PID参数的整定方法

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1、本文格式为Word版，下载可任意编辑PID参数的整定方法 PID是比例、积分、微分的简称，PID掌握的难点不是编程，而是掌握器的参数整定。参数整定的关键是正确地理解各参数的物理意义，PID掌握的原理可以用人对炉温的手动掌握来理解。阅读本文不需要高深的数学学问。 1比例掌握 有阅历的操作人员手动掌握电加热炉的炉温，可以获得特别好的掌握品质，PID掌握与人工掌握的掌握策略有许多相像的地方。 下面介绍操作人员怎样用比例掌握的思想来手动掌握电加热炉的炉温。假设用热电偶检测炉温，用数字仪表显示温度值。在掌握过程中，操作人员用眼睛读取炉温，并与炉温给定值比较，得到温度的误差值。然后用手操作电位器，调整加热

2、的电流，使炉温保持在给定值四周。 操作人员知道炉温稳定在给定值时电位器的大致位置（我们将它称为位置L），并依据当时的温度误差值调整掌握加热电流的电位器的转角。炉温小于给定值时，误差为正，在位置L的基础上顺时针增大电位器的转角，以增大加热的电流。炉温大于给定值时，误差为负，在位置L的基础上反时针减小电位器的转角，并令转角与位置L的差值与误差成正比。上述掌握策略就是比例掌握，即PID掌握器输出中的比例部分与误差成正比。 闭环中存在着各种各样的延迟作用。例如调整电位器转角后，到温度上升到新的转角对应的稳态值时有较大的时间延迟。由于延迟因素的存在，调整电位器转角后不能立刻看到调整的效果，因此闭环掌握系

3、统调整困难的主要缘由是系统中的延迟作用。 比例掌握的比例系数假如太小，即调整后的电位器转角与位置L的差值太小，调整的力度不够，使系统输出量变化缓慢，调整所需的总时间过长。比例系数假如过大，即调整后电位器转角与位置L的差值过大，调整力度太强，将造成调整过头，甚至使温度忽高忽低，来回震荡。 增大比例系数使系统反应灵敏，调整速度加快，并且可以减小稳态误差。但是比例系数过大会使超调量增大，振荡次数增加，调整时间加长，动态性能变坏，比例系数太大甚至会使闭环系统不稳定。 单纯的比例掌握很难保证调整得恰到好处，完全消退误差。 2积分掌握 PID掌握器中的积分对应于图1中误差曲线 与坐标轴包围的面积（图中的灰

4、色部分）。PID掌握程序是周期性执行的，执行的周期称为采样周期。计算机的程序用图1中各矩形面积之和来近似精确的积分，图中的TS就是采样周期。 图1 积分运算示意图 每次PID运算时，在原来的积分值的基础上，增加一个与当前的误差值ev（n）成正比的微小部分。误差为负值时，积分的增量为负。 手动调整温度时，积分掌握相当于依据当时的误差值，周期性地微调电位器的角度，每次调整的角度增量值与当时的误差值成正比。温度低于设定值时误差为正，积分项增大，使加热电流渐渐增大，反之积分项减小。因此只要误差不为零，掌握器的输出就会由于积分作用而不断变化。积分调整的“大方向”是正确的，积分项有减小误差的作用。始终要到

5、系统处于稳定状态，这时误差恒为零，比例部分和微分部分均为零，积分部分才不再变化，并且刚好等于稳态时需要的掌握器的输出值，对应于上述温度掌握系统中电位器转角的位置L。因此积分部分的作用是消退稳态误差，提高掌握精度，积分作用一般是必需的。 PID掌握器输出中的积分部分与误差的积分成正比。由于积分时间TI在积分项的分母中，TI越小，积分项变化的速度越快，积分作用越强。 3PI掌握 掌握器输出中的积分项与当前的误差值和过去历次误差值的累加值成正比，因此积分作用本身具有严峻的滞后特性，对系统的稳定性不利。假如积分项的系数设置得不好，其负面作用很难通过积分作用本身快速地修正。而比例项没有延迟，只要误差一消

6、失，比例部分就会马上起作用。因此积分作用很少单独使用，它一般与比例和微分联合使用，组成PI或PID掌握器。 PI和PID掌握器既克服了单纯的比例调整有稳态误差的缺点，又避开了单纯的积分调整响应慢、动态性能不好的缺点，因此被广泛使用。 假如掌握器有积分作用（例如采纳PI或PID掌握），积分能消退阶跃输入的稳态误差，这时可以将比例系数调得小一些。 假如积分作用太强（即积分时间太小），相当于每次微调电位器的角度值过大，其累积的作用会使系统输出的动态性能变差，超调量增大，甚至使系统不稳定。积分作用太弱（即积分时间太大），则消退稳态误差的速度太慢，积分时间的值应取得适中。 4微分作用 误差的微分就是误差

7、的变化速率，误差变化越快，其微分肯定值越大。误差增大时，其微分为正；误差减小时，其微分为负。掌握器输出量的微分部分与误差的微分成正比，反映了被控量变化的趋势。 有阅历的操作人员在温度上升过快，但是尚未达到设定值时，依据温度变化的趋势，预感到温度将会超过设定值，消失超调。于是调整电位器的转角，提前减小加热的电流。这相当于士兵射击远方的移动目标时，考虑到子弹运动的时间，需要肯定的提前量一样。 图2 阶跃响应曲线 图2中的c ()为被控量c (t)的稳态值或被控量的期望值，误差e(t) = c () - c (t)。在图2中启动过程的上升阶段，当 时，被控量尚未超过其稳态值。但是由于误差e(t)不断

8、减小，误差的微分和掌握器输出的微分部分为负值，减小了掌握器的输出量，相当于提前给出了制动作用，以阻碍被控量的上升，所以可以削减超调量。因此微分掌握具有超前和猜测的特性，在超调尚未消失之前，就能提前给出掌握作用。 闭环掌握系统的振荡甚至不稳定的根本缘由在于有较大的滞后因素。由于微分项能猜测误差变化的趋势，这种“超前”的作用可以抵消滞后因素的影响。适当的微分掌握作用可以使超调量减小，增加系统的稳定性。 对于有较大的滞后特性的被控对象，假如PI掌握的效果不抱负，可以考虑增加微分掌握，以改善系统在调整过程中的动态特性。假如将微分时间设置为0，微分部分将不起作用。 微分时间与微分作用的强弱成正比，微分时

9、间越大，微分作用越强。假如微分时间太大，在误差快速变化时，响应曲线上可能会消失“毛刺”。 微分掌握的缺点是对干扰噪声敏感，使系统抑制干扰的力量降低。为此可在微分部分增加惯性滤波环节。 5采样周期 PID掌握程序是周期性执行的，执行的周期称为采样周期。采样周期越小，采样值越能反映模拟量的变化状况。但是太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，将使PID掌握器输出的微分部分接近为零，所以也不宜将采样周期取得过小。 应保证在被控量快速变化时（例如启动过程中的上升阶段），能有足够多的采样点数，不致由于采样点数过少而丢失被采集的模拟量中的重要信息。 6PID参数的调整方法 在整定

10、PID掌握器参数时，可以依据掌握器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系，用试验的方法来调整掌握器的参数。有阅历的调试人员一般可以较快地得到较为满足的调试结果。在调试中最重要的问题是在系统性能不能令人满足时，知道应当调整哪一个参数，该参数应当增大还是减小。 为了削减需要整定的参数，首先可以采纳PI掌握器。为了保证系统的平安，在调试开头时应设置比较保守的参数，例如比例系数不要太大，积分时间不要太小，以避开消失系统不稳定或超调量过大的特别状况。给出一个阶跃给定信号，依据被控量的输出波形可以获得系统性能的信息，例如超调量和调整时间。应依据PID参数与系统性能的关系，反复调整PID的参数。 假如

11、阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应减小比例系数、增大积分时间。假如阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数。 假如消退误差的速度较慢，可以适当减小积分时间，增加积分作用。 反复调整比例系数和积分时间，假如超调量仍旧较大，可以加入微分掌握，微分时间从0渐渐增大，反复调整掌握器的比例、积分和微分部分的参数。 总之，PID参数的调试是一个综合的、各参数相互影响的过程，实际调试过程中的多次尝试是特别重要的，也是必需的。 7试验验证 试验使用S7-300 plc的PID掌握功能块FB 41，被控对象由两个串联的惯性环节组成，其时间常数分别为2s和5s，比例系数为3.0。用人机界面的趋势图显示给定曲线和闭环输出量的响应曲线。 第 5 页 共 5 页