PID參數整定過程

1、PID參數整定過程鄧文清摘要：本文通過對PID控制的理論分析，得出P、I、D各參數在控制中的作用，并使用MATLAB軟件完整的仿真了一個普通PID的參數整定過程，能直觀的看出各參數在自動控制中的功能，便于深入理解PID的含義和整定過程，對工作中DCS的PID參數整定有一定參考價值。關鍵詞：PID參數整定 DCS MATLAB仿真 串級調節(jié)1自動控制原理簡介一個典型的自動控制回路是由調節(jié)器、調節(jié)器、被控對象、檢測變送環(huán)節(jié)四大部分組成。其原理圖如下：其系統(tǒng)傳遞函數框圖如下：其中為過程通道特性，其中為不包含過程純滯后部分的傳遞函數；為過程擾動通道傳遞函數；為調節(jié)器的傳遞函數。則單回路系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數

2、為 控制回路控制質量的好壞，直接影響到生產工藝的平穩(wěn)、產品的質量和數量。而在自動控制中，一個好的PID參數能給控制回路帶來很好的控制品質，提高生產的平穩(wěn)性和提高產品收率。下面就PID控制的原理和PID參數整定的方法進行探討。2PID經典控制分析PID控制器的數學描述為：式中，為誤差信號；為控制器輸出信號；為比列系數；為積分時間常數；為微分時間常數。PID控制是比例積分微分控制的簡稱。在生產過程自動控制的發(fā)展中PID控制是歷史悠久，生命力最強的基本控制方式。PID控制有原理簡單，使用方便，適應性強的優(yōu)點，廣泛應用于化工、熱工、冶金、煉油以及建材等各種生產部門。PID控制是一種負反饋控制，因為在反

3、饋控制系統(tǒng)中，自動調節(jié)器和被控對象構成一個閉合回路。在連接成閉合回路是可能有兩中情況：正反饋和負反饋。正反饋作用加劇被控對象流入量流出量的不平衡，從而導致系統(tǒng)不穩(wěn)定；負反饋作用則是緩解其中的不平衡，這樣才能正確地達到自動控制的目的。2. 1 P調節(jié)（比例調節(jié)）比例調節(jié)的顯著的特點：有差調節(jié)。在過程控制中習慣用增益的倒數來表示調節(jié)器輸入輸出之間的比例關系：其中其中稱為比例帶。在生產過程運行中經常會發(fā)生負荷變化即物料能量和流量的大小的變化。如果采用比例調節(jié)，則在負荷擾動下的調節(jié)過程結束后，被調量不可能與設定值準確相等，他們之間一定有殘差存在。 比例帶對調節(jié)過程的影響：比例調節(jié)的殘差隨著比例帶的加大

4、而加大。然而，減小比例帶就等于加大調節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益P，其后果是導致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定是任何系統(tǒng)閉環(huán)控制的首要要求，比例帶的設置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。對于典型的工業(yè)過程，P對于調節(jié)過程的影響為，當P很大時意味著調節(jié)閥的動作幅度很大，引起被調量來回波動，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，殘差相應減小。P具有一個臨界值，當處于臨界值時系統(tǒng)就等幅震蕩，此時進一步增大P系統(tǒng)就不穩(wěn)定，就會導致系統(tǒng)發(fā)散而不能控制了。減小P就減小了調節(jié)閥的動作幅度，因此被調量變化比較平穩(wěn)，甚至可沒有超調量，但殘差很大調節(jié)時間也很長。2.2、I調節(jié)（積分調節(jié)）積分調節(jié)的特點：無差調節(jié)，與P調節(jié)的有差調節(jié)成鮮明的對比。

5、在積分調節(jié)器的動作過程中只有當被調量偏差e為零時，積分調節(jié)器的輸出才會保持不變。然而與此同時，調節(jié)器的輸出卻可以停留在任何數值上。這意味著被控對象在負荷擾動下的調節(jié)過程結束后，被調量沒有殘差，而調節(jié)閥則可以停止在新的負荷所需要的開度上。積分調節(jié)的另一個特點是它的穩(wěn)定作用比比例調節(jié)的穩(wěn)定作用差。對于非自衡的被控對象，如果采用比例調節(jié)時，只要加大比例帶總可以使系統(tǒng)穩(wěn)定，如果采用積分調節(jié)則不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)。對于同一個系統(tǒng)的同一個被控對象，采用積分調節(jié)過程的進度總是比采用比例調節(jié)時緩慢，表現為振蕩頻率底。積分速度對于調節(jié)過程的影響：采用積分調節(jié)時，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度成正比，因此，增大積分

6、速度會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后的發(fā)散振蕩過程。調節(jié)閥的動作越快，就越容易引起和加劇震蕩。但是與此同時，振蕩頻率將越來越高，而動態(tài)偏差則越來越小。被調量最后沒有殘差是積分調節(jié)的特點。2.3、D調節(jié)（微分調節(jié)）微分調節(jié)的特點：超前調節(jié)。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項

7、往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例加微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性（液面控制時罐的橫切面積比較大）或滯后（溫度控制時爐溫變化的緩慢）的被控對象，加入微分構成PD、PID控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。2.4、PI調節(jié)（比例積分調節(jié)）PI調節(jié)就是綜合了比例調節(jié)和積分調節(jié)的優(yōu)點，利用比例調節(jié)的快速性抵消干擾的影響，同時利用積分調節(jié)消除殘差。比例積分調節(jié)器的階越響應，它是由比例動作和積分動作兩個部分組成的。用積分時間可以衡量積分部分在總

8、輸出中所占的比重，積分時間越小，積分部分所占的比重就越大。比例積分調節(jié)引入了積分動作帶來消除系統(tǒng)殘差之好處的同時，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保證控制系統(tǒng)原來的衰減率，比例積分調節(jié)器就必須將比例帶適當加大。所以比例積分調節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動態(tài)品質以換較好的穩(wěn)定性能。 在比例帶不變的情況下，減小積分時間將使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降、振蕩加劇、調節(jié)過程加快、振蕩頻率升高 。具有積分作用的調節(jié)器，只要被調量設定值之間有偏差，其輸出就會不停地變化。如果由于某種原因，被調量偏差一時無法消除，然而調節(jié)過程還是要試圖校正這個偏差，結果經過一段時間后，調節(jié)器輸出將進入深度飽和狀態(tài)，這種現象即是積分飽和現象。

9、進入積分飽和的調節(jié)器要等被調量偏差反向后才慢慢從飽和狀態(tài)中退出來，重新恢復控制作用。積分飽和現象經常出現在自動啟動間歇過程的控制系統(tǒng)、串級系統(tǒng)中的調節(jié)器以及像選擇控制這樣的復雜控制系統(tǒng)中。PI調節(jié)器相當于積分調節(jié)器與PD調節(jié)器的串聯(lián)，兼具二者的優(yōu)點。利用積分部分提高系統(tǒng)的無差度，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；并利用PD調節(jié)器改善動態(tài)性能，以抵消積分部分對動態(tài)的不利影響.。PI調節(jié)器主要用于在基本保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，絕大部分控制回路用PI調節(jié)器即可獲得很好的控制效果。 2.5、PID調節(jié)（比例積分微分調節(jié)）在PI調節(jié)器中引入微分構成PID調節(jié)器，由于微分調節(jié)有一定的預見性，在系統(tǒng)

10、的被控量出現較大的偏差之前，給出一個微分作用抑制較大的超調量。比例調節(jié)、積分調節(jié)都是根據當前偏差的方向和大小進行調節(jié)的，不管那時被控對象中流人量與流出量之間有多大的不平衡，而這不平衡正決定著此后被調量將如何變化的趨勢。由于被調量的變化速度（包括其大小和方向）可以反映當時或稍前一些時間流入、流出量之間不平衡情況。微分調節(jié)器能根據被調量的變化進度來移動調節(jié)閥，而不是等到被調量已經出現較大的偏差后才開始調節(jié)，這種調節(jié)器在被調量有較大變化趨勢的時候能取得較好的控制效果。然而這種微分調節(jié)器不能單獨工作，因為實際中的調節(jié)器都有一定的失靈區(qū)，流入量與流出量之差很小是時調節(jié)器察覺不到不會動作，要等到偏差積累到

11、一定的程度湖才開始動作，著是不允許的。因此微分調節(jié)器只能起輔助調節(jié)作用，它可以與其它調節(jié)動作結合成PD和 PID控制器。比例微分調節(jié)也是有差調節(jié)。微分調節(jié)動作總是力圖抑制被調量的振蕩，它有提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用，適度引入微分動作可以允許稍許減小比例帶，同時保持衰減率不變。因此，利用微分控制反映信號的變化率（即變化趨勢）的“預報”作用，在偏差信號變化前給出校正信號，防止系統(tǒng)過大地偏離期望值和出現劇烈振蕩的傾向，有效地增強系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，而比例部分則保證了在偏差恒定時的控制作用。 可見，比例微分控制同時具有比例控制和微分控制的優(yōu)點，可以根據偏差的實際大小與變化趨勢給出恰當的控制作用。 PD調節(jié)

12、器主要用于在基本不影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的前提下提高系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。比例積分微分調節(jié)則是綜合了三者的優(yōu)點，通過整定PID的三個參數比例系數、積分增益、微分增益對一般的系統(tǒng)都能獲得較好的控制效果。2.6、小結 PID各環(huán)節(jié)物理意義PID控制結構簡單，且比例增益Kp（P） 、積分增益Ki(I)、微分增益Kd(D)有著明顯的物理意義：Kp比例控制器直接響應與當前的誤差信號，一旦發(fā)生誤差信號，則控制器立即發(fā)生作用以減少偏差，當P增大則偏差下降，但是如果P無限增大則會使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。Ki=Kp/Ti積分控制器對以往的誤差發(fā)生作用，能消除控制中靜態(tài)誤差，但I的增加(積分時間的減少)會增加

13、系統(tǒng)的超調量。如果I無限增加（積分時間無限減小）會使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kd=KpTd微分控制器對誤差的導數，即誤差的變化率發(fā)生作用有一定的報警功能，能在誤差有大的變化趨勢時施加適當的控制，微分增益的增大能增加系統(tǒng)的響應速度，減小調節(jié)時間。但是無限增加D也會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。開環(huán)PID各部分的作用效果圖3、PID參數整定3.1、控制系統(tǒng)參數整定的基本要求在過程控制系統(tǒng)方案設計、設備選型、安裝調試就緒后，下一步要進行的就是系統(tǒng)的投運與調整、整定。若一切順利則系統(tǒng)可投入正常生產，若品質指標達不到要求，則需按照再次整定控制器參數、修改控制規(guī)律、檢查設備選型是否符合要求(如調節(jié)閥特性選用是否恰當，口徑是否過

14、大或過小等)、修改控制方案的順序反復進行，直到找出原因與解決辦法便系統(tǒng)滿足生產要求。簡單的控制系統(tǒng)是由廣義對象和調節(jié)器夠成的，其控制質量的決定性因素是被控對象的動態(tài)特性，與此相比其它的都是次要的。系統(tǒng)安裝好后，系統(tǒng)能否在最佳狀態(tài)工作，最要取決于調節(jié)器各參數的設置是否得當。 3.2、什么是控制系統(tǒng)參數整定過程控制采用的控制器(調節(jié)器)通常都有一個或多個需要調整的參數，這些參數一般在計算機控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件中或是可編程控制器中的編程器里面，通過調整這些參數能夠作用該控制回路到相對應機構(各類調節(jié)閥)。通過調整這些參數使控制器特性與被控過程特性配合好，獲得滿意的系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)特性的過程稱為控制器參數

15、整定。3.3、控制系統(tǒng)參數整定的方法控制器參數的整定方法可分為兩大類，理論計算整定法與工程整定法。理論計算整定法是在已知過程的數學模型基礎上，依據控制理論。通過理論計算來求取“最佳整定參數”，而工程整定法是根據工程經驗，直接在過程控制系統(tǒng)中進行的控制器參數整定方法。從原理上講，理論計算整定法要比工程整定法更能實現控制器參數的“最佳整定”，但是，無論是用解析法或實驗測定法求取的過程數學模型都只能近似反映過程的動態(tài)特性，因而理論計算所得到的整定參數值可靠性不夠高，在現場使用中還需進行反復調整。工程整定法雖未必能達到“最佳整定參數”，但由于其不需知道過程的完整數學模型，使用者不需要具備理論計算所必須

16、的控制理論知識，因而簡便、實用，易于被工程技術人員所接受并優(yōu)先采用。工程整定法在實際工程中被廣泛采用，并不意味著理論計算整定法就沒有價值，恰恰相反，通過理論計算，有助于人們深入理解問題的實質，減少整定工作中的盲目性，較快地整定到最佳狀態(tài)，尤其在較復雜的過程控制系統(tǒng)中，理論計算更是不可缺少的。此外理論計算推倒出的一些結果正是工程整定法的理論依據。4、普通控制回路PID參數整定仿真4.1、MATLAB語言簡介4.1.1、MATLAB簡介MATLAB是一種面向科學和工程計算的高級計算機語言，現已成為國際科技界公認的最優(yōu)秀的應用軟件之一，在世界范圍內廣泛流行和使用。該軟件的特點是：強大的計算功能、計算

17、結果和編程可視化及極高的編程效率，這是其它語言無與倫比之處。MATLAB包含的幾十個工具箱，涉及到自動控制、人工智能、系統(tǒng)識別、模式識別、動態(tài)仿真、信號分析、圖象處理、數值計算和分析等等學科，廣泛應用與通信、工業(yè)控制、電子等工程技術領域。4.1.2、Simulink簡介Simulink是MATLAB軟件包之，用于可視化的動態(tài)系統(tǒng)仿真它適用于連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)，也適用于線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。它采用系統(tǒng)模塊直觀地描述系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)，因此可方便地建立系統(tǒng)模型而不需要花較多時間編程。正由于這些特點，Simulnk廣泛流行，被認為是最受歡迎的仿真軟件。4.2、經典PID控制回路仿真程序框圖普通PID控制仿

18、真程序其中程序構成模塊介紹：Step模塊發(fā)出階躍信號，PID Controller1模塊為模擬PID進行控制，Transfer Fcn模塊為傳遞函數模塊，Transport Delay模塊為延時部分。模塊程序中模塊的參數設置Stpe模塊：Stpe time（階越時間）為0.01秒，Initial valaue（起始值）為0，Final value（終值）為100；PI控制器模塊：proportional（比例系數）為1,Integnal Time Coeff（積分時間）為1000秒,Derivative Time Coeff （微分時間）為0秒;Transport Delay模塊的TimeDe

19、lay（時延）10秒。4.3、PID參數整定仿真過程4.3.1、首先預置P=1,I=1000，D=0的情況由圖可以看出，當積分與微分都不起作用只有P起作用構成一個負反饋回路時，PID響應也即控制結果與輸入信號（給定值）之間存在加大的誤差，且控制結果一直穩(wěn)定在階躍信號一半的地方。要想使控制結果與給定值接近我們應該適當的調大比例系數P，和引入積分也即縮短積分時間加強積分作用也即減小積分時間（減小積分系數）。4.3.2、增大P減小I，在P=1.5,I=500，D=0的情況由圖可以看出，增大比例作用、積分作用后PID響應有明顯的靠近給定值的趨勢，但是調節(jié)時間依然太長，不能滿足控制需求，還需做出調整。由于調節(jié)時間太長我們應該再次增強積分作用（減小I），縮短調節(jié)時間。4.3.3、保持P減小I，在P=1.5,I=40，D=0的情況由圖可以看出，再次減小積分系數后PID響應已經穩(wěn)在給定目標值上，但是這里依然存在問題：一是超調量太大到50%，控制系統(tǒng)要求合格控制的超調量是在5%之內；二是調節(jié)時間仍然過長不能滿足生產的及時調節(jié)。這次的主要矛盾是超調量過大，外加調節(jié)時間稍長，我們可以減小比例系數P來減小超調量，另外在稍稍加強點積分作用（減小I）使調節(jié)速度再快點。4.3.4、減小P減小I，在P=0.85,