PID算法,自整定算法 点击:1029 | 回复:0



大明自动化

    
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发表于:2020-06-06 18:09:14
楼主

PID算法,其实不难,难就难在自整定,大部分做工控的,都采用PLC自带的PID自整定,控制温度效果最好的还是位置式PID算法,

PID参数如何设定调节

比例(P)控制

  比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。

积分(I)控制

  在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(System with Steady-state Error)。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分(D)控制

  在微分控制中,高低温试验箱控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会    出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

PID控制器的参数整定

  PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作﹔(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期﹔(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

 

  PID参数的设定:是靠经验及工艺的熟悉,参考测量值跟踪与设定值曲线,从而调整P\I\D的大小。

 

  PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照:

  温度T: P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s

  压力P: P=30~70%,T=24~180s,

  液位L: P=20~80%,T=60~300s,

  流量L: P=40~100%,T=6~60s

 

 

书上的常用口诀:

  参数整定找最佳,从小到大顺序查

  先是比例后积分,最后再把微分加

  曲线振荡很频繁,比例度盘要放大

  曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳

  曲线偏离回复慢,积分时间往下降

  曲线波动周期长,积分时间再加长

  曲线振荡频率快,先把微分降下来

  动差大来波动慢。微分时间应加长

  理想曲线两个波,前高后低4比1

  一看二调多分析,调节质量不会低

 1、基础知识

    在自动调节系统中,E=SP-PV。其中,E为偏差、SP为给定值、PV为测量值。当SP大于PV时为正偏差,反之为负偏差。

1) 比例调节作用的动作与偏差的大小成正比;当比例度为100时,比例作用的输出与偏差按各自量程范围的1:1动作。当比例度为10时,按10:1动作。即比例度越小,比例作用越强。比例作用太强会引起振荡。太弱会造成比例欠调,造成系统收敛过程的波动周期太多,衰减比太小。其作用是稳定被调参数。

2) 积分调节作用的动作与偏差对时间的积分成正比。即偏差存在积分作用就会有输出。它起着消除余差的作用。积分作用太强也会引起振荡,太弱会使系统存在余差。

3) 微分调节作用的动作与偏差的变化速度成正比。其效果是阻止被调参数的一切变化,有超前调节的作用。对滞后大的对象有很好的效果。但不能克服纯滞后。适用于温度调节。使用微分调节可使系统收敛周期的时间缩短。微分时间太长也会引起振荡。

2、 整定方法

        经验法是简单调节系统应用最广泛的整定方法,是一种试凑法。它通过参数预先设置和反复试凑来实现。参数的预置值要根据对象的特性和仪表的量程决定。仪表量程大的PID参数要适当加强作用。四类被调参数的一般范围如下:

被调参数

比例度%

积分时间min

微分时间min

流量

100~300

0.1~1


温度

100~200

3~30

0.5~3

压力

100~300

0.4~3


液位

80~200



实际情况可能超出此范围。

    这里介绍一种经验法。这种方法实质上是一种试凑法,它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法,并在现场中得到了广泛的应用。

    这种方法的基本程序是先根据运行经验,确定一组调节器参数,并将系统投入闭环运行,然后人为地加入阶跃扰动(如改变调节器的给定值),观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。若认为控制质量不满意,则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。这样反复试验,直到满意为止。

    经验法简单可靠,但需要有一定现场运行经验,整定时易带有主观片面性。当采用PID调节器时,有多个整定参数,反复试凑的次数增多,不易得到最佳整定参数。

 

下面以PID调节器为例,具体说明经验法的整定步骤:

    ⑴让调节器参数积分系数S0=0,实际微分系数k=0,控制系统投入闭环运行,由小到大改变比例系数S1,让扰动信号作阶跃变化,观察控制过程,直到获得满意的控制过程为止。

    ⑵取比例系数S1为当前的值乘以0.83,由小到大增加积分系数S0,同样让扰动信号作阶跃变化,直至求得满意的控制过程。

   (3)积分系数S0保持不变,改变比例系数S1,观察控制过程有无改善,如有改善则继续调整,直到满意为止。否则,将原比例系数S1增大一些,再调整积分系数S0,力求改善控制过程。如此反复试凑,直到找到满意的比例系数S1和积分系数S0为止。

    ⑷引入适当的实际微分系数k和实际微分时间TD,此时可适当增大比例系数S1和积分系数S0。和前述步骤相同,微分时间的整定也需反复调整,直到控制过程满意为止。

    注意:仿真系统所采用的PID调节器与传统的工业 PID调节器有所不同,各个参数之间相互隔离,互不影响,因而用其观察调节规律十分方便。

    PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如:大烘房的温度控制,一般P可在10以上,I=3-10,D=1左右。小惯量如:一个小电机带

    一水泵进行压力闭环控制,一般只用PI控制。P=1-10,I=0.1-1,D=0,这些要在现场调试时进行修正的。

  

   我提供一种增量式PID供大家参考

 

   △U(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

   A=Kp(1+T/Ti+Td/T)

   B=Kp(1+2Td/T)

   C=KpTd/T

   T采样周期 Td微分时间 Ti积分时间

 

   用上面的算法可以构造自己的PID算法。

U(K)=U(K-1)+△U(K)

 [组图]PID参数整定快速入门(调节器参数整定方法)

PID调节器参数整定方法很多,常见的工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法和经验法。云润仪表以图文形式分别介绍调节器参数整定方法。

临界比例度法
一个调节系统,在阶跃干扰作用下,出现既不发散也不衰减的等幅震荡过程,此过程成为等幅振荡过程,如下图所示。此时调节器的比例度为临界比例度δk,被调参数的工作周期为为临界周期Tk

临界比例度法整定PID参数步骤
1、将调节器积分时间设定为无穷大、微分时间设定为零(即Ti∞,Td0),比例度适当取值,调节系统按纯比例作用投入。稳定后,适当减小比例度,在外界干扰作用下,观察过程变化情况,寻取系统等幅振荡临界状态,得到临界参数。

2、根据临界比例度δk和为临界周期Tk按下表计算出调节器参数整定值
                临界比例度法PID参数整定经验公式

调节规律

调节器参数

比例度δ,单位:%

积分时间Ti,单位:min

微分时间Td,单位:min

P

δk

---

---

PI

2.2×δk

0.85×Tk

---

PID

1.7×δk

0.5×Tk

0.125×Tk


3、将计算所得的调节器参数输入调节器后再次运行调节系统,观察过程变化情况。多数情况下系统均能稳定运行状态,如果还未达到理想控制状态,进需要对参数微调即可。www.expery.cn

衰减曲线法
衰减曲线法整定调节器参数通常会按照4:1和10:1两种衰减方式进行,两种方法操作步骤相同,但分别适用于不同工况的调节器参数整定。

4:1衰减曲线法整定调节器参数
纯比例度作用下的自动调节系统,在比例度逐渐减小时,出现4:1衰减振荡过程,此时比例度为4:1衰减比例度δs,两个相邻同向波峰之间的距离为4:1衰减操作周期TS,如下图所示


4:1衰减曲线法整定PID参数步骤如下:
1、将调节器积分时间设定为无穷大、微分时间设定为零(即Ti∞,Td0),比例度适当取值,调节系统按纯比例作用投入。系统稳定后,逐步减小比例度,根据工艺操作的许可程度加2%-3%的干扰,观察调节过程变化情况,直到调节过程变化达到规定的4:1衰减比为止,得到4:1衰减情况下的比例度δs和衰减操作周期TS

2、根据δsTs值按以下公式计算出调节器整定参数
               4:1衰减曲线法PID参数整定经验公式

调节规律

调节器参数

比例度δ,单位:%

积分时间Ti,单位:min

微分时间Td,单位:min

P

δs

---

---

PI

0.2×δs

0.5×Ts

---

PID

0.8×δs

0.3×Ts

0.1×Ts

3、将比例度放在比计算值略大的数值上,逐步引入积分和微分作用。
4、将比例度降至计算值上,观察运行,适当调整。

10:1衰减曲线法整定调节器参数
在部分调节系统中,由于采用4:1衰减比仍嫌振荡比较厉害,则可采用10:1的衰减过程,如下图所示。这种情况下由于衰减太快,要测量操作周期比较困难,但可测取从施加干扰开始至第一个波峰飞升时间Tr


10:1衰减曲线法整定调节参数步骤和4:1衰减曲线法完全一致,仅采用的整定参数和经验公式不同。
                  10:1衰减曲线法PID参数整定经验公式

调节规律

调节器参数

比例度δ,单位:%

积分时间Ti,单位:min

微分时间Td,单位:min

P

δss

---

---

PI

1.2×δss

Tr

---

PID

0.8×δss

1.2×Tr

0.4×Tr

 


1分不嫌少!


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