PID是比例-积分-微分控制的简称,也是一种控制算法,其特点是结构改变灵活、威廉希尔官方网站 成熟、适应性强。
对一个控制系统而言,由于控制对象的精确数学模型难以建立,系统的参数经常发生变化,运用控制理论综合分析要耗费很大的代价,却不能得到预期的效果,所以人们往往采用PID调节器,根据经验在线整定参数,以便得到满意的控制效果。随着计算机特别是微机威廉希尔官方网站 的发展,PID控制算法已能用微机简单实现,由于软件系统的灵活性,PID算法可以得到修正而更加完善。
PID参数的工程整定方法
数字PID调节器与interwetten与威廉的赔率体系 PID调节器控制思想完全一样,只是实现的物理过程不同,数字PID调节器参数的整定方法也和模拟PID调节器基本相同,只是增加了自整定功能。
参数整定的方法很多,我们只介绍几种工程上最常用的方法。最实用的是试凑法。
1、自整法
现在的数字调节器,大多采用了模糊控制威廉希尔官方网站 进行PID调节。
模糊控制基于专家知识或熟练操作者的成熟经验,并可通过学习不断更新。因而它具有智能性和自学习性,是一种人工智能调节方式。PID参数的自整功能,模拟专家操作,自动寻优,整定出最佳参数,使之达到理想的控制效果。我们在使用调节器时,应首先启动自整功能,看一看整定的结果和控制效果,这是一个向专家系统学习的过程。自整定结果,也不一定都是最佳参数,有时还需我们进一步寻优。关于启动自整功能的方法,请阅读有关的说明书,非常简单。
2、逐试法
将PID参数之一增加或减少30~50%,如果控制效果变好,则继续增加或减少该参数,否则往反方向调整,直到效果满足要求。
3、临界值整定性
①比例+积分调节器 a、积分时间置于最大; b、置TD=0;
c、从一个比较大的比例带逐步降低,每降低一次等待一定的时间,观察记录表上或记录纸上被控参量的记录曲线,直至记录曲线出现周期性振荡,然后在这一点上再加大比例带,直到不出现振荡;
D、减少积分时间,每减一次同样等待一定的时间,观察记录曲线,当它低于由过程的滞后特性所决定的某个临界值时,曲线又出现周期性振荡,然后在这点上缓慢地加大积分时间直至振荡停止。
②比例+积分+微分调节器
a、积分时间置于最大;
b、微分时间置于最小;
c、用上方法减小比例带至周期性振荡出现;
d、加大微分时间,使周期性振荡停止,再减小比例带,使振荡重新出现,再加大微分时间,使振荡停止,重复上述过程至加大微分时间后振荡不再停止。再增大比例带至周期性振荡停止。
E、取积分时间为微分时间的2~5倍,如果周期性振荡出现,加大积分时间至振荡停止。
4、经验整定法
根据PID控制原理和系统的特性,结合自己的经验,直接设置PID参数,然后再根据控制效果做进一步的修改。
当调节器输出变化很小,而引起测量值(被控参量)变化较大时,应将比例带置于较大的数值,反之亦然。当调节器输出变化,很快引起被控参量的变化,则积分和微分时间的整定就应较小,对于快速的流量系统则可以不加入微分运算,反之亦然。熟悉系统的特性是整定PID参数的关键。最后分析两个温度调节系统,加深对上述内容的理解。
例1:果冻条封口温控系统,采用佳能电子CNG-5181智能数字调节仪出厂时参数设定为P=20,I=130,d=30,置设定值SV=150℃,PV达到SV时,启动自整定功能,大约在20分钟左右,自整结束。P=15,I=236,d=59。进入PID控制后,PV很快稳定在上150℃上,当设定值改为155℃,PV很快又稳定在155℃,动静态品质均非常理想,实际上采用出厂设定参数值也能获得满意的控制效果。
例2,联苯锅炉用于化纤纺丝管道伴热,工艺温度为290℃~300℃,温控器选用日本岛电公司SR74型PID自整定温控仪,出厂设定值为P=3,I=120,D=30,在该参数下,温度波动较大为295℃±3℃。启动自整定功能,约1小时后,整定出的PID参数为P=0.3,I=1168,D=292,显示温度始终为295℃,改变设定值为300℃时。显示温度又始终为300℃。
点评:果冻条封口温控系统属于小型温控系统,系统灵敏度高,热惯性小,滞后时间短,所以比例带较大,积分、微分时间常数均比较小。或者说比例、微分作用较弱,积分作用较强。例2中的温控系统属于大型的调节系统,灵敏度低,热惯性大,滞后时间长,所以整定出的PID参数和例1相反,比例带较小,积分和微分时间常数均较大,且TI≈4TD。
1)临界比例度法
这是目前使用较广的一种方法,具体作法如下:
先在纯比例作用下(把积分时间放到最大,微分时间放到零),在闭合的调节系统中,从大到小地逐渐地改变调节器的比例度,就会得到一个临界振荡过程,如图8所示。这时的比例度叫临界比例度δk,周期为临界振荡周期Tk。记下δk和Tk,然后按表1的经验公式来确定调节器的各参数值。
表1 临界比例度法数据表
这种方法在下面两种情况下不宜采用:
a)临界比例度过小,因为这时候调节阀很容易处于全开及全关位置,对于工艺生产不利,举例来说,对于一个用燃料油(或瓦斯)加热的炉子,如δ很小,接近双位调节,将一会儿熄火,一会儿烟囱浓烟直冲。
b)工艺上约束条件较严格时,因为这时候如达到等幅振荡,将影响生产的安全运行。
2)衰减曲线法
临界比例度法是要系统等幅振荡,还要多次试凑,而用衰减曲线法较简单,一般又有两种方法。
(1)4:1衰减曲线法
使系统处于纯比例作用下,在达到稳定时,用改变给定值的办法加入阶跃干扰,观察记录曲线的衰减比,然后逐渐从大到小改变比例度,使出现4:1的衰减比为止,如下图所示。记下此时的比例度δs和Ts的值,再按表2的经验公式来确定PID数值。
表2 4:1衰减曲线法数据表
(2)10:1衰减曲线法
有的过程,4:1衰减仍嫌振荡过强,可采用10:1衰减曲线法。方法同上,得到10:1衰减曲线,记下此时的比例度δ's和上升时间T's,再按表3的经验公式来确定PID的数值。衰减曲线如下图所示。
表3 10:1衰减曲线法数据表
采用衰减曲线法必须注意几点:
a)加给定干扰不能太大,要根据生产操作要求来定,一般在5%左右,也有例外的情况。
b)必须在工艺参数稳定的情况下才能加给定干扰,否则得不到正确得δs、Ts、或δ's和T's值。
c)对于反应快的系统,如流量、管道压力和小容量的液位调节等,要在记录纸上严格得到4:1衰减曲线较困难,一般以被调参数来回波动两次达到稳定,就近似地认为达到4:1衰减过程了。
下面举一个现场整定的例子。在某塔顶温度调节系统中,被调参数是塔顶温度,工艺允许波动为<4℃,调节参数是回流量。在整定过程中,考虑到对象滞后较大,反应较慢的情况,δ的选择从50%开始凑试起,此时在阶跃作用下(给定值降低2%)的过渡过程曲线见下图(a)。此时调节时间长,不起振荡,于是将比例度减少,δ=30%、20%、及10%时的曲线见(b)、(c)、(d)。显然,20%的情况最好,衰减比接近4:1,Ts=10分。
按4:1衰减曲线法数据表定出整定参数:
δ=0.8·δs=16%;
Ti=0.3·Ts=3分;
Td=0.1·Ts=1分。
投运时,先将δ放在较大的数值,把Ti从大减少到3分,把Td从小到大逐步放大到1分,然后把δ拉到15%,(如果在δ=15%的条件下很快地把Td放到1分,调节器的输出会剧烈变化)。再对系统加2% 的给定值变化时,仍产生4:1衰减过程,见图(e)所示,调节质量显著改善,超调量小于1℃,调节时间为6.5分。
3)经验试凑法
这是在生产实践中所总结出来的方法,目前应用最为广泛,其步骤简述如下:
(1)确定KP
可用“优选法”,详见下表
表4 优选法确定KP
(2)看曲线,调参数,根据操作经验,看曲线的形状,直接在闭合的调节系统中逐步反复试凑,一直得到满意数据。
在实践中,把具体整定的方法总结了几段顺口溜:
参数整定找最佳,从大到小顺次查,先是比例后积分,最后才把微分加;曲线振荡很频繁,比例度值要放大, //比例度放大即比例系数KP要减小。曲线漂浮绕大弯,比例度值应减小;曲线偏离回复慢,积分时间往下降,曲线振荡周期长,积分时间再加长;曲线振荡频率快,先把微分降下来,动差大来波动慢,微分时间应加长;理想曲线两个波,前高后低四比一,一看二调多分析,调节质量不会低。
第一段讲的是整定顺序,δ和Ti都是从大到小逐步加上去,微分是最后才考虑的。第二段讲的是比例度如何整定。第三段讲的是积分时间如何整定。第四段讲的是微分时间如何整定。第五段讲的是标准。
上面这种方法步骤是先加δ,再加Ti,最后才加Td。应用中较稳妥。
另一种方法是先从表列范围内取Ti的某个数值,如果需要微分,则取Td=(1/3~1/4)Ti,然后对δ进行试凑,也能较快地达到要求。
常用PID控制参数的经验值如下图所示。
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