控制器参数整定方法及实例-zhm

§4.3控制器参数整定对数频率特性法

根轨迹法理论计算整定方法经验法

衰减曲线法

临界比例度法响应曲线法工程整定法需要知道数学模型不需要事先知道过程的数学模型，可直接在系统中进行现场整定，比较简单（广泛使用）自整定法：对运行中的系统进行整定确定调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间TD。其实质是通过改变调节器的参数，以改变系统的动态和静态指标，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求，争取最佳控制效果。方法有：概念：1、经验整定法实质上是经验试凑法，是工程人员在长期生产实践中总结出来的被控变量规律的选择(%)（min）（min）流量要短；不用微分40～1000.3～1温度要长；一般需加微分20～603～100.5～3压力对象的容量滞后不算大一般不加微分30～700.4～3液位可在一定范围内选取一般不用微分20～80表4-3控制器参数经验数据不需计算和实验，而是根据经验，先确定一组控制器参数（如表4-3中所示），并将系统投运，然后人为加入干扰（改变设定值）观察过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制参数值，进行反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。先根据表4-3选取Ti和Td，通常取Td=(1/3～1/4)Ti

，然后对进行反复凑试直至得到满意的结果。如果开始时和设置得不合适，则有可能得不到要求的理想曲线。这时应适当调整和再重新凑试，使曲线最终符合控制要求。先令PID成为纯P调节器（即令Ti=，Td＝0）按经验数据设置整定控制系统，使之达到4：1衰减振荡的过渡过程曲线；经验整定方法一：然后加I作用(在加I之前，应将加大为原来的1.2倍）Ti按2o，或(0.51)Tp计算，将Ti由大到小调整，直到系统得到4：1衰减振荡的曲线为止。若需引入D作用，Td按0.5o，或(0.250.5)Ti计算，这时可将调到原来的数值（或更小一些），再将Td由小到大调整，直到过渡过程曲线达到满意为止。经验整定法二：经验整定法适用于各种控制系统，特别适用对象干扰频繁、过渡过程曲线不规则的控制系统。但是，使用此法主要靠经验，对于缺乏经验的操作人员来说，整定所花费的时间较多2、临界比例度法--闭环整定方法将PID置纯P作用（即TI=∞，TD=0）置为较大数值,系统投闭环系统稳定后，施加一阶跃输入；减小，直到出现等幅振荡为止

记录临界比例带K和等幅振荡周期TK。采用下表的经验公式计算控制器各参数③按先P，后I，最后D的操作程序，将控制器整定参数调到计算值上；观察其运行曲线，作进一步调整。临界比例度法：受到一定的限制。如有些系统不允许进行反复振荡试验；如时间常数较大的单容过程，采用比例控制时根本不可能出现等幅振荡。过程特性不同，整定得到的控制器参数不一定能获得满意结果。如无自衡特性过程，整定参数往往会使系统响应的衰减率偏大（即ψ>0.75）；有自衡特性的高阶等容过程，整定参数使系统衰减率偏小（即ψ<0.75）。3、衰减曲线法--闭环整定方法

将PID置纯P作用（即TI=∞，TD=0）置为较大数值,系统投闭环系统稳定后，施加一个阶跃输入；↓直到出现衰减振荡为止记录比例带s，及衰减振荡周期或上升时间。根据s,TS

,tp，采用下表中的经验公式，计算控制器各参数。步骤如下：按先P，后I，最后D的操作程序，将控制器整定参数调到计算值上；观察其运行曲线，作进一步调整。注意：准确地确定系统4:l（或l0:1）的衰减程度比较困难（±2/5%）不适用于一些扰动比较频繁、过程变化比较快的系统4、反应曲线法--开环整定方法利用系统开环广义对象的阶跃响应曲线进行控制器参数整定。齐格勒（Ziegler）-尼科尔斯（Nichols）在1942年提出的步骤如下：系统置于开环状态。在调节阀Gv(s)的输入端施加一个阶跃信号，记录下测量变送环节Gm(s)的输出响应曲线y(t)。根据阶跃响应曲线，得到广义对象的传递函数。根据近似经验公式计算控制器参数。无自平衡广义过程自平衡广义过程广义对象的传函：§4.3控制器参数整定——反应曲线法齐格勒（Ziegler）-尼科尔斯（Nichols）整定公式先按表算出P控制器的PD控制器的参数无自衡过程自衡过程§4.3控制器参数整定——反应曲线法柯恩（Cheen）-库思（Coon）整定公式P控制器：PI控制器：PID控制器：§4.3控制器参数整定——三种常用工程整定方法的比较临界比例度法、衰减曲线法、反应曲线法都属于工程整定方法，共同点是通过试验获取某些特征参数，然后再按照工程经验公式计算控制器的整定参数；不同点：临界比例度法和衰减曲线法都是闭环整定方法，依赖系统在某种运行状况下的特征参数都控制器参数进行整定，不需要掌握被控过程的数学模型；临界比例度法不适用于生产过程中不能反复振荡试验、对比例调节是本质稳定的被控系统；在做衰减比较大的试验时，衰减曲线法观测数据很难准确确定，不适用于过程变化快的系统；§4.3控制器参数整定——三种常用工程整定方法的比较反应曲线法是开环整定方法，即通过系统开环试验得到被控过程的特征参数后，再对控制器参数进行整定。因此，这种方法适用性较广，并为控制器参数的最佳整定提供了可能。与其他两种方法相比，反应曲线法所受试验条件的限制比较少，通用性强；衰减曲线法和临界比例度法的抗干扰能力不如反应曲线法，因为闭环试验对干扰有较好的抑制作用，而开环试验对外界干扰的抑制能力较差。无论采用哪种方法所得到的控制器参数，都需要在系统的实际运行中进行最后的调整与完善。§4.3控制器参数整定——举例已知被控过程是一个二阶环节，其传递函数为：检测变送环节的特性为：调节阀特性为：因此广义被控过程的传递函数为：§4.3控制器参数整定——举例由阶跃响应曲线法确定带纯滞后的一阶环节：§4.3控制器参数整定——举例反应曲线法整定控制器参数采用Z-N公式：P控制器：=0.125，Kc=8PI控制器：Kc=7.3，TI=8.25PID控制器：Kc=9.4，TI=5，TD=1.25采用柯恩-库恩公式：P控制器：Kc=8.3PI控制器：Kc=7.3，TI=6.6PID控制器：Kc=10.9，TI=5.85，TD=0.89§4.3控制器参数整定——举例临界比例度法整定控制器参数K=0.08，TK=15.12P控制器：Kc=6.25PI控制器：Kc=5.7，12.85PID控制器：Kc=7.35，TI=7.56，TD=1.89§4.3控制器参数整定——举例纯比例控制下，不同整定方法的响应曲线：§4.3控制器参数整定——举例比例积分控制下，不同整定方法的响应曲线：§4.3

控制器参数整定——举例比例积分微分控制下，不同整定方法的响应曲线：调节器参数整定中的反应曲线法和理论计算法，都是以如图所示的广义被控对象Go(s)和等效控制器Gc(s)组成的简单控制系统为基础的。Gc(s)Go(s)r(t)y(t)－由Gc(s)和Go(s)组成的简单控制系统§4.3控制器参数整定——广义被控对象和等效调节器问题Gc(s)Gp(s)r(t)y(t)－Gv(s)Gm(s)Go(s)=Gp(s)Gm(s) Gc(s)=Gc(s)Gv(s)Go(s)=Gv(s)Gp(s)Gm(s) Gc(s)=Gc(s)Go(s)=Gp(s) Gc(s)=Gc(s)Gv(s)Gm(s)因此，整定计算所得的为等效调节器的等效比例带，必须经过换算后才得到调节器的比例带。§4.3控制器参数整定——广义被控对象和等效调节器问题即使如此，整定计算得到的是调节器各参数的实际值。对于工业PID调节器，由于和Ti、Td各参数之间相互干扰，必须考虑调节器各参数实际值与刻度值之间的转换关系。带*的量为调节器参数的实际值，不带*的为参数的刻度值。F称为相互干扰系数。调节器处于P、PI和PD工作状态时，F=1，调节器的实际值和刻度值相等。但当处于PID工作方式时，F>1，必须由它的实际值计算调节器参数的刻度值。§4.3控制器参数整定——广义被控对象和等效调节器问题例：某温度控制系统采用PI控制器。在调节阀扰动量u=20%时，测得温度控制通道阶跃响