PID控制器的参数整定(经验总结) 1 / 7 PID控制器的参数整定
(1)PID是比例,积分,微分的缩写. 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。
积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大,则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,PID控制器的参数整定(经验总结) 2 / 7 对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。
(2) PID具体调节方法 ①方法一 确定控制器参数 数字PID控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID参数整定方法进行。 在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。 选择参数 控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。 PID控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。 常用的方法，采样周期选择， 实验凑试法 实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。 整定步骤 实验凑试法的整定步骤为"先比例，再积分，最后微分"。 （1）整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。 （2）整定积分环节 若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。 先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 （3）整定微分环节 若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。 先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。 实验经验法 扩充临界比例度法 PID控制器的参数整定(经验总结) 3 / 7 实验经验法调整PID参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法,其最大的优点是，参数的整定不依赖受控对象的数学模型，直接在现场整定、简单易行。 扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象，是对连续-时间PID控制器参数整定的临界比例度法的扩充。 整定步骤 扩充比例度法整定数字PID控制器参数的步骤是： （1）预选择一个足够短的采样周期TS。一般说TS应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。 （2）用选定的TS使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用，将控制选择为纯比例控制器，构成闭环运行。逐渐减小比例度，即加大比例放大系数KP，直至系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡（稳定边缘），将这时的比例放大系数记为Kr,临界振荡周期记为Tr。 （3）选择控制度。 控制度，就是以连续-时间PID控制器为基准，将数字PID控制效果与之相比较。 通常采用误差平方积分 作为控制效果的评价函数。 定义控制度 采样周期TS的长短会影响采样-数据控制系统 的品质，同样是最佳整定，采样-数据控制系统的控制品质要低于连续-时间控制系统。因而，控制度总是大于1的，而且控制度越大，相应的采样-数据控制系统的品质越差。控制度的选择要从所设计的系统的控制品质要求出发。 （4） 查表确定参数。根据所选择的控制度，查表3一2，得出数字PID中相应的参数TS,KP,TI和TD。 （5）运行与修正。将求得的各参数值加入PID控制器,闭环运行,观察控制效果,并作适当的调整以获得比较满意的效果。
②方法二 2.3 PID参数整定方法 2.3.1 工程整定法 PID数字调节器的参数，除了比例系数Kp，积分时间Ti和微分时间Td外，还有1个重要参数即采样周
期T。
1．采样周期T的选择确定 从理论上讲，采样频率越高，失真越小。但是，对于控制器，由于是依靠偏差信号来进行调节计算的，当采样周期T太小，偏差信号也会过小，此时计算机将失去调节作用；若采样周期T太长，则将引起误差。因此采样周期T必须综合考虑。采样周期的选择方法有两种，一种是计算法，另一种是经验法。
计算法由于比较复杂，特别是被控对象各环节时间常数难以确定，工程上较少用。经验法是一种凑试法，即根据人们在控制工作实践中积累的经验以及被控对象的特点，先选择一个采样周期T，进行试验，再反复改变T，直到满意为止。
2．Kp，Ti，Td的选择方法 PID控制器的参数整定(经验总结) 4 / 7 1）扩充临界比例度法 扩充临界比例度法是简易工程整定方法之一，用它整定Kp，Ti，Td的步骤如下。 选择最短采样周期Tmin，求出临界比例度Su和临界振荡周期Tu。具体方法是将Tmin输入计算机，只有P环节控制，逐渐缩小比例度，直到系统产生等幅振荡。此时的比例度即为临界比例度Su，振荡周期称为临界振荡周期Tu。选择控制度为：
（2-15） 通常当控制度为1.05时，表示数字控制方式与模拟方式效果相当。根据计算度，查表2-1可求出Kp，Ti，Td。
表2-1 扩充临界比例度法整定参数表 控制度 控制规律 参 数 T Kp Ti Td
1.05 PI PID 0.03Tu 0.014Tu 0.53Su 0.63Su 0.88Tu 0.49Tu / 0.14Tu
1.2 PI PID 0.05Tu 0.43Tu 0.49Su 0.47Su 0.91Tu 0.47Tu / 0.16Tu
1.5 PI PID 0.14Tu 0.09Tu 0.42Su 0.34Su 0.99Tu 0.43Tu / 0.20Tu
2.0 PI PID 0.22Tu 0.16Tu 0.36Su 0.27Su 1.05Tu 0.4Tu / 0.22Tu
2）扩充响应曲线法
若已知系统的动态特性曲线，可以采用和模拟调节方法一样的响应曲线法进行整定，其步骤如下。 断开微机调节器，使系统手动工作，当系统在给定值处处于平衡后，给一阶跃输入。用仪表记录被调参数在此阶跃作用下的变化过程曲线。如图2-12所示。
图2-12 阶跃信号下的曲线 PID控制器的参数整定(经验总结)
5 / 7 动画讲解 图片说明 在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间t，对象时间常数τ以及它们的比值τ/t。根据所求得的τ，t和τ/t值，查表2-2求得值Kp，Ti，Td。
表2-2 扩充响应曲线法整定参数表 控制度 控制规律 参 数 T Kp Ti Td
1.05 PI PID 0.1t 0.05t 0.84τ/t 1.15τ/t 0.34t 2.0t / 0.45t
1.2 PI PID 0.2t 0.15t 0.78τ/t 1.0τ/t 3.6t 1.9t / 0.55t
1.5 PI PID 0.50t 0.34t 0.68τ/t 0.85τ/t 3.9t 1.62t / 0.65t
2.0 PI PID 0.8t 0.6t 0.57τ/t 0.6τ/t 4.2t 1.5t / t
2.3.2 经验法
在实际工作过程中，由于被调对象的动态特性不是很容易确定，即使确定了，不仅计算困难，工作量大，往往其结果与实际相差较大，甚至事倍功半。因此，在实际生产过程中采用的是经验法。即根据各调节作用的规律，经过闭环试验，反复凑试，找出最佳调节参数。微机调速器参数最终要在现场试验好后，才能选出最优参数。厂家有规定的参考值，有一个范围，是理论计算出来的。因此要选择出最优参数，就必须在生产现场进行试验做记录曲线后方能得到。
2.3.3 凑试法确定PID调节参数 凑试法是通过模拟（或闭环）运行观察系统的响应（例如，阶跃响应）曲线，然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID的调节参数。增大比例系数Kp
一般将加快系统的响应，这有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使
稳定性变坏。增大式（2-2）中的Td有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但对于干扰信号的抑制能力将减弱。在凑试时，可参考以上参数分析控制过程的影响趋势，对参数进行先比例，后积分，再微分的整定步骤。其具体步骤如下：
首先整定比例部分。将比例系数由小调大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差小到允许的范围之内，并且响应曲线已属满意，那么只需要用比例调节