PID控制器的参数整定(经验总结)

PID控制器的参数整定(经验总结)

PID控制器的参数整定

(1)PID是比例,积分,微分的缩写.

比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大,则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。

微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,

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对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。

(2) PID具体调节方法

①方法一

确定控制器参数

数字PID控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID参数整定方法进行。

在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。 选择参数

控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。

PID控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。 常用的方法，采样周期选择， 实验凑试法

实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。 整定步骤

实验凑试法的整定步骤为\先比例，再积分，最后微分\。 （1）整定比例控制

将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。 （2）整定积分环节

若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。

先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 （3）整定微分环节

若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。

先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。 实验经验法

扩充临界比例度法

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实验经验法调整PID参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法,其最大的优点是，参数的整定不依赖受控对象的数学模型，直接在现场整定、简单易行。

扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象，是对连续-时间PID控制器参数整定的临界比例度法的扩充。 整定步骤

扩充比例度法整定数字PID控制器参数的步骤是： （1）预选择一个足够短的采样周期TS。一般说TS应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。 （2）用选定的TS使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用，将控制选择为纯比例控制器，构成闭环运行。逐渐减小比例度，即加大比例放大系数KP，直至系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡（稳定边缘），将这时的比例放大系数记为Kr,临界振荡周期记为Tr。 （3）选择控制度。

控制度，就是以连续-时间PID控制器为基准，将数字PID控制效果与之相比较。 通常采用误差平方积分

作为控制效果的评价函数。 定义控制度

采样周期TS的长短会影响采样-数据控制系统 的品质，同样是最佳整定，采样-数据控制系统的控制品质要低于连续-时间控制系统。因而，控制度总是大于1的，而且控制度越大，相应的采样-数据控制系统的品质越差。控制度的选择要从所设计的系统的控制品质要求出发。

（4） 查表确定参数。根据所选择的控制度，查表3一2，得出数字PID中相应的参数TS,KP,TI和TD。

（5）运行与修正。将求得的各参数值加入PID控制器,闭环运行,观察控制效果,并作适当的调整以获得比较满意的效果。

②方法二

2.3 PID参数整定方法

2.3.1 工程整定法

PID数字调节器的参数，除了比例系数Kp，积分时间Ti和微分时间Td外，还有1个重要参数即采样周期T。

1．采样周期T的选择确定

从理论上讲，采样频率越高，失真越小。但是，对于控制器，由于是依靠偏差信号来进行调节计算的，当采样周期T太小，偏差信号也会过小，此时计算机将失去调节作用；若采样周期T太长，则将引起误差。因此采样周期T必须综合考虑。采样周期的选择方法有两种，一种是计算法，另一种是经验法。

计算法由于比较复杂，特别是被控对象各环节时间常数难以确定，工程上较少用。经验法是一种凑试法，即根据人们在控制工作实践中积累的经验以及被控对象的特点，先选择一个采样周期T，进行试验，再反复改变T，直到满意为止。

2．Kp，Ti，Td的选择方法

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1）扩充临界比例度法

扩充临界比例度法是简易工程整定方法之一，用它整定Kp，Ti，Td的步骤如下。

选择最短采样周期Tmin，求出临界比例度Su和临界振荡周期Tu。具体方法是将Tmin输入计算机，只有P环节控制，逐渐缩小比例度，直到系统产生等幅振荡。此时的比例度即为临界比例度Su，振荡周期称为临界振荡周期Tu。选择控制度为：

（2-15）

通常当控制度为1.05时，表示数字控制方式与模拟方式效果相当。根据计算度，查表2-1可求出Kp，Ti，Td。

表2-1 扩充临界比例度法整定参数表

参 数 控制度 控制规律 T 1.05 PI PID PI PID PI PID PI PID 0.03Tu 0.014Tu 0.05Tu 0.43Tu 0.14Tu 0.09Tu 0.22Tu 0.16Tu Kp 0.53Su 0.63Su 0.49Su 0.47Su 0.42Su 0.34Su 0.36Su 0.27Su Ti 0.88Tu 0.49Tu 0.91Tu 0.47Tu 0.99Tu 0.43Tu 1.05Tu 0.4Tu Td / 0.14Tu / 0.16Tu / 0.20Tu / 0.22Tu 1.2 1.5 2.0 2）扩充响应曲线法

若已知系统的动态特性曲线，可以采用和模拟调节方法一样的响应曲线法进行整定，其步骤如下。

断开微机调节器，使系统手动工作，当系统在给定值处处于平衡后，给一阶跃输入。用仪表记录被调参数在此阶跃作用下的变化过程曲线。如图2-12所示。

图2-12 阶跃信号下的曲线 4 / 7

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动画讲解

在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间t，对象时间常数τ以及它们的比值τ/t。根据所求得的τ，t和τ/t值，查表2-2求得值Kp，Ti，Td。

表2-2 扩充响应曲线法整定参数表

参 数 控制度 控制规律 T 1.05 PI PID PI PID PI PID PI PID 0.1t 0.05t 0.2t 0.15t 0.50t 0.34t 0.8t 0.6t Kp 0.84τ/t 1.15τ/t 0.78τ/t 1.0τ/t 0.68τ/t 0.85τ/t 0.57τ/t 0.6τ/t Ti 0.34t 2.0t 3.6t 1.9t 3.9t 1.62t 4.2t 1.5t Td / 0.45t / 0.55t / 0.65t / t 图片说明 1.2 1.5 2.0 2.3.2 经验法

在实际工作过程中，由于被调对象的动态特性不是很容易确定，即使确定了，不仅计算困难，工作量大，往往其结果与实际相差较大，甚至事倍功半。因此，在实际生产过程中采用的是经验法。即根据各调节作用的规律，经过闭环试验，反复凑试，找出最佳调节参数。微机调速器参数最终要在现场试验好后，才能选出最优参数。厂家有规定的参考值，有一个范围，是理论计算出来的。因此要选择出最优参数，就必须在生产现场进行试验做记录曲线后方能得到。

2.3.3 凑试法确定PID调节参数

凑试法是通过模拟（或闭环）运行观察系统的响应（例如，阶跃响应）曲线，然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID的调节参数。增大比例系数Kp一般将加快系统的响应，这有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大式（2-2）中的Td有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但对于干扰信号的抑制能力将减弱。在凑试时，可参考以上参数分析控制过程的影响趋势，对参数进行先比例，后积分，再微分的整定步骤。其具体步骤如下：

首先整定比例部分。将比例系数由小调大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差小到允许的范围之内，并且响应曲线已属满意，那么只需要用比例调节

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