PID控制整定方法

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1、1引言 A 现今在工业生产过程中常要用闭环控制方法来实现温度、速度、压力、液位等的模拟量控制。而现在估计有90%以上的闭环控制采用pid(proportional-integral-derivative)控制器，因为pid控制不需要被控对象的数学模型。且pid控制结构简单，容易实现，有较强的灵活性和适应性。pid控制中的一个至关重要的问题是控制器的参数整定问题(即比例系数、积分时间、微分时间)的整定。 现在已有很多plc厂家提供具有pid控制功能的产品，例如pid闭环控制模块、pid控制指令和pid控制系统功能块等，它们使用简单方便，只需要设置一些参数即可。step7-micro/min的pi

2、d指令向导pid指令应用更加的简单方便。本文结合西门子公司的s7-200plc介绍pid参数自整定方法。 2pid参数自整定原理与过程 2.1 pid控制器的数字化 在pid模拟量闭环控制系统中如图1所示，被控量c(t)为压力、温度、速度等连续变化的模拟量，而且大多数执行机构要求plc输出模拟量信号m(t)，而plc只能出来数字量。因此c(t)首先被测量元件(传感器)和变送器转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号pv(t)，之后plc的模拟量输入模块用a/d转换器将其转换为数字量pv(n)。plc按照一定的采样周期采集反馈量，并进行pid控制的计算，得到数字量m(n)，如果执行机构要求模拟

3、量输入，plc的模拟量输出模块用d/a转换器将其转换为模拟量m(t)。2011-7-5 15:18:08 上传下载附件 (17.01 KB) 图1pid模拟量闭环控制结构图 pid模拟量控制的输入输出关系为： 2011-7-5 15:19:32 上传下载附件 (3.79 KB) (1) 输出=比例项+积分项+微分项+输出初始值 数字化后第n次采样时控制器的输出为： 2011-7-5 15:20:28 上传下载附件 (3.75 KB) (2)在图2中e(n)、pv(n)、sp(n)、m(n)均为第n次采样的数字量，pv(t)、m(t)、c(t)均为模拟量。2011-7-5 15:20:55 上传

4、下载附件 (21.77 KB) 图2pid数字量闭环控制结构图 式(2)中en是第n次采样时的误差值，en-1是第n-1次采样时的误差值，kc、ki、kd分别是pid回路的增益、积分项、微分项的系数。对于pid回路的控制，有些控制系统只需要比例、积分、微分中的一种或两种控制类型，如果只需比例和积分，则把微分时间常数置为0。如果只需比例和微分，则把积分时间设为无穷大。一般情况下，比例、积分回路控制应用比较多。微分控制的作用不宜过强，否则易引起系统的不稳定。 2.2 plc实现pid控制方法 pid指令实现，s7-200plc的pid指令，该指令需要指定一个v变量存储区地址开始的pid回路表，以及

5、pid回路号。pid回路表提供了给定值、过程变量以及pid参数等数据入口，pid的运算结果也通过回路表输出。新型s7-200plc具有参数自整定功能，v4.0版的编程软件step7-micro/win增加了pid整定控制面板。这两项功能相结合，使用户能轻松的实现pid的参数自整定，同时实现对最多8个回路进行自整定。 2.3pid参数的自整定方法 从式(2)可以看出pid参数自整定就是去整定系统的4个参数值ts、kc、ti、td。在整定之前必须明确各个参数与系统静态性能之间的关系。比例的作用是产生与误差成正比的调节作用，具有调节及时的特点，kc越大作用越强，系统的稳态误差越小，但是kc太大会使系

6、统产生振荡降低了系统的稳定性。积分作用是消除稳态误差，提高控制精度，但积分作用动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响，因此很少单独使用；积分时间常数ti增大时，积分作用减弱，系统稳定性可能有所改善，但消除误差速度变慢；微分部分具有超前调节和预测误差的作用，微分时间常数td增大时，可能会减少超调量，动态性能得到改善，但抑制高频干扰能力降低，td过大系统输出量可能出现频率较高的振荡，通常不加入微分调节。 3s7-200plc 的pid参数自整定 这里以s7-200plc及其pid温度调节模块结合step7-micro/win介绍其pid参数的自整定过程，step7-micro/win给出的向

7、导功能可方便快捷的实现pid参数的输入：工具指令向导pid在给出的对话框中按照提示设置pid回路、设置回路参数、输入输出极性选择、v存储区地址选择、指定向导所生产pid子程序、中断程序完成。再在程序块中向导将生成的pid子程序拖入主程序中其中温度设定值为50.0，见图3。2011-7-5 15:21:26 上传下载附件 (7.77 KB) 图3由向导生成的pid程序 将s7-200切换到stop状态，将程序下载到cpu，切换到run状态运行程序。step7-micro/win中的pid控制面板可方便的监控pid的参数自整定过程，工具pid调节控制面板如图4所示。2011-7-5 15:21:5

8、8 上传下载附件 (45.13 KB) 图4pid控制面板 2011-7-5 15:22:26 上传下载附件 (45.44 KB) 图5 kc=20的曲线 为避免系统起始就自整定，系统可能整定失败，先手动整定使得每个参数几乎接近系统自整定的参数后再选择自动调节。 (1)整定参数kc：先将积分参数设为无穷大inf，微分参数设为0，不断修改kc的值直到系统不产生振荡，如果产生振荡则说明还要减少kc值。图5和图6为kc=20，和kc=10时的曲线；其中红线为过程量pv(t)，绿线为设定值sp(t)，蓝线为输出值c(t)。尝试kc值可以得出当kc=10时输出基本上不产生振荡，且过程量迅速接近设定值。2

9、011-7-5 15:23:11 上传下载附件 (37.06 KB) 图6 kc=10的曲线 2011-7-5 15:23:39 上传下载附件 (40.63 KB) 图7ti=0.01的曲线 (2)整定参数ti：保持kc=10不变、微分时间为0，先给一个较强的积分作用让系统振荡然后不断增大积分时间，使输出不产生振荡。图7和图8为ti=0.01和ti=0.1时的曲线。 (3)整定参数td：保持kc=10、ti=0.1，引入微分先设定td大点让输出产生振荡，再逐渐调节到临界振荡时的td值。图9图11为td=1、td=0.1和td=0时的曲线；总结可得：当td=0时振荡最小即不引入微分环节时为最优。

10、即当kc=10、ti=0.1、td=0时系统输出振荡很小，且系统动态性能得到改善，这时进行自动整定。2011-7-5 15:24:22 上传下载附件 (41.22 KB) 图8ti=0.1的曲 2011-7-5 15:25:02 上传下载附件 (41.17 KB) 图9 td =1的曲线 2011-7-5 15:25:24 上传下载附件 (38.53 KB) 图10td=0.1的曲线 (4)在kc=10、ti=0.1、td=0的基础上进行pid参数的自整定，整定结果如图12所示，其中pid自整定的参数kc=11.22364、ti=0.2766667、td=0。2011-7-5 15:25:58

11、 上传下载附件 (36.28 KB) 图11 td=0的曲线2011-7-5 15:26:40 上传下载附件 (41.46 KB) 图12 pid参数自整定曲线4结束语 根据s7-200plc的pid指令，结合step7-micro/win提供的向导和pid控制面板以及plc的温度控制模块，详细的分析了如何准确的实施pid参数的自整定，找到最优的一组参BPID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PID的大小。* d- g! y% k: C6 |, 3 4 2 h3 BPID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：4 f& K8 R

12、 5 Je6 * 温度T: P=2060%,/ q3 pC) e! Rnh2 ? d T=180600s,3 D: a J+ & d- M% e# R+ J3 w D=3-180s H% d# % N7 R6 $ E. j$ 7 h5 |压力P: P=3070%,3 h) E9 j% X+ T=24180s,) J2 Y% y* Y9 q: 7 U ) uw7 S0 R液位L: P=2080%, F5 % F$ D1 |, P d* T=60300s,1 _7 |5 A l+ a# ! l* J/ R流量L: P=40100%,. % P) t V/ ?& P, k7 u T=660s。- Y

13、5 P5 B- o+ z5 y. f; t D( h1 F3 o6 Ic* o! V书上的常用口诀：7 A; Q4 v% 6 v% k! q参数整定找最佳，从小到大顺序查 Z) R! x1 P0 Y% U6 l; x先是比例后积分，最后再把微分加! k9 S, m+ x/ _ c( z曲线振荡很频繁，比例度盘要放大9 U) * b1 S3 q曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳/ u4 v5 Y) 7 N曲线偏离回复慢，积分时间往下降) i9 P: Eu+ b+ e% Y曲线波动周期长，积分时间再加长5 O$ nr9 X+ E曲线振荡频率快，先把微分降下来$ l1 C$ j4 0 h2 O2 动差大

14、来波动慢。微分时间应加长3 Q0 g& W$ A0 q理想曲线两个波，前高后低4比10 I* ?8 o1 W$ U2 K w; U# z一看二调多分析，调节质量不会低 - 6 a- . D0 G* E8 j% E0 G/ o; h1 i( M3 B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。9 u! H7 |; B4 Q, d: ?( : G& Z