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PID参数整定和优化
来源:互联网 sk006 | 吴振阔 张 亮
【分  类】 机械与建筑工程
【关 键 词】
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

  摘 要:介绍PID参数控制的原理与对控制过程的影响。了解常用的PID参数整定方法,并通过对比讨论生产过程中易于实现控制的工程整定方法.通过用该方法对我厂的控制参数进行整定试验,得到了很好的参数控制效果,为实现工艺参数的平稳控制提供了参考.

  关键词: PID 控制 整定 对比 试验

  中图分类号:TP229 文献标志码:B

  0 引言

  在工业过程控制中,95 %以上的控制回路具有PID 结构。PID 控制器被广泛应用主要是因为它结构简单、在实际中容易被理解和实现,而且许多高级控制都是以PID 控制为基础。合理的PID参数设置可以使工艺参数控制平稳,可以防止压力控制系统安全阀起跳、防止液位控制系统抽空或液位溢出、防止温度控制系统波动过大影响设备性能和产品品质,在保证安全、产品质量的同时起到节能降耗和实现环境友好型企业等多种作用。

  1 PID对控制器的影响

  PID控制,实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制,使自动控制系统在干扰作用下能平稳的运行。

  为了能更清楚地表示出制动控制系统的模型,我们看控制器控制作用图示:

  上图即为连续一时间PID控制系统。图中,D(s)为控制器。在PID控制系统中,D(s)完成PID控制规律,称为PID控制器。

  实际应用中,可以根据受控对象的特性和控制的性能要求,灵活地采用不同的控制组合,构成:

  (1)比例(P)控制器 :

  (2)比例+积分(PI)控制器:

  (3)比例+积分+微分(PID)控制器:

  式中 ——比例放大系数( =100/ );

  ——积分时间I;

  ——微分时间D。

  比例控制能迅速反应误差,从而减小稳态误差。但是,比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大,会引起系统的不稳定。积分控制的作用是,只要系统有误差存在,积分控制器就不断地积累,输出控制量,以消除误差。因而,只要有足够的时间,积分控制将能完全消除误差,使系统误差为零,从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大,甚至使系统出现振荡。微分控制可以减小超调量,克服振荡,使系统的稳定性提高,同时加快系统的动态响应速度,减小调整时间,从而改善系统的动态性能。

  2 PID参数整定优化

  控制器的整定方法很多,主要有两大类,一类是理论计算的方法,另一类是工程整定法。

  理论计算的方法是根据已知的广义对象特性及控制质量的要求,通过理论计算出控制器的最佳参数。这种方法由于比较繁琐、工作量大,计算结果有时与实际情况不甚符合,故在工程实践中长期没有得到推广和应用。

  工程整定法是在已经投用的实际控制系统中,通过试验或探索,来确定控制器的最佳参数。这种方法是工艺技术人员在现场经常遇到的。常用的工程整定法有临界比例度法、衰减曲线法和经验试凑法等。

  2.1 临界比例度法

  它是先通过试验得到临界比例度和临界周期,然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。具体作法如下。

  在闭环的控制系统中,先将控制器变为纯比例作用,即将积分时间放到无限大,微分时间放到零上,在干扰作用下,从大到小逐渐改变控制器的比例度,直至系统产生等幅振荡(即临界振荡),这时的比例度叫临界比例度,周期为临界振荡周期,然后按下表计算出控制器的个参数正定数值。

  临界比例度法参数计算公式表

  控制作用

  比例度/%

  积分时间/min

  控制作用

  比例度/%

  积分时间/min

  微分时间/min

  比例

  比例+积分

  2

  2.2

  0.85

  比例+微分

  三种作用

  1.8

  1.7

  0.5

  0.1

  0.125

  2.2 衰减曲线法

  衰减曲线法是通过使系统产生衰减震荡来整定控制器的参数值的, 在闭环的控制系统中,先将控制器变为纯比例作用,并将比例度预置在较大的数值上。在达到稳定后,用改变给定值的办法加入阶跃干扰,观察被控变量记录曲线的衰减比,然后从大到小改变比例度,直至出现4:1衰减比,记下此时的比例度,从曲线上得到衰减周期。

  然后根据下表中的经验公式,求出控制器的参数整定值:

  控制作用

  /%

  /min

  /min

  比例

  比例+积分

  1.26

  0.5

  比例+积分+微分

  0.8

  0.3

  0.1

  有的过程,4:1衰减仍嫌振荡过强,可采用10:1衰减曲线法。

  2.3 经验试凑法

  经验试凑法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法,它是根据经验先将控制器参数放在一个数值上,直接在闭环的控制系统中,通过改变给定值施加干扰,在记录以上观察过渡过程曲线,运用、、对过渡过程的影响为指导,按照规定顺序,对比例度、积分时间和微分时间逐个整定,直到获得满意的过渡过程为止。

  整定的步骤有以下两种:

  (1)先用存比例作用进行试凑,待过渡过程已基本稳定并符合要求后,再加积分作用消除余差,最后加入微分作用是为了提高控制质量。按此顺序观察过渡过程曲线进行整定工作。

  (2)经验试凑法还可以按下列步骤进行:先按下表中给出的范围把定下来,如果引入微分作用,可取,然后对进行试凑,凑试步骤与前一方法相同。

  控制器参数的经验数据表

  控制对象

  /%

  /min

  /min

  流量

  温度

  压力

  液位

  40 100

  20 60

  30 70

  20 80

  0.3 1

  3 10

  0.4 3

  0.5 3

  注释: 温度对象容量滞后较大,参数受干扰后变化迟缓,应小,要长,一般需要加微分;

  经验试凑法的特点是方法简单,适用于各种控制系统,因此应用非常广泛。但是此法主要是靠经验,在缺乏实际经验或过度过程本身较慢时,往往较为浪费时间,可以用优选法,使每次参数改变的大小和方向都有一定的目的性。

  值得注意的是,对于同一系统,不同的人采用经验试凑法整定,可能得到不同的参数值,这是由于对每条曲线的看法,有时会因人而异,没有一个很明确的判断标准,而且不同的参数匹配有时会使所得过度过程衰减情况极为相近。

  3 参数整定研究

  临界比例度法对于临界比例度很小的系统不适用。因为临界比例度很小,则控制器的输出的变化一定很大,被调参数容易超出允许的范围,影响生产的正常进行。临界比例度法是要使系统达到等幅振荡后,才能找出和,对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统本方法亦不实用。

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