自动控制系统的PID调试

《自动控制系统的PID调试》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动控制系统的PID调试（12页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、自动控制系统的PID调试山东新风光电子科技发展有限公司 周加胜 何鹏 摘要：本文简述了在自动控制系统中 PID 调节器与变频器的调节方 法，结合几种常见的PID调节器，说明了在不同的应用场合，常见的 参数调整方式。以方便与同行业者共同探讨，以期尽快进入稳定的调 整过程，达到最佳的自动控制状态。关键词： 变频器 PID 自动控制概述：在现代工业化生产中，大型的自动控制领域正逐步推广，通过 与变频器、PID调节器、现场信号采集等的有机结合，自动控制系统 正向更大、更广的领域扩展，不但在较常见的风机、水泵、空压机上 应用较多，而且在制冷系统、油田油罐恒液位、输油恒流量等各个领 域都在拓展。但由于各种

2、原因，自动控制系统的调节，尤其是参数的 调整，并不十分令人满意，存在着稳定性差、波动大，调整不及时等 诸多问题。因此，进行有关这方面的研究，探讨一下究竟在什么情况 下，如何正确快速的调整参数，使系统尽可能快的进入自动控制的稳 定过程，是众多参与自动控制过程控制的同行们急于解决的问题，这 关键在于大家集思广议，多总结经验，多思考，掌握调试方法，针对 不同的现场、不同的负载，进行完善的调试，达到理想的控制过程。1、自动控制的概念所谓的自动控制，简单的说就是将被控对象的全部或部分的物理 量通过不同的采集方法，反馈到控制单元，由控制单元对反馈量进行 处理，以达到控制对象按人们期望的要求稳定运转的目的。

3、这个过程需要以下基本的组成部分：图 1、控制系统的组成其中控制单元是整个控制系统的核心，不论系统是否实现自动控 制，是否对被控对象采集信号，是否反馈到控制部分，都是十分重要 的。若控制单元工作不正常，不但自动控制难以实现，系统根本就无 法运行。在现代控制领域中，最常见的控制单元就是变频器，虽然以 前的控制系统即工频控制系统还可能部分的存在，但由于能耗浪费严 重等诸多问题，绝大多数的领域都已经实现了变频控制。而要实现自 动控制，最简捷的方式也是选择变频器，因为例如在水泵的控制中， 被控物理量管道压力或流量，采集后要传到控制单元，由控制单元根 据流量或压力调整变频器的频率，以调节电机转速，达到流量

4、或压力 满足要求的目的。若采用工频控制，控制单元的频率无法调整，也就 谈不上调节电机转速，流量或压力也就无法调节。虽然按工频控制可 调节阀门达到调节流量或压力的目的，但这都是手动调节，无法实现 自动控制。所以现在的控制单元首选是变频器。被控对象也就是通常所说的负载，如风机、水泵、空压机、压缩 机等等，这是工业领域不可缺少的部分，以实现对风量、水量及压力、 温度的控制。数据采集包括对现场的物理量的采集，如风量、风压、水量、水 压、温度，有的称管道压力，有的称管线流量，有的采集的是液位， 有的采集的是负压，如风机，有的采集的是进口，有的采集的是出口， 但不论怎样采集，都不外乎这几种。这个信号采集也

5、非常重要，即使 不用自动控制，这些物理量也是必须采集的。作为一个控制系统，若 流量或压力超出了要求，就可能出现危险，如水泵的压力，对一个水 泵控制系统而言，其设计的管线压力都是有限的，即有一定的指标控 制。若管线压力超出了指标要求，就有可能使管线爆裂，造成难以估 计的损失，所以在控制系统中，要随时观察管线压力的变化，超出指 标后要及时停机，或降低电机转速，以保护管线不受损害。现在的控 制系统中大部分都设定了超限保护，就是这个原因。数据的采集方法有很多种，如采用压力表，压力传感器，流量计，压力计、温度变速器等，多数是0-5V或4-20mA,可以传送到变 频器，为变频器所能接受。压力表要采用远传式

6、压力表，即滑线变阻 式，以可变电阻通过变频器上的电源而变成电压信号来便于控制。数据处理就是对所采集的数据进行分析、运算、处理等，以通过 与目标值即我们的期望值相比较，如一个恒压控制系统，要求压力稳 定在3MPa,这个值就是期望值即目标值，实际值与目标值相比较， 通过比例、积分、微分的运算，然后送到变频器，调节变频器的频率， 达到自动控制的目的。这个比例、积分、微分的运算，就是我们通常 讲的 PID 控制。若没有 PID 控制，就是常规的手动控制，即手动调 节变频器的频率，达到实际值与目标值一致。这在工程上通常称为开 环控制，而PID控制即自动控制通常称为闭环控制。开环与闭环的区别就在于有无PI

7、D的自动调节。2、PID 调节器的分类在自动控制的调节中，作为实现自动控制的PID调节器，主要可 分为两种：一是变频器本身带有PID调节器，通过参数设置，从变频器的控 制端子上连接反馈信号，从面板或控制端子上设定目标值，通过内部 的 PID 参数调节，实现自动控制。这种方式采用内部控制，优点是不 用增加别的器件，直接进行控制，投资少，缺点是PID的调节精度不 高，对于一般的要求控制精度不高的场合可达到要求，对于要求精密 度较高的则难以满足工况需求。另外，若采用手、自动切换的场合， 则不好实现。必须再重新设置参数，改成开环控制才能实现，比较繁 琐。如有的系统要求开始运行时采用手动调节，待系统的实

8、际运行参 数与目标值接近一致时，再用闭环运行，由被控物理量自动调节；还 有的是在运行中反馈环节出现问题，如压力传感器或流量计出现问 题，不能正常工作，或仪表线出现断线，无法实现自动控制，在不能 查出原因的情况下，只能用手动先暂时运行，这种情况该方案就比较 麻烦，要重新设置参数，才能实现手动控制。而有的用户对参数设置 不太熟悉，就会造成比较困难的局面。二是采用单独的PID仪表，将传感器传过来的压力或流量信号先 送到PID的信号输入端，经PID仪表处理后，经过比例、积分、微 分的运算，其信号输出端再连接到变频器的信号输入端，这样对整个 系统而言是闭环控制，而对于变频器而言，是开环运行。这种方式避

9、免了第一种方式的缺点。变频器可接成开环和闭环两种控制方式，通 过一转换开关实现，用PID的输出信号是闭环，不用PID的信号， 而采用变频器本身的控制信号则是开环，这样就用一个开关方便的实 现了两种控制方式，在转换时十分方便。再一个PID调节仪是专用的 自动控制调节器件，对于简单或复杂的控制系统，都可以比较精密的 进行控制，在风机、水泵或空压机的运行中都可以得到较好的控制效 果，因此，这种方式还是比较好的。现在通用变频器大部分都内置了简易PID功能，有的只有PI 功能，只能进行简易的闭环控制，因此我们建议在做自动控制系统时， 最好还是采用第二种方式,即外加PID的方式，既可以方便的实现手、 自动

10、转换，又可以进行精密的控制，比较方便，虽然投资有所增加， 但控制功能增强，尤其对于变频器而言，这种方式工作于开环控制， 通过配合调整升频、降频时间，也可达到较好的控制效果，对变频器 也有利。3、PID 调节器的工作原理对于一个控制系统而言，要想实现理想的控制效果，就要采用一 定的控制手段，使我们预期的目标值，与系统实际运行的工作值相一 致，这就是控制系统最基本的要求。但是目标值与实际值总是存在差异的。由于实际负载的增减，用 量的多少，不可避免的造成实际值将偏离目标值，有时大于目标值， 有时小于目标值，二者的差值正是自动控制所要控制的对象。图 2、简易自动控制系统示意图如图 2所示是一个最基本的

11、自动控制系统图，在这里我们假设目标值为Xm,反馈值为Xf,其差值为AX,则有： X=XmXf由于传感器本身传递的信号一般是比较小的,一般是 05V 或420mA 的信号,上式的值也是很小的,要用这一差值去调节变频器 的频率，显然是不可能的。必须进行放大，而这就是PID调节器的比 例环节，即将该差值信号成比例的进行放大。假设这一比例值为Cp, 一般称为比例增益。设变频器的输入信号为Xa,则Xa= KpA X=Kp（XmXf）也就是（XmXf）=Xa/Kp上述关系如图3所示图 3、比例放大前后各量间的关系在上式中，Xa即目标值一般是不变的，显然，Kp越大，XmXf 就越小，Xf就越接近于Xm,如图

12、5的（a）所示。这里，Xf只能无限接近于Xm,而不能等于Xm,就是说，二者之间总有一个差值，通常成为静差，用表示。显然静差值越小越好。在专用PID调节器中，比例增益的大小常常是通过“比例带”来 进行调节的。所谓比例带，就是按比例放大的区域，肿 表示，P为 比例增益的倒数，即P=1/ Kp如图4所示a)b)图4、比例增益与比例带a)输出与输入的比例关系b)比例带的概念由图4知，比例带P越小，相当于比例增益Kp越大，在专用PID 调节仪表中，大部分都是调节比例带P的，所以一般是P值越小越稳 定，但也有直接调节Kp的，比较少，一般是变频器内置的PI功能的。比例增益环节的引入，又出现了新的矛盾，一方面

13、，要减小静差就要尽量增大比例增益，但由于系统有惯性，比例增益增大后，又会引起超调，使系统的被控量忽大忽小，引起系统振荡，如图5 (b) 所示。这就要用到积分环节I。引入积分环节I的目的是：使给定信号Xa的变化与乘积Kp (XmXf)的积分成正比。就是 说，尽管Kp(XmXf)一下子增大(或减小)很多，但Xa只能在“积 分时间”内逐渐的增大或减小，从而减缓了Xa的变化速度，防止了 振荡。积分时间越长， Xa 的变化越缓慢。只要偏差不消除， XmXf V0,积分就不停止，从而有效的消除静差。如图5 (c)所示。但积分时间太长，又会发生在被控量急剧变化时，被控量难以 迅速恢复的情况。这就要用到微分环

14、节D,微分环节的作用是：可根 据偏差的变化趋势，提前给出较大的调节动作，从而缩短调节时间 克服了因积分时间太长而使恢复滞后的缺点。如图5的(d)所示。a）P调节 b）震荡现象 c）PI调节 d）PID调节4、PID 的调试方法根据以上对控制原理的分析，我们就可以对一个自动控制系统进 行调试，通过参数的调节，达到稳定运行的目的。对于一个系统而言，有的是要求在XmXfO,即XmXf时，变 频器运行频率提高，即电机运行速度加大，而Xm0，即XmXf时，要求变频器的运行频率降 低，即电机运行速度减慢，这种作用就称为反作用（有的也称为反作 用），如恒温控制，当房间温度低时，要求压缩机降低速度，使致冷 作

15、用减弱，房间温度就会上升，当温度过高时，增加电机的速度，制 冷作用增强，使房间温度降低，达到房间内温度稳定的目的。所以首 先要明确被控对象的特点，是要求正作用控制，还是反作用控制。按 照说明书进行相关的设置。液位的控制与温度控制类似，也是反作用 控制。其次，要按照PID的说明书，对被控物理量的量程进行调节，以 使被控物理量的传感器的显示值（有的传感器不能显示，要从附近的 机械表上进行读数）,与 PID 仪表上的显示值相对应，即调整变送输 出量程和测量量程，与被控物理量一致，才能保证传感器与仪表一致。第三在选择仪表时也要注意，PID仪表的输入、输出要与变送器 的输出、变频器的输入相对应，不然就会

16、造成不匹配的情况。是电流 信号（一般是420mA）就要对应电流信号，是电压信号（一般是05V ）就要对应电压信号，否则将不能形成正常的控制，当然电流 信号通过并接电阻可以转换成电压信号，但电压信号要转化为电流信 号就比较困难。第四从变送器到PID的信号线要用屏蔽线，屏蔽层要接PID的 外壳，以可靠的传入PID仪表，并尽量远离高电压、大电流的主电缆 线，防止干扰。若送电后显示波动仍较大，可调整参数的滤波系数， 滤除干扰，使显示稳定。第五PID参数的调整，根据我们对控制原理的分析，可对P、I、 D及控制周期t进行调节，以达到系统稳定运行的目的。P为比例带， 减小时，相当于比例增益加大，则静差系数就

17、会减小，也就是实际值 越接近目标值，系统越稳定，反之，系统调节就会减慢，形成在设定 值附近振荡，运行不稳定。I为积分时间，时间越长，积分作用就越 强，系统就越稳定，但时间太长，对动态的响应将减弱，也就是在系 统物理量急剧变化时，反应慢，不能跟上系统的变化，也会造成调节 失败。一般而言，对于风机、水泵类负载，由于系统相对稳定，只要 PI调节一般就可以满足要求，积分参数一般是对应快速变化的场合 实用，如空压机，温控仪等，一般在其他场合关闭即可。第六我们比较常用的几种PID调节器，如XM8086和香港上润 的 WP90 系列，通过大多数场合的使用，基本上总结出一定的规律。 初次使用时要打开自整定功能

18、，但自整定一般很难实现较好的控制， 通过大多数现场的经验，对于水泵系列，香港上润的P般可设为5 以下，3左右，而I 一般可调为5060左右。而XM8086的一般P 设为10左右（在OPAD=3的情况下），I为60左右。D关闭。但对于 风机而言，由于风机的惯性较大，其积分时间就要设定的比较长，一 般会在1000左右。对于空压机、温控场合，则需要打开D功能，一 般在上述参数的基础上，适当调节一下，基本就可以达到稳定的控制 功能。第七当然还可以根据系统或PID具有的参数功能,设定适当的报 警或停机功能，即在被控物理量超出规定要求时，提供报警信号，提 醒操作人员注意，若再继续超出，则自动停机，以保护管

19、线或系统， 防止损坏。如可设置入口低压报警，超低压停机，出口高压报警，超 高压停机等功能，这都是一些保护功能，可通过外加继电器或接触器， 实现控制功能。5、总结当然，任何系统的调试都要经过比较复杂的过程，虽然我们了解 了自动控制的原理，也介绍了相关参数的调试经验，但对于一个较复 杂系统的调试而言，还必须从头坐起，针对每个参数进行耐心细致的 调试，直到整个系统稳定的投入运行为目的，最容易出现的问题就是 不稳定，变频器的频率忽高忽低，压力或温度变化大，要根据PID的 说明书，详细的、认真的进行阅读，并借鉴相关的调试经验，反复的、 细心的进行各个参数的调整，才能达到要求，避免出现不必要的问题， 造成整个控制系统的失败。我们以前也有过很多这方面的教训，有的 也是比较深刻的。希望我们同行的朋友们能及时的总结经验，互相探 讨，取长补短，在该领域能深钻细研，真正把这一系统做好，为国家 的节能减排，自动控制系统的完善和提高尽自己的一份努力。