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PID参数整定 经验(DOC)

PID参数的工程整定方法培训教材2005年12月20日目录第一节基本控制规律及其作用效果 (1)第二节实用的控制规律 (2)第三节PID参数的工程整定方法 (3)第四节复杂调节系统的参数整定 (8)附录一各厂家DCS系统PID相关数据统计 (8)附录二相关的名词解释 (9)第一节基本控制规律及其作用效果在工业生产过程控制中,常用的基本调节规律大致可分为:1 位式调节也就是常说的开/关式调节,它的动作规律是当被控变量偏离给定值时,调节器的输出不是最大就是最小,从而使执行器全开或全关。

在实际应用中,常用于机组油箱恒温控制、水塔以及一些储罐的液位控制等。

在实施时,只要选用带上、下限接点的检测仪表、位式调节器或PLC、再配一些继电器、电磁阀、执行器、磁力起动器等即可构成位式控制系统。

因此,位式控制的过渡过程必然是一个持续振荡的过程。

如图0所示。

图0 位式控制的过渡过程2 比例调节它依据“偏差的大小”来动作。

它的输出与输入偏差的大小成比例,调节及时,有力,但是有余差。

用比例度δ来表示其作用的强弱,用%表示。

例如比例度60%,即表示当偏差为量程的60%时,输出变化值为量程的100%。

δ越小,调节作用越强,调节作用太强时,会引起振荡。

比例调节作用适用于负荷变化小,对象纯滞后不大,时间常数较大而又允许有余差的控制系统中,常用于塔和储罐的液位控制以及一些要求不高的压力控制中。

使用时应注意,当负荷变化幅度较大时,为了平衡负荷变化所需的调节阀开度变化也将较大,待稳定后,被控变量的余差就可能较大。

比例控制规律的动态方程为:其中:y(t)——输出变化量。

e(t)——输入变化量。

Kp ——比例增益。

δ——比例度,它是Kp的倒数。

3 积分调节它依据“偏差是否存在”来动作。

它的输出与偏差对时间的积分成比例,只有当余差完全消失,积分作用才停止。

其实质就是消除余差。

但积分作用使最大动偏差增大,延长了调节时间。

用积分时间Ti 表示其作用的强弱,单位用分(或秒)表示。

Ti越小,积分作用越强,积分作用太强时,也会引起振荡。

积分控制规律的动态方程为:其中:TI ——积分时间。

4 微分调节它依据“偏差变化速度”来动作。

它的输出与输入偏差变化的速度成比例,其实质和效果是阻止被调参数的一切变化,有超前调节的作用。

对滞后较大的对象有很好的效果。

使调节过程动偏差减少,余差也减少(但不能消除)。

用微分时间Td表示作用的强弱,单位用分(或秒)表示。

Td大,作用强,Td太大,会引起振荡。

微分控制规律的动态方程为:其中:TD ——微分时间。

第二节实用的控制规律由于位式调节及易引起振荡,所以除特定场合外,一般应用较少,使用较多的是比例、积分、微分调节作用。

但实际上单纯使用比例、积分、微分作用的场合也较少,最多使用的是三种调节规律的组合。

组合后的调节规律由图1所示,PID三作用调节质量最好、PI次之,积分最差因此很少单用。

其中:PI作用的传递函数为:注意:δTi即为积分控制规律的动态方程中TI。

PD作用的传递函数为:注意:KpTd即为微分控制规律的动态方程中TD。

PID作用的传递函数为:图1 各种调节规律比较1—比例微分作用;2—比例积分微分作用;3—比例作用;4—比例积分作用;5—积分作用;第三节 PID参数的工程整定方法调节器参数的整定,是自动调节系统中相当重要的一个问题。

在调节方案已经确定,仪表及调节阀等已经选定并已装好之后,调节对象的特性也就确定了,调节系统的品质就主要决定于调节器参数的整定。

因此,调节器参数整定的任务,就是对已选定的调节系统,求得最好的调节质量时调节器的参数值,即所谓求取调节器的最佳值,具体讲就是确定最合适的比例度、积分时间和微分时间。

把参数整定工作放在怎样的位置,存在两种片面的看法:一种看法是过分强调了参数整定的作用,把调节器参数整定看作自动化理论的核心,这当然是错误的。

因为调节器参数只能在一定范围内起作用,如果方案不合理,工况改变、或属于仪表和调节阀故障,则不论怎样去调整比例度,积分时间和微分时间,仍然达不到预定的调节质量要求。

同时,调节器参数在目前很难单纯依靠计算的方法来求取,因为计算法要遇到两个很大的困难,一是缺乏足够的对象动态特性资料,实验测试也不容易,二是计算方法繁琐,工作量大,而且对象往往有非线性或改变工艺参数的情况,所以化了不少力气算出来的结果仍不可靠。

另一种看法是过分地贬低参数整定的作用,我们会遇到三类不同的系统情况。

第一类是较容易调节的系统:比例度、积分时间和微分时间可以放在很宽的范围,调节质量都能满足。

第二类是方案选择不当的系统,不论怎样去整定参数,系统仍不能良好的运行。

如果只看到以上两种情况,是会产生不必重视调节器参数整定的错觉。

实际上有相当多数量的系统介于这两种极端情况之间,这可以说是第三类的系统,它们在整定参数选择得当的时候,可以运行得很好,反之,在整定参数不合适时,调节质量就达不到要求。

我们不要将它们与第二类系统混同起来,错当成不能投入自动的系统。

另外,对第一类系统来说也有使调节质量进一步完善的要求。

因此,我们应当重视调节器参数整定的工作,而不要片面地看问题。

参数整定的方法很多,我们只介绍几种工程上最常用的方法。

1 临界比例度法这是目前使用较广的一种方法,具体作法如下:先在纯比例作用下(把积分时间放到最大,微分时间放到零),在闭合的调节系统中,从大到小地逐渐地改变调节器的比例度,就会得到一个临界振荡过程,如图2所示。

这时的比例度叫临界比例度δk,周期为临界振荡周期Tk。

记下δk和Tk,然后按表1的经验公式来确定调节器的各参数值。

图2 临界振荡示意图表1 临界比例度法数据表这种方法在下面两种情况下不宜采用:1)、临界比例度过小,因为这时候调节阀很容易处于全开及全关位置,对于工艺生产不利,举例来说,对于一个用燃料油(或瓦斯)加热的炉子,如δ很小,接近双位调节,将一会儿熄火,一会儿烟囱浓烟直冲。

2)、工艺上约束条件较严格时,因为这时候如达到等幅振荡,将影响生产的安全运行。

2 衰减曲线法临界比例度法是要系统等幅振荡,还要多次试凑,而用衰减曲线法较简单,一般又有两种方法。

(1)、4:1衰减曲线法使系统处于纯比例作用下,在达到稳定时,用改变给定值的办法加入阶跃干扰,观察记录曲线的衰减比,然后逐渐从大到小改变比例度,使出现4:1的衰减比为止,如图3所示。

记下此时的比例度δs。

再按表2的经验公式来确定PID数值。

图3 4:1衰减调节过程曲线表2 4:1衰减曲线法数据表(2)、10:1衰减曲线法有的过程,4:1衰减仍嫌振荡过强,可采用10:1衰减曲线法。

方法同上,得到10:1衰减曲线,记下此时的比例度δ's和上升时间T's,再按表3的经验公式来确定PID的数值。

衰减曲线如图4所示。

图4 10:1衰减曲线示意图表3 10:1衰减曲线法数据表采用衰减曲线法必须注意几点:1)、加给定干扰不能太大,要根据生产操作要求来定,一般在5%左右,也有例外的情况。

2)、必须在工艺参数稳定的情况下才能加给定干扰,否则得不到正确得δs、Ts、或δ's和T's值。

3)、对于反应快的系统,管道压力(a)和小容量的液位调节等,要在记录纸上严格得到4:1衰减曲线较困难,一般以被调参数来回波动两次达到稳定,就近似地认为达到4:1衰减过程了。

下面举一个现场整定的例子。

在某塔顶温度调节系统中,被调参数是塔顶温度,工艺允许波动为<4℃,调节参数是回流量。

在整定过(b)程中,考虑到对象滞后较大,反应较慢的情况,δ的选择从50%开始凑试起,此时在阶跃作用下(给定值降低2%)的过渡过程曲线见图5-(a)。

此时调节时间长,不起振荡,于是将比例度减少,δ=30%、20%、及10%时的曲线见(b)、(c)、(d)。

显然,20%的情况最好,衰减比接近4:1,Ts=10分。

(C)按4:1衰减曲线法数据表定出整定参数: δ=0.8·δs=16%; Ti=0.3·Ts=3分; Td=0.1·Ts=1分。

投运时,先将δ放在较大的数值,把Ti从大减少到3分,把Td 从小到大逐步放大到1分,然后把δ拉到15%,(如果在δ=15% (d )的条件下很快地把Td 放到1分,调节器的输出会剧烈变化)。

再对系统加2% 的给定值变化时,仍产生4:1衰减过程,见图(e所示,调节质量显著改善,超调量小于1℃,调节时间为6.5分。

3 经验试凑法这是在生产实践中所总结出来的方法,目 前应用最为广泛,其步骤简述如下: (e )1)、根据不同调节系统的特点,先把P 、 图5 用衰减曲线法现场整定I 、D 各参数放在基本合适的数值上,这些数值是由大量实践经验总结得来的(按4:1衰减),其范围大致如表4所示。

但也有特殊情况超出表列的范围,例如有的温度调节系统积分时间长达15分钟以上,有的流量系统的比例度可到200%左右等等。

表4 各调节系统PID参数经验数据表2)、看曲线,调参数,根据操作经验,看曲线的形状,直接在闭合的调节系统中逐步反复试凑,一直得到满意数据。

在实践中,把具体整定的方法总结了几段顺口溜。

参数整定找最佳,从大到小顺次查,先是比例后积分,最后才把微分加;曲线振荡很频繁,比例度值要放大,曲线漂浮绕大弯,比例度值应减小;[1]曲线偏离回复慢,积分时间往下降,曲线振荡周期长,积分时间再加长;曲线振荡频率快,先把微分降下来,动差大来波动慢,微分时间应加长;理想曲线两个波,前高后低四比一,一看二调多分析,调节质量不会低。

第一段讲的是整定顺序,δ和Ti都是从大到小逐步加上去,微分是最后才考虑的。

第二段讲的是比例度如何整定。

第三段讲的是积分时间如何整定。

第四段讲的是微分时间如何整定。

第五段讲的是标准。

上面这种方法步骤是先加δ,再加Ti,最后才加Td。

应用中较稳妥。

另一种方法是先从表列范围内取Ti的某个数值,如果需要微分,则取Td=(1/3~1/4)Ti,然后对δ进行试凑,也能较快地达到要求。

实践证明,在一定范围内适当地组合δ和Ti的数值,可以得到同样衰减比的曲线,就是说,δ的减少,可以用增加Ti的办法来补偿,而基本上不影响调节过程的质量。

所以,这种情况,先确定Ti、Td再确定δ的顺序也是可以的。

而且可能更快些。

如果曲线仍然不理想,可用Ti、Td再加以适当调整。

另外,将所在装置控制系统的PID参数记录下来,是一个很好的做法。

3)、在不熟悉的生产过程中,应先进行手动调节。

进入自动调节时,应确定比例度、积分时间、微分时间。

当调节输出变化一点点而影响测量值有较大变化的这种场合,为考虑到系统的稳定性,应加大比例度,反之,则减小比例度。

当调节器的输出变化时,在生产过程中希望测量值跟踪时间较短,则应该缩短积分时间,回复时间长的生产过程则应该有较长的微分时间。

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