PID调节器正确应用与参数整定注意事项

PID调节器参数整定就是通过实验或计算的方法， 寻找调节器参数的最佳组合，从而达到改善系统的静、动态特性，以求得最佳调节质量的过程。

PID调节器是目前自控系统中应用最广泛的一种调节器。它的输入信号是与被调量对给定值的偏差成正比的信号，它的输出信号是与输入信号、输入信号对时间的积分、输入信号对时间的导数成比例的直流电压或电流量。输出信号可以通过电-气转换器或相应单元推动执行机构或调节机构。如果PID调节器、执行机构、调节机构和对象组成系统，则PID调节器的输出信号将使被调参数最后调到等于给定值。


在自控过程中，由于外界干扰或改变给定值，将使实际测量值和给定值之间产生一个“偏差”，由于PID调节器的控制作用，可使偏差逐渐趋近于零，使测量值逐渐恢复到给定值。工艺上一般希望测量值恢复到给定值的时间越短越好；希望测量值冲过给定值的幅度也叫超调量，其越小越好；希望过渡过程中的测最值在给定值两侧的振荡次数愈少愈好。这三个指标的实现，一般都是通过正确选用和调整PID参数，使其符合要求。PID参数如何整定呢？严格说来，操作人员应该了解对象特性，即对象、阀门和测量变送器的静、动态特性，但这对于一般操作人员来讲，困难就太大了。为此，目前工业上常用的参数整定方法是经验试凑和理论估算相结合的方法，即根据对广义对象特性的估计，通过现场调整并观查被调参数的変化情况，最后确定出合适的PID调节器参数。常用的整定方法有：临界比例度法、衰减曲线法和经验法等。

PID调节器参数整定的必要性和常用整定方法
1、参数整定的必要性和整定要点
一个既定的调节系统要实现预定的调节过程，必须通过选择对应的PID调节器参数，才能保证和提高调节质量。另外，不同调节回路的对象特性和干扰形式与大小也各不相同，因此要达到应有的控制质量指标，必须正确选择P、I、D参数。例如,流量对象反应非常灵敏，而温度对象滞后比较大，所以流量系统选用的比例度都要大于温度对象的比例度。参数整定的过程就是根据调节系统中各环节的对象特性，调整PID调节器中的可变参数，即比例度(P)、积分时间(I)和微分时间(D)，以便使被调参数受干扰后，能以一定的变化规律恢复到给定值。一般要求波动曲线的衰减度调到4:1~10:1为合适。

在参数整定过程中，由于比例调节是最结本的调节，因此一般都是先调好比例度，然后通过调节积分时间消除偏差，调节微分时间使调节质量进一步提高。

2、用临界比例度法整定PID调节器参数
临界比例度也叫等幅振荡比例度法。其特点是不需要求得调节对象特性，直接在闭合的调节系统中进行整定。用临界比例度法调整PID参数，在多数系统中均可采用，但不宜用于临界比例度过小(当临界比例度过小时，容易导致阀门全开或全关)，工艺参数不允许振荡的场合。

文章《临界比例度法整定PID参数》对临界比例度PID参数整定方法做了详细介绍，在本文中不再累述。

3、用衰减曲线法整定PID参数
衰减曲线法是在总结临界比例度法和其他一些方法的基础上，经过反复实践提出来的。衰减曲线法整定PID参数特点：直接闭合系统在纯比例度作用下，以4:1或10:1的衰减曲线作为整定目的，而直接求得PID调节器的比例度。衰减曲线法一般适用于对象时间常数较大，干扰较小，又不经常有干扰的场合。

文章《衰减曲线法整定PID参数》对衰减曲线法PID参数整定方法做了详细介绍，在本文中不再累述。

3、用经验法整定PID参数
经验法实际上也是一种凑试法。在科研及化工生产中，有时原料量太大或带走热量太多时，空载调PID参数就意义不大。另外，实际生产中有时不允许改变给定值来反复调整PID，只能在每次加料或开车的实际生产中一次调整，这样可根据控制参数的不同特点，先用经验数据，然后再根据PID参数的过程控制品质要求，逐步修正参数，直至获得最佳控制品质。经验法整定PID简单可靠，对记录曲线不规则，干扰频繁，对象时间常数小，无法获得对象特性的场合均可适用。

文章《黄文鑫详解经验法PID参数调节口诀》对经验法PID参数整定方法做了详细介绍，在本文中不再累述。

PID参数整定注意事项
1、整定PID参数时，一定要力求工况稳定，尤其是衰减曲线法整定PID，否则工艺中的其他干扰进入系统，就不能得到正确的4:1~10:1衰减比例度和衰减周期，就不能求得最佳PID参数。

2、一个运行正常的自控系统，如果改变给定值(或系统受干扰)，在无纸记录仪上观察曲线上、下波动2-3次就能稳定下来，一般可认为过渡过程在4:1~10:1的范围内。但是，对反应较快的流量、管道压力和小容量的液位调节系统，耍在无纸记录仪上严格地认定4:1~10:1的衰减曲线就比较困难。这时，可通过观察执行器动作的变化来判断。如果来回摆动2次就达到稳定，就可以近似认为是4:1衰减过程。

3、在整定参数无把握的情况下，一般都不宜把初始试验参数放得太灵敏，例如比例度不宜放得太小，以免系统出现振荡。一般作法是在手动控制时，阀门需要开得较大者，P值(比例度)可选得小一些；阀门不需要开得较大者，P值(比例度)可逃得大一些。

4、经验法整定PID的关键是“调参数，看曲线”。因此，在调整过程中，必须弄清PID调节器参数变化对过渡过程曲线的影响关系。例如，看到曲线波动很大时，就不能再减小P值(比例度)，也不应该减小I值或加大D值，否则就会使系统出现剧烈振荡。

5、在温度调节系统中，由于容量滞后太大，有时积分时间要用在15min以上。对于P值(比例度)，当量程范围小或调节阀尺寸选得较大时，P值(比例度)可选得大一些。

6、在前面介绍的PID整定方法中，都是先比例，后积分、微分。 但在实际应用中，也可以先把积分时间、微分时间定下来，再去整定比例度。实践证明，该方法有时比先定比例度效果还好。

7、正确分析记录曲线
◆比例度P值变化的影响，比例度越大，说明比例作用越弱，使过渡过程曲线变化缓慢；振荡周期加长；衰减比变大。因此在有干扰或改变给定值使曲线恢复缓慢时，可将比例度P值变小。
◆积分时间I的影响：积分作用的强弱取决于积分时间I的大小。I大时，积分作用弱，I小时，积分作用强。一般变化趋势是I越小，积分作用越强，曲线振荡加剧，周期缩短，余差越来越小。但如果I太小，由于积分作用太强，会造成曲线剧烈振荡，反而使消除余差的时间变长。
◆微分时间D的影响：微分作用的强弱主要看微分时问的大小。D越大，微分作用越强，这和积分时间刚好相反。微分作用越强，调节作用越强，其结果使振荡越来越剧烈，周期也越来越短。

8、PID参数整定并不是万能的，因为系统的控制质量与对象特性、干扰形式和大小、控制方案等都有关系，所以当控制方案选择不当时，PID参数怎样调整，也不能达到预期的控制效果。
作者：王新山