1、PID 控制器的參數整定 (經驗總結 )PID 控制器的參數整定(1)PID 是比例,積分,微分的縮寫 .比例調節作用：是按比例反應系統的偏差 ,系統一旦出現了偏差 , 比例調節立即產 生調節作用用以減少偏差。比例作用大 ,可以加快調節 ,減少誤差 , 但是過大的比 例,使系統的穩定性下降 , 甚至造成系統的不穩定。積分調節作用：是使系統消除穩態誤差 ,提高無差度。因為有誤差 ,積分調節就進 行,直至無差,積分調節停止 ,積分調節輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分 時間常數 Ti,Ti 越小,積分作用就越強。反之Ti 大,則積分作用弱 ,加入積分調節 可使系統穩定性下降 , 動態響應變慢。積

2、分作用常與另兩種調節規律結合 ,組成 PI 調節器或 PID 調節器。微分調節作用：微分作用反映系統偏差信號的變化率 ,具有預見性 ,能預見偏差變 化的趨勢 ,因此能產生超前的控制作用 , 在偏差還沒有形成之前 ,已被微分調節作 用消除。因此, 可以改善系統的動態性能。 在微分時間選擇合適情況下 ,可以減少 超調, 減少調節時間。 微分作用對噪聲干擾有放大作用 , 因此過強的加微分調節 ,對系統抗干擾不利。 此外,微分反應的是變化率 , 而當輸入沒有變化時 ,微分作用 輸出為零。微分作用不能單獨使用 ,需要與另外兩種調節規律相結合 ,組成 PD或 PID 控制器。（2） PID 具體調節方法方

3、法一確定控制器參數數字 PID 控制器控制參數的選擇，可按連續 -時間 PID 參數整定方法進行。 在選擇數字 PID 參數之前，首先應該確定控制器結構。對允許有靜差（或穩態誤差）的系 統，可以適當選擇 P 或 PD 控制器，使穩態誤差在允許的范圍內。對必須消除穩態誤差的 系統，應選擇包含積分控制的 PI或PID控制器。一般來說， PI、PID 和P控制器應用較多。 對于有滯后的對象 ,往往都加入微分控制。選擇參數控制器結構確定后， 即可開始選擇參數。 參數的選擇， 要根據受控對象的具體特性和對控制 系統的性能要求進行。 工程上， 一般要求整個閉環系統是穩定的， 對給定量的變化能迅速響 應并平

4、滑跟蹤， 超調量小；在不同干擾作用下，能保證被控量在給定值；當環境參數發生變 化時，整個系統能保持穩定，等等。這些要求，對控制系統自身性能來說，有些是矛盾的。 我們必須滿足主要的方面的要求，兼顧其他方面，適當地折衷處理。PID 控制器的參數整定，可以不依賴于受控對象的數學模型。工程上， PID 控制器的參數常 常是通過實驗來確定，通過試湊，或者通過實驗經驗公式來確定。常用的方法，采樣周期選擇，實驗湊試法 實驗湊試法是通過閉環運行或模擬，觀察系統的響應曲線，然后根據各參數對系統的影響， 反復湊試參數，直至出現滿意的響應，從而確定 PID 控制參數。整定步驟 實驗湊試法的整定步驟為 "先

5、比例，再積分，最后微分 "。（1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。（ 2）整定積分環節 若在比例控制下穩態誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟 （1）中選擇的比例系數減小為原來的5080 ，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用， 并相應調整比例系數，反復試湊至得到較 滿意的響應，確定比例和積分的參數。（ 3）整定微分環節 若經過步驟（ 2），PI 控制只能消除穩態誤差，而動態過程不能令人滿意，則應加入微分控 制，構成 PID 控制。先置微分時間 TD=0 ，逐漸加大 TD ，同時相應地改變

6、比例系數和積分時間，反復試湊至獲 得滿意的控制效果和 PID 控制參數。實驗經驗法 擴充臨界比例度法實驗經驗法調整 PID 參數的方法中較常用的是擴充臨界比例度法,其最大的優點是，參數的整定不依賴受控對象的數學模型，直接在現場整定、簡單易行。擴充比例度法適用于有自平衡特性的受控對象，是對連續-時間 PID 控制器參數整定的臨界比例度法的擴充。整定步驟擴充比例度法整定數字 PID 控制器參數的步驟是：（1）預選擇一個足夠短的采樣周期 TS 。一般說 TS 應小于受控對象純延遲時間的十分之一。 （2 ）用選定的 TS 使系統工作。這時去掉積分作用和微分作用，將控制選擇為純比例控制 器，構成閉環運行

7、。逐漸減小比例度，即加大比例放大系數KP ，直至系統對輸入的階躍信號的響應出現臨界振蕩 （穩定邊緣） ，將這時的比例放大系數記為 Kr,臨界振蕩周期記為 Tr 。 （3）選擇控制度。控制度，就是以連續 -時間 PID 控制器為基準，將數字 PID 控制效果與之相比較。 通常采用誤差平方積分作為控制效果的評價函數。定義控制度采樣周期 TS 的長短會影響采樣 -數據控制系統 的品質，同樣是最佳整定， 采樣 -數據控制系 統的控制品質要低于連續 -時間控制系統。因而，控制度總是大于1 的，而且控制度越大，相應的采樣 -數據控制系統的品質越差。控制度的選擇要從所設計的系統的控制品質要求出 發。（4 ）

8、 查表確定參數。根據所選擇的控制度，查表3 一 2 ，得出數字 PID 中相應的參數TS,KP,TI 和 TD 。（5）運行與修正。將求得的各參數值加入PID 控制器 , 閉環運行 ,觀察控制效果 ,并作適當的調整以獲得比較滿意的效果。方法二2.3 PID 參數整定方法2.3.1 工程整定法PID 數字調節器的參數，除了比例系數 Kp，積分時間 Ti 和微分時間 Td 外，還有 1 個重要參數即采樣周 期 T 。1 采樣周期 T 的選擇確定 從理論上講，采樣頻率越高，失真越小。但是，對于控制器，由于是依靠偏差信號來進行調節計算的， 當采樣周期 T太小，偏差信號也會過小， 此時計算機將失去調節作

9、用； 若采樣周期 T 太長，則將引起誤差。 因此采樣周期 T 必須綜合考慮。采樣周期的選擇方法有兩種，一種是計算法，另一種是經驗法。計算法由于比較復雜，特別是被控對象各環節時間常數難以確定，工程上較少用。經驗法是一種湊試 法，即根據人們在控制工作實踐中積累的經驗以及被控對象的特點，先選擇一個采樣周期 T ，進行試驗， 再反復改變 T ，直到滿意為止。2Kp，Ti，Td 的選擇方法1 ）擴充臨界比例度法擴充臨界比例度法是簡易工程整定方法之一，用它整定Kp，Ti，Td 的步驟如下。選擇最短采樣周期 Tmin ，求出臨界比例度 Su和臨界振蕩周期 Tu。具體方法是將 Tmin 輸入計算機，只 有 P

10、 環節控制，逐漸縮小比例度，直到系統產生等幅振蕩。此時的比例度即為臨界比例度Su，振蕩周期稱為臨界振蕩周期 Tu。選擇控制度為：2-15 )根據計算度， 查表 2-1 可求出 Kp，通常當控制度為 1.05 時，表示數字控制方式與模擬方式效果相當Ti， Td 。表 2-1 擴充臨界比例度法整定參數表控制度控制規律參數TKpTiTdPI0.03T u0.53S u0.88T u/1.05PID0.014T u0.63S u0.49T u0.14T uPI0.05T u0.49S u0.91T u/1.2PID0.43T u0.47S u0.47T u0.16T uPI0.14T u0.42S u

11、0.99T u/1.5PID0.09T u0.34S u0.43T u0.20TuPI0.22T u0.36S u1.05T u/2.0PID0.16T u0.27S u0.4T u0.22T u2 ）擴充響應曲線法若已知系統的動態特性曲線，可以采用和模擬調節方法一樣的響應曲線法進行整定，其步驟如下。斷開微機調節器，使系統手動工作，當系統在給定值處處于平衡后，給一階躍輸入。用儀表記錄被調 參數在此階躍作用下的變化過程曲線。如圖 2-12 所示。圖 2-12 階躍信號下的曲線在曲線最大斜率處做切線，求得滯后時間 t ，對象時間常數 以及它們的比值 /t。根據所求得的 ，t 和 /t 值，查表 2

12、-2 求得值 Kp，Ti， Td。表 2-2 擴充響應曲線法整定參數表控制度控制規律參數TKpTiTd1.05PI0.1t0.84 /t0.34t/PID0.05t1.15 /t2.0t0.45t1.2PI0.2t0.78 /t3.6t/PID0.15t1.0 /t1.9t0.55t1.5PI0.50t0.68 /t3.9t/PID0.34t0.85 /t1.62t0.65t2.0PI0.8t0.57 /t4.2t/PID0.6t0.6 /t1.5tt2.3.2 經驗法在實際工作過程中，由于被調對象的動態特性不是很容易確定，即使確定了，不僅計算困難，工作量 大，往往其結果與實際相差較大，甚至事

13、倍功半。因此，在實際生產過程中采用的是經驗法。即根據各調 節作用的規律，經過閉環試驗，反復湊試，找出最佳調節參數。微機調速器參數最終要在現場試驗好后， 才能選出最優參數。廠家有規定的參考值，有一個范圍，是理論計算出來的。因此要選擇出最優參數，就 必須在生產現場進行試驗做記錄曲線后方能得到。2.3.3 湊試法確定 PID 調節參數湊試法是通過模擬（或閉環）運行觀察系統的響應（例如，階躍響應）曲線，然后根據各調節參數對 系統響應的大致影響，反復湊試參數，以達到滿意的響應，從而確定 PID 的調節參數。增大比例系數 Kp 一般將加快系統的響應，這有利于減小靜差。但過大的比例系數會使系統有較大的超調，

14、并產生振蕩，使 穩定性變壞。增大式（ 2-2 ）中的 Td 有利于加快系統響應，使超調量減小，穩定性增加，但對于干擾信號 的抑制能力將減弱。在湊試時，可參考以上參數分析控制過程的影響趨勢，對參數進行先比例，后積分， 再微分的整定步驟。其具體步驟如下：首先整定比例部分。將比例系數由小調大，并觀察相應的系統響應，直至得到反應快、超調小的響 應曲線。如果系統沒有靜差或靜差小到允許的范圍之內，并且響應曲線已屬滿意，那么只需要用比例調節器即可，最優比例系數可由此確定。當僅調節比例調節器參數，系統的靜差還達不到設計要求時，則需加入積分環節。整定時，首先置 積分常數 Ti 為一個較大值，經第一步整定得到的比

15、例系數會略為縮小（如減小20% ），然后減小積分常數，使系統在保持良好動態性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據響應曲線的好壞反復修改 比例系數和積分常數，直至得到滿意的效果和相應的參數。若使用比例積分器，能消除靜差，但動態過程經反復調整后仍達不到要求，這時可加入微分環節。 在整定時， 先置微分常數 Td 為零， 在第二步整定的基礎上， 增大 T d，同時相應地改變 Kp 和 Ti，逐步湊試， 以獲得滿意的調節效果和參數。應該指出，在整定中參數的選定不是惟一的。事實上，比例、積分和微分三部分作用是相互影響的。 從應用角度來看， 只要被控制過程的主要性能指標達到設計要求， 那么比例、 積

16、分和微分參數也就確定了。 表 2-3 給出了一些常見的調節器參數選擇范圍。表 2-3 常見被調量 PID 參數經驗選擇范圍被調量特點參數KpTi/ minTd/ min流量時間常數小，并有噪聲，故 Kp 比較小， Ti 較小，不用微分12.50.1 1溫度對象有較大滯后，常用微分1.6 53100.5 3壓力對象的滯后不大，不用微分1.4 3.50.4 3液位允許有靜差時，不用積分和微分1.25 5（3）總結PID 控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。 它主要是依據系統的數學模型， 經過理論計算確定控制器 參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用， 還必須通過工

17、程實際進行調 整和修改。二是工程整定方法， 它主要依賴工程經驗， 直接在控制系統的試驗中進行， 且方 法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID 控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。 現在一般采用的是臨界比例法。PID 控制器的參數整定 (經驗總結 )利用該方法進行 PID 控制器參數的整定步驟如下： (1) 首先預選擇一個足夠短的 采樣周期讓系統工作； (2) 僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出 現臨界振蕩，記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期； (3) 在一定的控制度下 通過公式計算得到 PID 控制器的參數。PID 參數的設定：是靠經驗及工藝的熟悉，參考測量值跟蹤與設定值曲線，從 而調整 PID 的大小。PID 控制器參數的工程整定 ,各種調節系統中 P.I.D