2023/2/41PID控制器及參數調節王卓

房間：A樓608

電話：3873 E-mail：zwang@2023/2/42內容常見PID算法PID控制器工業規范PID控制器參數調節PID參數調節商業化產品作業2023/2/431、常見PID算法PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現在仍然是應用最廣泛的工業控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。理想PID算式：

2023/2/441、常見PID算法PID離散近似：

2023/2/451、常見PID算法位置式

PID：

2023/2/461、常見PID算法增量式PID：

2023/2/471、常見PID算法速度型（增量輸出與采樣周期之比）PID：

2023/2/481、常見PID算法積分分離PID：

取消積分作用引入積分作用2023/2/491、常見PID算法帶不靈敏區的PID：

2023/2/4101、常見PID算法微分先行PID：

2023/2/4111、常見PID算法傳統PID控制器根據偏差決定控制信號，然后控制信號輸出作用到過程。這類控制器產生的控制作用是偏差的函數，它跟蹤設定值的能力強，但克服擾動影響的性能差！在微分先行PID控制器中，微分控制分量是過程輸出的函數，這樣在改變設定值時，控制器的輸出不至于有太大的劇變。為了使克服擾動的性能更強，有人提出除積分分量外都是y的函數二自由度PID2023/2/4121、常見PID算法二自由度PID：

b和c可在0~1范圍內調整。當b=1，c=1時，就成為單純PID；當b=0，c=0時，成為I-PD控制器；當b=1，c=0時，就成為PI-D控制器，或稱微分先行PID。

2023/2/4131、常見PID算法二自由度PID：

2023/2/4142、PID控制器工業規范PID控制器為無單位設備算法類型（要求位置式算法，不要增量式）：

串行

并行

2023/2/4152、PID控制器工業規范采樣與采樣時間：采樣頻率高于10Hz，并在采樣周期內取平均值比例帶P或增益KcKc=100/P 0.01~100P=100/Kc 1~100002023/2/4162、PID控制器工業規范積分（應用于偏差）：I:0.002~1000分鐘必須考慮抗積分飽和比例帶P或增益Kc微分動作（應用于過程變量）與濾波器：D:0~500分鐘應同時插入濾波器，濾波器時間常數通常為微分時間的1/8~1/102023/2/4172、PID控制器工業規范2023/2/4182、PID控制器工業規范死區補償：通過在積分反饋路徑上插入死區功能塊死區時間：0～500分鐘手動自動無擾切換（bumplesstransfer）

2023/2/4193、PID控制器參數調節調節目標

：設定值跟蹤（操作條件變化）抑制擾動（擾動不確定性）魯棒性（針對模型失配）性能指標

：單項——1）衰減比；2）超調量；3）上升時間；4）穩定時間；5）靜差

綜合——1）ISE；2）IAE；3）ITAE2023/2/4203、PID控制器參數調節動機：不同的參數設定影響控制效果和系統穩定性2023/2/4213、PID控制器參數調節使用的模型：一階慣性環節

一階慣性環節

＋死區

一階慣性環節

＋積分環節二階慣性環節

二階慣性環節＋死區

二階慣性環節＋積分環節其他2023/2/4223、PID控制器參數調節方法

：頻域法時域法智能方法經驗法2023/2/4233、PID控制器參數調節－頻域法原理以圖和幅值閾度和相位閾度說明2023/2/424臨界增益與臨界頻率2023/2/4253、PID控制器參數調節－頻域法臨界比例帶法(Z-N,Ziegler-Nichols)：臨界比例帶：當只有比例常數P，增大P至輸出等幅振蕩此時臨界增益=P并觀察到振蕩周期

2023/2/4263、PID控制器參數調節－頻域法臨界比例帶法(Z-N,Ziegler-Nichols)：KpTiTdPID0.6Ku0.5Tc0.125TcPI0.45Ku0.85TcP0.5Ku2023/2/4273、PID控制器參數調節－頻域法改進Z-N方法：需要更多先驗知識：Z-N方法只需要Ku和Tu，而改進Z-N方法還需要知道過程的K，T和tau2023/2/4283、PID控制器參數調節－頻域法改進Z-N方法：規范化時滯時間：規范化過程增益：k，近似用表示：2023/2/4293、PID控制器參數調節－頻域法在改進Z-N方法，實際PID算式的設定值項增加了加權系數，可寫為：為加權因子，一般取0<<1，當＝1時即為標準的PID結構。的引入給系統的閉環傳遞函數提供了一個調整零點的途徑，這樣就可以影響超調量。2023/2/4303、PID控制器參數調節－頻域法改進Z-N方法—參數計算：當2.25<k<15時，針對PID控制器有當k>15時，已經不起多大作用，這時的過程對象實際就是低階系統對應超調：10%對應超調：20%2023/2/4313、PID控制器參數調節－頻域法改進Z-N方法—參數計算：當1.5<k<2.25時，小于1的仍然需要，并且PID控制器中的積分時間常數需要修正針對PI控制器，當1.2<k<15時，一般加權因子＝1，但控制器的參數需要修正如下2023/2/4323、PID控制器參數調節－頻域法改進Z-N方法步驟：取廣義對象為標準形式：按Z-N方法求出Ku和Tu計算RZN方法的兩個特性參數k和按不同范圍取整定公式2023/2/4333、PID控制器參數調節－經驗法口訣：整定參數尋最佳，從小到大依次查；先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例帶盤要放大；曲線飄浮繞大彎，比例帶盤往小扳。曲線偏離恢復慢，積分時間往下降；曲線波動周期長，積分時間再加長；過渡時間要加速，微分時間要加長，微分時間不宜小，太大反而要惡化；理想曲線兩個波，調節質量可認可。

經驗公式：

2023/2/4343、PID控制器參數調節－智能法基于模糊理論的方法基于專家系統的方法基于神經網絡的方法基于遺傳算法的方法2023/2/4353、PID控制器參數調節－自整定自整定過程三個步驟：過程擾動的產生；擾動響應的評估；控制器參數的計算。

自整定方法分類：基于頻域的自整定方法基于時域的整定方法智能整定方法2023/2/4363、PID控制器參數調節－自整定梆梆控制＋PID參數自整定：

2023/2/4373、PID控制器參數調節－自整定梆梆控制＋PID參數自整定：

切換時間：2023/2/4383、PID控制器參數調節－自整定梆梆控制＋PID參數自整定辨識算法：

寫成矩陣形式為

，其中：

2023/2/4393、PID控制器參數調節－自整定梆梆控制＋PID參數自整定辨識算法：

最小二乘最優解：設，有則2023/2/4403、PID控制器參數調節－自整定梆梆控制＋PID參數自整定辨識算法：

遞推算法：T為采樣周期2023/2/4413、PID控制器參數調節－自整定梆梆控制＋PID參數自整定辨識算法：

參數整定： delta=Kp*(0.1237+0.4325*(tau/Tp-0.1)); //比例帶

Ti=Tp*(0.2226+0.8388*(tau/Tp-0.1)); //Reset Td=Tp*(0.0417+0.3317*(tau/Tp-0.1)); //Rate

2023/2/4424、PID參數調節商業軟件80年代開始出現商業化產品,原因是一方面近年來的微電子技術的發展使得加入自整定所需要代碼的成本趨于合理；大專院校在自整定方面的研究興趣也才剛剛開始，大多數學者以前把主要精力都投入到相關的、但卻比較困難的自適應控制上。2023/2/4434、PID參數調節商業軟件國際上已經出現許多商業產品：FoxboroEXACT(760/761)，它采用階躍響應分析和模式識別技術再加上啟發式規則進行參數調整；

AlfaLavalAutomationECA400控制器，它采用繼電反饋和基于模型的整定方法；

HoneywellUDC6000控制器，它采用階躍響應分析和一個規則庫來調整參數；

YokogawaSLPC-181/281，它采用階躍響應分析和基于模型的整定方法。2023/2/4444、PID參數調節商業軟件國際上已經出現許多商業產品：IntelligentTuner，它是Fisher-Rosemount公司用在分散控制系統中的一個軟件包；Looptune，它是Honeywell公司DCS系統TDC3000中的整定軟件包；DCSTuner，它是ABBMaster系統中整定控制器的一個軟件包。ExperTune，獨立PID參數調節軟件包InTune,ControlSoft產品，并被多家DCS廠商OEM

2023/2/445科大AtLoop2023/2/446AutoTune軟件功能概述：OPCclient與現場的OPCServer通過通信；數據處理、離線辨識、控制器設計算法設計；在線繼電器整定試驗和階越響應試驗；數據庫功能，保存歷史數據；圖形界面設計；2023/2/447AutoTune的使用舉一例子第一步2023/2/448A