据不同调节节系统的特特点，先把把P、I、、D各参数数放在基本本合适的数数值上。这这些数值是是由大量实实践经验总总结得来的的（按4：：1衰减）），其范围围大致如表表4所示。。但也有特特殊情况超超出表列的的范围，例例如有的温温度调节系系统积分时时间长达15分钟以以上，有的的流量系统统的比例度度可到200%左右右等等。表4各调调节系统PID参数数经验数据据表调节系统比例度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。参数整定找找最佳，从从大到小顺顺次查，先是比例后后积分，最最后才把微微分加；曲线振荡很很频繁，比比例度值要要放大，曲线漂浮绕绕大弯，比比例度值应应减小；[1]2）、看曲曲线，调参参数。根据据操作经验验，看曲线线的形状，，直接在闭闭合的调节节系统中逐逐步反复试试凑，一直直得到满意意数据。在实践中，，人们把具具体整定的的方法总结结了几段顺顺口溜。曲线偏离回回复慢，积积分时间往往下降，曲线振荡周周期长，积积分时间再再加长；曲线振荡频频率快，先先把微分降降下来，动差大来波波动慢，微微分时间应应加长；理想曲线两两个波，前前高后低四四比一，一看二调多多分析，调调节质量不不会低。第一段讲的的是整定顺顺序，δ和Ti都都是从大到到小逐步加加上去，微微分是最后后才考虑的的。第二段讲的的是比例度度如何整定定。第三段讲的的是积分时时间如何整整定。第四段讲的的是微分时时间如何整整定。第五段讲的的是标准。。上面这种方方法步骤是是先加δ，再加Ti，最后后才加Td。应用中中较稳妥。。另一种方法法是先从表表中所列范范围内取Ti的某个个数值，如如果需要微微分，则取取Td=（（1/3~1/4））Ti，然然后对δ进进行试凑，，也能较快快地达到要要求。实践证明，，在一定范范围内适当当地组合δδ和Ti的的数值，可可以得到同同样衰减比比的曲线，，就是说，，δ的减少少，可以用用增加Ti的办法来来补偿，而而基本上不不影响调节节过程的质质量。另外外，将所在在装置控制制系统的PID参数数记录下来来，是一个个很好的做做法。3）、在不不熟悉的生生产过程中中，应先进进行手动调调节。进入入自动调节节时，应确确定比例度度、积分时时间、微分分时间。当当调节输出出变化一点点点而影响响测量值有有较大变化化的这种场场合，为考考虑到系统统的稳定性性，应加大大比例度，，反之，则则减小比例例度。当调调节器的输输出变化时时，在生产产过程中希希望测量值值跟踪时间间较短，则则应该缩短短积分时间间，回复时时间长的生生产过程则则应该有较较长的微分分时间。（1）、比比例、积分分调节a）、积分分时间置于于最大b）、微分分时间切除除c）、按下下述方法寻寻求比例度度的最佳值值。把比例例度从较大大数值逐渐渐往下降（（例如100%→50%→20%）这这时仔细观观察各个比比例度情况况下的调节节过程，直直至开始产产生周期性性振荡。（（测量值以以给定值为为中心作有有规则得振振荡），在在产生周期期性振荡得得情况下，，把此比例例度逐渐加加宽直至系系统充分稳稳定。d）、接下下去把积分分时间逐渐渐缩短，一一般减少积积分时间即即缩短了测测量值跟踪踪给定值的的时间，但但是由于过过程有延迟迟，积分时时间缩短时时，仍会产产生振荡，，此时，表表示积分时时间过短，，应把积分分时间稍加加延长，直直至振荡停停止。（2）、比比例、积分分、微分调调节a）、积分分时间置于于最大b）、微分时时间置于最最小c）、和前前面的比例例、积分调调节作用一一样改变比比例度，求求起振点。。d）、加大大微分时间间使振荡停停止，接着着把比例度度调得稍小小一些，使使振荡又产产生，加大大微分时间间，使振荡荡再停止，，来回这样样操作，直直至虽加大大微分时间间，但不能能使振荡停停止，以求求得微分时时间的最佳佳值，此时时把比例度度调得稍大大一些直至至振荡停止止。e）、把积积分时间调调成和微分分时间相同同的数值一一般情况下下是没有什什么问题的的，如果又又产生振荡荡则加大积积分时间直直至振荡停停止。以上方法依依据经验试试凑法，实实际应用过过程中根据据需要和习习惯选用某某一种。4、反应曲曲线法反应曲线是是表达对象象特性的方方法之一。。反应曲线线法，是需需要预先测测量反应曲曲线，通过过对象动态态特性数据据定出整定定参数的方方法。而在在某些工艺艺对象上的的约束条件件比较严，，测试有困困难；而在在另一些对对象上，干干扰因素较较多，且较较频繁，测测试就不易易准确，因因此应用场场合受到限限制。一般般现场应用用较少，这这里就不再再多讲。5、几种曲曲线的区别别与判断在实际的参参数整定过过程中，不不论采取什什么样的整整定方法，，理想曲线线与实际曲曲线都存在在着差别，，下面介绍绍几种经实实践总结出出来的曲线线与判断结结果，供整整定中参考考。a、积分时间过过小，振荡荡周期长，，输出变化化到指示变变化时间长长。b、比例度过小小，振荡周周期短，输输出变化到到指示变化化时间短。。c、微分时间过过长，振荡荡周期最短短，输出变变化到指示示变化时最最短。1）、a、比例度度过大，曲曲线漂浮绕绕大弯。b、积分时时间过长，，曲线偏离离回复慢。。2）、第四节复复杂调节节系统的参参数整定以串级调节节系统为例例来说明复复杂调节系系统的参数数整定方法法。见图8所示。由由于串级调调节系统中中，有主、、副两组参参数，各通通道及回路路间存在着着相互联系系和影响。。改变主、、副回路的的任一参数数，对整个个系统都有有影响。特特别是主、、副对象时时间常数相相差不大时时，动态联联系密切，，整定参数数的工作尤尤其困难。。在整定参数数前，先要要明确串级级调节图8串级级控制系统统方块图系统的设计计目的。如如果主要是是保证主参参数的调节节质量，对副参数要要求不高，，则整定工工作就比较较容易；如如果主、副副参数都要要求高，整整定工作就就比较复杂杂。下面介介绍“先副副后主”两两步参数整整定法。第一步：在在工况稳定定情况下，，将主回路路闭合，把把主调节器器比例度放放在100%，积分分时间放在在最大，微微分时间放放在零。用用4：1衰衰减曲线整整定副回路路，求出副副回路得比比例度δ2s和振荡周周期T2s。第二步：把把副回路看看成是主回回路的一个个环节，