(2.2)-6.1.2 PID参数的整定机电一体化与过程控制

机电一体化系统常见控制技术汇报人：XXXX

CONTENT目录6.1.1PID控制6.2.2前馈控制6.2.1串级控制6.1.2PID参数的整定6.2.3纯滞后补偿控制6.2.4多变量解耦控制6.1.2

PID控制参数整定PID控制器设计步骤：确定PID控制器的结构确定控制器的参数确定PID控制器的结构有自平衡能力的被控对象：如果被控对象在扰动作用下偏离了原来的平衡状态，那么在没有外部干预的情况下，被控量依靠被控对象内部的反馈机理，自发达到新的平衡状态的这类对象。6.1.2

PID控制参数整定对于具有自平衡性的被控对象，这一类对象一般应采用含有积分环节的控制器，如PI、PID。确定PID控制器的结构对于没有这种自平衡性的被控对象，则应采用不包含积分环节的控制器，如P、PD控制。对具有滞后性质的被控对象，往往应加入微分环节。还可根据被控对象的特性和控制性能指标的要求，采用一些改进的PID算法。6.1.2

PID控制参数整定模拟PID控制器的参数整定是按照控制性能指标要求，决定调节器的参数Kp、Ti、Td；而数字PID调节器参数的整定，除了需要确定Kp、Ti、Td外，还需要确定系统的采样周期T。6.1.2

PID控制参数整定确定控制器的参数PID参数整定方法：理论计算法和工程整定法。理论计算法：要求必须知道各个环节的传递函数，计算比较复杂，实际系统很难满足要求。工程整定法：基于实验和经验的方法，简单易行。*工程整定法主要分为：试凑法和实验经验法。6.1.2

PID控制参数整定PID整定参数的方法增大比例系数，将加快系统响应速度，但会使系统产生比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变差。增大积分时间常数，将减小超调，减小振荡，使系统更稳定，但将减慢系统静差的消除。增大微分时间常数，将加快系统响应速度，减小超调，但会减弱系统抑制扰动的能力。6.1.2

PID控制参数整定试凑法按照先比例，再积分，最后微分的步骤进行整定。（1）首先只加入比例部分，将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直到系统性能指标满足要求为止。（2）若静差不能满足要求，则需加入积分环节。首先取较大的Ti值，略降低Ki（变为原值的0.8倍），然后反复调整Ti和Kp，逐步减小Ti，直到系统有良好的动态性能，且静差消除为止。6.1.2

PID控制参数整定试凑法（3）若经反复调整，系统动态性能仍不满足要求，可加入微分环节，首先设置Td=0，逐步增大Td，同时也反复改变Kp和Ti，三个参数反复调整，最后得到一组满意参数。实际PID整定得到的参数并不唯一，因为比例、积分、微分三部分产生的控制作用，互相可以调节补偿。因此，可能整定得到不同的一组参数，达到同样的控制效果。6.1.2

PID控制参数整定试凑法积分微分比例机电一体化被调量特点KPTi/minTd/min流量对象时间常数小，并有噪声，因此KP较小，Ti较短，不用微分1-2.50.1-1温度对象为多容系统，有较大滞后，常用微分1.6-53-100.5-3压力对象为大容量系统，滞后一般不大，不用微分1.4-3.50.4-3液位在允许有静差时，不必用积分，不用微分1.25-56.1.2

PID控制参数整定常见被控量的PID参数推荐值需要做稳定边界实验，实验时，（1）选用纯比例控制，比例系数为Kp；（2）令给定值为阶跃信号，观察输出，从比较小的Kp开始，逐渐加大Kp，直到被控量出现临界稳定振荡为止，记下临界振荡周期Tu，以及此时的临界比例系数Kp,这个临界Kp的倒数称为临界比例带δu。y(t)Tu系统临界振荡曲线t6.1.2

PID控制参数整定实验经验法（稳定边界法）需要做稳定边界实验，实验时，（3）按照下表推荐的经验公式计算出控制器的参数Kp，Ti，Td。调节规律整定参数1/KpTiTdP2δu~~PI2.2δu0.85Tu~PID1.6δu0.50Tu0.13Tu6.1.2

PID控制参数整定实验经验法（稳定边界法）需要做稳定边界实验，实验时，（4）根据这个计算结果设置控制器的参数值。（5）再观察系统的响应过程，看看输出曲线稳定性、快速性和准确性是否满足要求，若曲线不符合要求，再适当调整参数值。*不适用情况：不允许出现等幅震荡的系统，如锅炉水位系统；某些时间常数较大的对象，如压力对象等。6.1.2

PID控制参数整定实验经验法（稳定边界法）衰减曲线法（1）选用纯比例控制；（2）令给定值为阶跃信号，从比较小的Kp开始，逐渐加大Kp，直到被控量出现如下所示的4:1衰减过程为止，记下此时的比例带δu和两相邻波峰之间的时间Tu。6.1.2

PID控制参数整定实验经验法（稳定边界法）衰减曲线法（3）然后按照下表推荐的经验公式计算出Kp，Ti，Td。整定参数调节规律1/KpTiTdPδu~~PI1.2δu0.5Tu~PID0.8δu0.3Tu0.1Tu6.1.2

PID控制参数整定实验经验法（稳定边界法）衰减曲线法（4）将计算出来的结果设置为PID控制器的参数值，观察系统的响应过程。若不够理想，再适当调整整定参数值，直到其符合要求为止。*不适用情况：对于外界扰动频繁，以及记录曲线不规则的情况，由于不能得到正确的临界比例系数Kp，临界比例带δu，以及4：1衰减时间Tu。6.1.2

PID控制参数整定实验经验法（稳定边界法）(1)在系统处于开环情况下，即不加控制作用，在执行器之前和反馈回路比较点之前断开系统。(2)然后给开环系统输入一个阶跃信号，在反馈回路断开点处获取被控对象的阶跃响应曲线。6.1.2

PID控制参数整定实验经验法（稳定边界法）(3)获取的被控对象的阶跃响应曲线，由该曲线的拐点处切线求得对象的纯延迟时间τ，时间常数Tc和放大系数K。Tcτ6.1.2

PID控制参数整定实验经验法（稳定边界法）（4）再按照表中经验公式计算Kp、Ti、Td。控制规律1/KpTiTd1/KpTiTdP~~~~PI3.3τ~0.8Tc~PID2τ0.5τ0.81Tc+0.19τ0.25Ti*不适用情况：对于不允许工艺失控的生产过程。6.1.2

PID控制参数整定实验经验法（稳定边界法）整定方法优点缺点试凑法系统闭环，不需计算需要经验稳定边界法系统闭环会出现被调量等幅振荡衰减曲线法系统闭环，安全实验费时动态特性法方法简单系统开环，被调量变化较大，影响生产6.1.2

PID控制参数整定几种整定方法的比较6.1.2

PID控制参数整定几种整定方法的比较*注意：同一个系统，最佳整定参数可能不唯一。不同PID参数组合，有时会得到极为相近的控制结果。同时，在生产进行的过程中，如果工艺操作条件改变，或负荷有很大变化，被控对象的特性就会改变，因此，控制器的参数必须重新整定。另外数字PID调节器参数的整定，除了需要确定Kp，Ti，Td外，还需确定系统的采样周期T。系统控制品质：希望T小一些，更接近于连续控制，不仅控制效果好，还可采用模拟PID控制参数的整定方法。执行机构的特性：由于控制过程中通常采用电动或气动调节阀，它们的响应速度低，若T过小，执行结构来不及响应，达不到控制目的。6.1.2

PID控制参数整定采用周期（T）的选取控制系统抗干扰和快速响应角度：希望T小些。计算工作量：希望T大些，这样可以控制更多的回路，保证每个回路有足够的时间来完成必须的运算。计算机的成本：希望T大些，这样计算机的运算速度和采集数据的速度可降低，从而降低硬件成本。6.1.2

PID控制参数整定采用周期（T）的选取1.采样周期应远小于对象的扰动信号周期；2.采样周期应比对象的时间常数小得多，否则采样信号无法反映瞬变过程；3.考虑执行器的响应速度，如果执行器的响应速度比较慢，则过短的采样周期将失去意义；6.1.2

PID控制参数整定采用周期（T）选取考虑的因素：4.对象所要求的调节品质。在计算机运算速度允许的情况下，采样周期短，调节品质好。5.性能价格比。考虑控制性能，希望采样周期短，但计算机运算速度，A/D和D/A转换速度要求也相应提高，导致硬件费用增加；6.计算机所承担的工作量。若控制回路数多，计算量大，则采样周期要加长。6.1.