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PID控制编程基础知识,了解PID参数的作用
荣久学院 ● 2019-05-27 16:39:00

PID控制


    PID控制器在工业自动化控制应用中是一直常见的反馈回路元件,在PID控制中,难的不是其编程过程,而是对于其参数的设定。先带大家了解一下PID控制的三个参数的含义和作用。

 

    P:比例(proportional)

    I:积分(integral)

    D:微分(differential)


PID控制编程基础知识,了解PID参数的作用

 

    ■ P:比例作用

 

    比例控制器实际上就是个放大倍数可调的放大器,即△P=Kp×e,式中Kp为比例增益,即Kp可大于1,也可小于1;e为控制器的输入,也就是测量值与给定值之差,又称为偏差。

 

    要说明的是,对于大多数模拟控制器而言,都不采用比例增益Kp作为刻度,而是用比例度来刻度,即δ=1/Kc×100%。也就是说比例度与控制器的放大倍数的倒数成比例;控制器的比例度越小,它的放大倍数越大,偏差放大的能力越大,反之亦然。

 

    明白了上述关系,就可知道:比例度越大,控制器的放大倍数越小,被控参数的曲线越平稳;比例度越小,控制器的放大倍数越大,被控参数的曲线越波动。

 

    比例控制有个缺点,就是会产生余差,要克服余差就必须引入积分作用。

 

    ■ I:积分作用

 

    控制器的积分作用就是为了消除自控系统的余差而设置的。所谓积分,就是随时间进行累积的意思,即当有偏差输入e存在时,积分控制器就要将偏差随时间不断累积起来,也就是积分累积的快慢与偏差e的大小和积分速度成正比。只要有偏差e存在,积分控制器的输出就要改变,也就是说积分总是起作用的,只有偏差不存在时,积分才会停止。

 

    对于恒定的偏差,调整积分作用的实质就是改变控制器输出的变化速率,这个速率是通过积分作用的输出等于比例作用的输出所需的一段时问来衡量的。积分时间小,表示积分速度大,积分作用就强;反之,积分时间大,则积分作用就弱。如果积分时间无穷大,表示没有积分作用,控制器就成为纯比例控制器。

 

    实际上积分作用很少单独使用,通常与比例作用一起使用,使其既具有把偏差放大(或缩小)的比例作用,又具有将偏差随时间累积的积分作用,且其作用方向是一致的。这时控制器的输出为:△P=Ke+△Pi,式中△P为控制器输出值的变化;Ke为比例作用引起的输出;△Pi为积分作用引起的输出。

 

    ■ D:微分作用

 

    微分作用主要是用来克服被控对象的滞后,常用于温度控制系统。除采用微分作用外,在使用控制系统时要注意测量传送的滞后问题,如温度测量元件的选择和安装位置等。

 

    在常规PID控制器中,微分作用的输出变化与微分时间和偏差变化的速度成比例,而与偏差的大小无关,偏差变化的速度越大,微分时间越长,则微分作用的输出变化越大。但如果微分作用过强,则可能由于变化太快而由其自身引起振荡,使控制器输出中产生明显的“尖峰”或“突跳”。为了避免这一扰动,在PID调节器和DCS中可使用微分先行PID运算规律,即只对测量值PV进行微分,当人工改变控制器的给定值SP时,不会造成控制器输出的突变,避免了改变SP的瞬间给控制系统带来的扰动。如TDC-3000,则在常规PID算法中增加一个软开关,组态时供用户选择控制器对偏差、还是测量值进行微分。

 

    当输入阶跃信号后,微分器一开始输出的最大变化值与微分作用消失后的输出变化的比值就是微分放大倍数Kd,即微分增益,微分増益的单位是时间,设置微分时间(或者微分增益)为零会取消微分的功能。

 

    ■ PID参数的调整方法

 

    在调整PID控制器的参数时,可以根据控制器参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系,实验调整控制器参数。经验丰富的调试器通常可以更快地获得更满意的调试结果。在调试中最重要的问题是在系统性能不能令人满意时,知道应该调节哪一个参数,该参数应该增大还是减小。

 

    为了减少需要整定的参数,首先可以采用PI控制器。为了保证系统的安全,在调试开始时应设置比较保守的参数,例如比例系数不要太大,积分时间不要太小,以避免出现系统不稳定或超调量过大的异常情况。给出一个阶跃给定信号,根据被控量的输出波形可以获得系统性能的信息,例如超调量和调节时间。应根据PID参数与系统性能的关系,反复调节PID的参数。

 

    如果阶跃响应的超调量太大,经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定,应减小比例系数、增大积分时间。如果阶跃响应没有超调量,但是被控量上升过于缓慢,过渡过程时间太长,应按相反的方向调整参数。

 

    如果消除误差的速度较慢,可以适当减小积分时间,增强积分作用。

 

    反复调节比例系数和积分时间,如果超调量仍然较大,可以加入微分控制,微分时间从0逐渐增大,反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数。

 

    总之,PID参数的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程,实际调试过程中的多次尝试是非常重要的,也是必须的。




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