PID调节器在闭环控制系统中的应用 - 图文

节输出为一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数的大小，积分时间常数越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。积分作用的引入会使系统稳定性下降，动态响应变慢。实际中，积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI控制器或者PID控制器。 (3)微分作用对控制性能的影响

微分作用的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。微分作用能反映系统偏差的变化律，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。直观而言，微分作用能在偏差还没有形成之前，就己经消除偏差。因此，微分作用可以改善系统的动态性能。

微分作用的强弱取决于微分时间TD的大小，TD越大，微分作用越强，反之则越弱。在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。从滤波器的角度看，微分作用相当于一个高通滤波器，因此它对噪声干扰有放大作用，而这是我们在设计控制系统时不希望看到的。所以我们不能一味地增加微分调节，否则会对控制系统抗干扰产生不利的影响。此外，微分作用反映的是变化率，当偏差没有变化时，微分作用的输出为零。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。

PID控制器由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（ Kp ，Ki 和 Kd ）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

3.4 控制规律的选取

PID控制器参数整定的目的就是按照己定的控制系统，求得控制系统质量最佳的调节性能。PID参数的整定直接影响到控制效果，合适的PID参数整定可以提高自控投用率，增加装置操作的平稳性。对于不同的对象，闭环系统控制性能的不同要求，通常需要选择不同的控制方法，控制器结构等;大致上，系统控制规律的选择主要有下面几种情况：

(1)广义控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引以微分作用；若工艺允许有余差，可选用比例微分控制规律；若工艺要求无余差时，则选用比例积分微分控制规律。

(2)当对象被控通道时间常数较小时，负荷变化也不大，而工艺要求无余差时，可选用比例积分控制规律，如流量控制。

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(3)当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小时，而工艺要求不高时，可选用比例控制规律，如液位控制。

(4)对于一阶惯性加纯滞后对象，如果负荷变化不大，控制要求精度较高，可采用比例积分控制；

(5)对于纯滞后时间较大，负荷变化也较大，控制性能要求较高的场合，可采用比例积分微分控制。

3.5 PID参数整定方法

调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有四种，下面详细介绍一下。 3.5.1 经验法

若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器的形式还是所整定的参数均可相互参考。表3.1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微 分作用，微分时间常数按TD=(

11～)TI计算。 34表3.1 经验法整定参数

系统 温度 流量 压力 液位

δ (%) 20～60 40～100 30～70 20～80

参数 TI(min) 3～10 0.1～1 0.4～3

TD(min) 0.5～3

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3.5.2 临界比例度法

这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=∞，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图3.2所示。根据临界比例度?k和振荡周期TS，按表3.2所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以被控量的动态曲线按4：1衰减为目标[7]。

图3.2 具有周期TS的等幅振荡

表3.2 临界比例度法整定调节器参数

调节器参数 调节器名称 P PI PID

δ 2δ 2.2δ 1.6δk

TI(S) TS/1.2 0.5TS

TD(S) 0.125TS

临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要生产过程能承受受控变量等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶以上或具有纯滞后的一阶以上的环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。 3.5.3 衰减曲线法（阻尼振荡法）

图3.3 衰减曲线法图形

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在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图3.3所示的4：1衰减过程为止。这时的比例度称为4：1衰减比例度，用?S表示之。相邻两波峰间的距离称为4：1衰减周期TS。根据?S和TS，运用表3.3所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。

表3.3 衰减曲线法计算公式

调节器参数 调节器名称 P PI PID

3.5.4 动态特性参数法

δ（%） TI(min) TD(min) δS 1.2δS 0.8δS

0.5TS 0.3TS

0.1 TS

所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（K、T、τ等），利用表3.4所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：1时调节器的相关参数。如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：1衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。

表3.4 经验计算公式

调节器参数 δ（%） 调节器名称 P PI PID

TI TD K?×100% T1.10.85

3.3τ 2τ

0.5τ

K?×100% TK?×100% T调节器的参数整定可采用上述任意一种整定方法。

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