PID控制器及参数调节

2023/2/41PID控制器及参数调节王卓

房间：A楼608

电话：3873 E-mail：zwang@2023/2/42内容常见PID算法PID控制器工业规范PID控制器参数调节PID参数调节商业化产品作业2023/2/431、常见PID算法PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。理想PID算式：

2023/2/441、常见PID算法PID离散近似：

2023/2/451、常见PID算法位置式

PID：

2023/2/461、常见PID算法增量式PID：

2023/2/471、常见PID算法速度型（增量输出与采样周期之比）PID：

2023/2/481、常见PID算法积分分离PID：

取消积分作用引入积分作用2023/2/491、常见PID算法带不灵敏区的PID：

2023/2/4101、常见PID算法微分先行PID：

2023/2/4111、常见PID算法传统PID控制器根据偏差决定控制信号，然后控制信号输出作用到过程。这类控制器产生的控制作用是偏差的函数，它跟踪设定值的能力强，但克服扰动影响的性能差！在微分先行PID控制器中，微分控制分量是过程输出的函数，这样在改变设定值时，控制器的输出不至于有太大的剧变。为了使克服扰动的性能更强，有人提出除积分分量外都是y的函数二自由度PID2023/2/4121、常见PID算法二自由度PID：

b和c可在0~1范围内调整。当b=1，c=1时，就成为单纯PID；当b=0，c=0时，成为I-PD控制器；当b=1，c=0时，就成为PI-D控制器，或称微分先行PID。

2023/2/4131、常见PID算法二自由度PID：

2023/2/4142、PID控制器工业规范PID控制器为无单位设备算法类型（要求位置式算法，不要增量式）：

串行

并行

2023/2/4152、PID控制器工业规范采样与采样时间：采样频率高于10Hz，并在采样周期内取平均值比例带P或增益KcKc=100/P 0.01~100P=100/Kc 1~100002023/2/4162、PID控制器工业规范积分（应用于偏差）：I:0.002~1000分钟必须考虑抗积分饱和比例带P或增益Kc微分动作（应用于过程变量）与滤波器：D:0~500分钟应同时插入滤波器，滤波器时间常数通常为微分时间的1/8~1/102023/2/4172、PID控制器工业规范2023/2/4182、PID控制器工业规范死区补偿：通过在积分反馈路径上插入死区功能块死区时间：0～500分钟手动自动无扰切换（bumplesstransfer）

2023/2/4193、PID控制器参数调节调节目标

：设定值跟踪（操作条件变化）抑制扰动（扰动不确定性）鲁棒性（针对模型失配）性能指标

：单项——1）衰减比；2）超调量；3）上升时间；4）稳定时间；5）静差

综合——1）ISE；2）IAE；3）ITAE2023/2/4203、PID控制器参数调节动机：不同的参数设定影响控制效果和系统稳定性2023/2/4213、PID控制器参数调节使用的模型：一阶惯性环节

一阶惯性环节

＋死区

一阶惯性环节

＋积分环节二阶惯性环节

二阶惯性环节＋死区

二阶惯性环节＋积分环节其他2023/2/4223、PID控制器参数调节方法

：频域法时域法智能方法经验法2023/2/4233、PID控制器参数调节－频域法原理以图和幅值阈度和相位阈度说明2023/2/424临界增益与临界频率2023/2/4253、PID控制器参数调节－频域法临界比例带法(Z-N,Ziegler-Nichols)：临界比例带：当只有比例常数P，增大P至输出等幅振荡此时临界增益=P并观察到振荡周期

2023/2/4263、PID控制器参数调节－频域法临界比例带法(Z-N,Ziegler-Nichols)：KpTiTdPID0.6Ku0.5Tc0.125TcPI0.45Ku0.85TcP0.5Ku2023/2/4273、PID控制器参数调节－频域法改进Z-N方法：需要更多先验知识：Z-N方法只需要Ku和Tu，而改进Z-N方法还需要知道过程的K，T和tau2023/2/4283、PID控制器参数调节－频域法改进Z-N方法：规范化时滞时间：规范化过程增益：k，近似用表示：2023/2/4293、PID控制器参数调节－频域法在改进Z-N方法，实际PID算式的设定值项增加了加权系数，可写为：为加权因子，一般取0<<1，当＝1时即为标准的PID结构。的引入给系统的闭环传递函数提供了一个调整零点的途径，这样就可以影响超调量。2023/2/4303、PID控制器参数调节－频域法改进Z-N方法—参数计算：当2.25<k<15时，针对PID控制器有当k>15时，已经不起多大作用，这时的过程对象实际就是低阶系统对应超调：10%对应超调：20%2023/2/4313、PID控制器参数调节－频域法改进Z-N方法—参数计算：当1.5<k<2.25时，小于1的仍然需要，并且PID控制器中的积分时间常数需要修正针对PI控制器，当1.2<k<15时，一般加权因子＝1，但控制器的参数需要修正如下2023/2/4323、PID控制器参数调节－频域法改进Z-N方法步骤：取广义对象为标准形式：按Z-N方法求出Ku和Tu计算RZN方法的两个特性参数k和按不同范围取整定公式2023/2/4333、PID控制器参数调节－经验法口诀：整定参数寻最佳，从小到大依次查；先是比例后积分，最后再把微分加；曲线振荡很频繁，比例带盘要放大；曲线飘浮绕大弯，比例带盘往小扳。曲线偏离恢复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长；过渡时间要加速，微分时间要加长，微分时间不宜小，太大反而要恶化；理想曲线两个波，调节质量可认可。

经验公式：

2023/2/4343、PID控制器参数调节－智能法基于模糊理论的方法基于专家系统的方法基于神经网络的方法基于遗传算法的方法2023/2/4353、PID控制器参数调节－自整定自整定过程三个步骤：过程扰动的产生；扰动响应的评估；控制器参数的计算。

自整定方法分类：基于频域的自整定方法基于时域的整定方法智能整定方法2023/2/4363、PID控制器参数调节－自整定梆梆控制＋PID参数自整定：

2023/2/4373、PID控制器参数调节－自整定梆梆控制＋PID参数自整定：

切换时间：2023/2/4383、PID控制器参数调节－自整定梆梆控制＋PID参数自整定辨识算法：

写成矩阵形式为

，其中：

2023/2/4393、PID控制器参数调节－自整定梆梆控制＋PID参数自整定辨识算法：

最小二乘最优解：设，有则2023/2/4403、PID控制器参数调节－自整定梆梆控制＋PID参数自整定辨识算法：

递推算法：T为采样周期2023/2/4413、PID控制器参数调节－自整定梆梆控制＋PID参数自整定辨识算法：

参数整定： delta=Kp*(0.1237+0.4325*(tau/Tp-0.1)); //比例带

Ti=Tp*(0.2226+0.8388*(tau/Tp-0.1)); //Reset Td=Tp*(0.0417+0.3317*(tau/Tp-0.1)); //Rate

2023/2/4424、PID参数调节商业软件80年代开始出现商业化产品,原因是一方面近年来的微电子技术的发展使得加入自整定所需要代码的成本趋于合理；大专院校在自整定方面的研究兴趣也才刚刚开始，大多数学者以前把主要精力都投入到相关的、但却比较困难的自适应控制上。2023/2/4434、PID参数调节商业软件国际上已经出现许多商业产品：FoxboroEXACT(760/761)，它采用阶跃响应分析和模式识别技术再加上启发式规则进行参数调整；

AlfaLavalAutomationECA400控制器，它采用继电反馈和基于模型的整定方法；

HoneywellUDC6000控制器，它采用阶跃响应分析和一个规则库来调整参数；

YokogawaSLPC-181/281，它采用阶跃响应分析和基于模型的整定方法。2023/2/4444、PID参数调节商业软件国际上已经出现许多商业产品：IntelligentTuner，它是Fisher-Rosemount公司用在分散控制系统中的一个软件包；Looptune，它是Honeywell公司DCS系统TDC3000中的整定软件包；DCSTuner，它是ABBMaster系统中整定控制器的一个软件包。ExperTune，独立PID参数调节软件包InTune,ControlSoft产品，并被多家DCS厂商OEM

2023/2/445科大AtLoop2023/2/446AutoTune软件功能概述：OPCclient与现场的OPCServer通过通信；数据处理、离线辨识、控制器设计算法设计；在线继电器整定试验和阶越响应试验；数据库功能，保存历史数据；图形界面设计；2023/2/447AutoTune的使用举一例子第一步2023/2/448A