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如何進行PID參數(shù)整定

在工程實際中,應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制,簡稱PID控制,又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史,它以其結(jié)構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結(jié)構和參數(shù)不能完全掌握,或得不到精確的數(shù)學模型時,控制理論的其它技術難以采用時,系統(tǒng)控制器的結(jié)構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定,這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時,最適合用PID控制技術。PID控制,實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 
  比例(P)控制 
  比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steady-state error)。 
  積分(I)控制 
  在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng),如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)(System with Steady-state Error)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分,隨著時間的增加,積分項會增大。這樣,即便誤差很小,積分項也會隨著時間的增加而加大,它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小,直到等于零。因此,比例+積分(PI)控制器,可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 
  微分(D)控制 
  在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后(delay)組件,具有抑制誤差的作用,其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,即在誤差接近零時,抑制誤差的作用就應該是零。這就是說,在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的,比例項的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項”,它能預測誤差變化的趨勢,這樣,具有比例+微分的控制器,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零,甚至為負值,從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。
   
PID參數(shù)進行整定時如果能夠有理論的方法確定PID參數(shù)當然是最理想的方法,但是在實際的應用中,更多的是通過湊試法來確定PID的參數(shù)。
    增大比例系數(shù)P一般將加快系統(tǒng)的響應,在有靜差的情況下有利于減小靜差,但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào),并產(chǎn)生振蕩,使穩(wěn)定性變壞。
    增大積分時間I有利于減小超調(diào),減小振蕩,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加,但是系統(tǒng)靜差消除時間變長。
    增大微分時間D有利于加快系統(tǒng)的響應速度,使系統(tǒng)超調(diào)量減小,穩(wěn)定性增加,但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。
    在湊試時,可參考以上參數(shù)對系統(tǒng)控制過程的影響趨勢,對參數(shù)調(diào)整實行先比例、后積分,再微分的整定步驟。
    首先整定比例部分。將比例參數(shù)由小變大,并觀察相應的系統(tǒng)響應,直至得到反應快、超調(diào)小的響應曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi),并且對響應曲線已經(jīng)滿意,則只需要比例調(diào)節(jié)器即可。
    如果在比例調(diào)節(jié)的基礎上系統(tǒng)的靜差不能滿足設計要求,則必須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時先將積分時間設定到一個比較大的值,然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略為縮小,然后減小積分時間,使得系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的情況下,靜差得到消除。在此過程中,可根據(jù)系統(tǒng)的響應曲線的好壞反復改變比例系數(shù)和積分時間,以期得到滿意的控制過程和整定參數(shù)。
    如果在上述調(diào)整過程中對系統(tǒng)的動態(tài)過程反復調(diào)整還不能得到滿意的結(jié)果,則可以加入微分環(huán)節(jié)。首先把微分時間D設置為0,在上述基礎上逐漸增加微分時間,同時相應的改變比例系數(shù)和積分時間,逐步湊試,直至得到滿意的調(diào)節(jié)效果。

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