PID自动控制控制的基础学习知识原理和特点.doc

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1、!-目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制 _Xt/UN 系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口。控制器的输出经过输出接口执行机构加到被控系统上控制系统的被控量经过传感器变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统其传感器变送器执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际

2、中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。 可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现PID 控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以

3、直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。 Tb$)O /F f 1、开环控制系统 M bWby 开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 &KjMw:l UA*We 1 2、闭环控制系统 C&0-Iq L ci? 微分（D）控制 ?Z/0X)| 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会 出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（

4、环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 R|RGoGE6g xl 5wh 5、PID控制器的参数整定 U=TAWZ PID控制器的参

5、数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID Q,.dIPla 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论

6、采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 - k0a(? YHN6/k7H PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整PID的大小。 c_+C-F 24T PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照： NkUY_rKPb 温

7、度T: P=2060%,T=180600s,D=3-180s IYeIHny1 压力P: P=3070%,T=24180s, #IppjaPl8 液位L: P=2080%,T=60300s, MZ)lNU l 流量L: P=40100%,T=660s。 Y3|_& v6 c CjN8 书上的常用口诀： #1yBxB 曲线振荡频率快，先把微分降下来 z3l 动差大来波动慢。微分时间应加长 I418T K 理想曲线两个波，前高后低4比1 eZ-& 一看二调多分析，调节质量不会低 N+HJK 这里介绍一种经验法。这种方法实质上是一种试凑法，它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场中得到了广

8、泛的应用。 Oe4wEYN) .53D97X& 这种方法的基本程序是先根据运行经验，确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运行，然后人为地加入阶跃扰动（如改变调节器的给定值），观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。若认为控制质量不满意，则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。这样反复试验，直到满意为止。 A)#Fyde ;iN du 经验法简单可靠，但需要有一定现场运行经验，整定时易带有主观片面性。当采用PID调节器时，有多个整定参数，反复试凑的次数增多，不易得到最佳整定参数。 /*6Itm_h 下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤： nGDY:nUE 【1】让调节器参数积分

9、系数S0=0，实际微分系数k=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数S1，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。 kR=+ 【2】取比例系数S1为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数S0，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。 YvUV9qps 【3】积分系数S0保持不变，改变比例系数S1，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数S1增大一些，再调整积分系数S0，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数S1和积分系数S0为止。 nbvQ-C 【4】引入适当的实际微分系数k和实际微分时间TD，此时

10、可适当增大比例系数S1和积分系数S0。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。 t#!AfTY$w IR8qFWDZ 注意：仿真系统所采用的PID调节器与传统的工业 PID调节器有所不同，各个参数之间相互隔离，互不影响，因而用其观察调节规律十分方便。 %mSv| I#(?xHx PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温度控制，一般P可在10以上,I=3-10,D=1左右。小惯量如：一个小电机带 XS( Bu KEw5-=i 一水泵进行压力闭环控制，一般只用PI控制。P=1-10,I=0.1-1,D=0,这些要在现场调试时进行修正的。 %y+v0.a

11、WH+ .sZ|j9m 我提供一种增量式PID供大家参考 5_rx$av m U(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2) Lo Od A=Kp(1+T/Ti+Td/T) T9Y rB B=Kp(1+2Td/T) iehD.dH C=KpTd/T I 9sQPa T采样周期 Td微分时间 Ti积分时间 cE*d(g 用上面的算法可以构造自己的PID算法。 On%p|s)H U（K）=U（K-1）+U（K） u;kJ lCyH(c% 使用FB41进行PID调整的说明 n 8:3 FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量，与FB42的差别在于后者是离散型的，用于控制开关量，其他

12、二者的使用方法和许多参数都相同或相似。 O-n JuZJgX PID的初始化可以通过在OB100中调用一次，将参数COM-RST置位，当然也可在别的地方初始化它，关键的是要控制COM-RST； (JT 273 PID的调用可以在OB35中完成，一般设置时间为200MS， 9:TWvd 一定要结合帮助文档中的PID框图研究以下的参数，可以起到事半功倍的效果 tcJNN 以下将重要参数用黑体标明.如果你比较懒一点，只需重点关注黑体字的参数就可以了。其他的可以使用默认参数。 QVkrhwp A：所有的输入参数： di37 COM_RST: BOOL: 重新启动PID：当该位TURE时：PID执行重启

13、动功能，复位PID内部参数到默认值；通常在系统重启动时执行一个扫描周期，或在PID进入饱和状态需要退出时用这个位； MQQi2:& MAN_ON： BOOL：手动值ON；当该位为TURE时，PID功能块直接将MAN的值输出到LMN，这可以在PID框图中看到；也就是说，这个位是PID的手动/自动切换位； T_fMjdI PEPER_ON： BOOL：过程变量外围值ON：过程变量即反馈量，此PID可直接使用过程变量PIW（不推荐），也可使用 PIW规格化后的值（常用），因此，这个位为FALSE； plM:7#eA P_SEL： BOOL：比例选择位：该位ON时，选择P（比例）控制有效；一般选择有效

14、； p3WD I_SEL： BOOL：积分选择位；该位ON时，选择I（积分）控制有效；一般选择有效； 95njEt INT_HOLD BOOL：积分保持，不去设置它； 1o?uf ,H7O I_ITL_ON BOOL：积分初值有效，I-ITLVAL（积分初值）变量和这个位对应，当此位ON时，则使用I-ITLVAL变量积分初值。一般当发现PID功能的积分值增长比较慢或系统反应不够时可以考虑使用积分初值； e/4Pt D_SEL ： BOOL：微分选择位，该位ON时，选择D（微分）控制有效；一般的控制系统不用； h=B= J CYCLE ： TIME：PID采样周期，一般设为200MS； J;_%

15、-Z SP_INT： REAL：PID的给定值； t8wO+4 PV_IN ： REAL：PID的反馈值（也称过程变量）； gyuBmY PV_PER： WORD：未经规格化的反馈值，由PEPER-ON选择有效；（不推荐） pL*&X MAN ： REAL：手动值，由MAN-ON选择有效； gU1Pb GAIN ： REAL：比例增益； F7b!R TI ： TIME：积分时间； Fu 5c_! TD ： TIME：微分时间； $tejxZK TM_LAG： TIME：我也不知道，没用过它，和微分有关； :U+HQll DEADB_W： REAL：死区宽度；如果输出在平衡点附近微小幅度振荡，可

16、以考虑用死区来降低灵敏度； # 1dg% LMN_HLM： REAL：PID上极限，一般是100%； _*MK LMN_LLM： REAL：PID下极限；一般为0%，如果需要双极性调节，则需设置为-100%；（正负10V输出就是典型的双极性输出，此时需要设置-100%）； 2=/-,kOL_ PV_FAC： REAL：过程变量比例因子 c|Rpzs PV_OFF： REAL：过程变量偏置值（OFFSET） gY8$Rk % LMN_FAC： REAL：PID输出值比例因子； C511 hbF LMN_OFF： REAL：PID输出值偏置值（OFFSET）； cv G*p| I_ITLVAL：R

17、EAL：PID的积分初值；有I-ITL-ON选择有效； E&eY79 DISV ：REAL：允许的扰动量，前馈控制加入，一般不设置； b?c/J me B：部分输出参数说明： YVF fi LMN ：REAL：PID输出； Jv+w& LMN_P ：REAL：PID输出中P的分量；（可用于在调试过程中观察效果） n3 #69VY LMN_I ：REAL：PID输出中I的分量；（可用于在调试过程中观察效果） -z0;4O (K LMN_D ：REAL：PID输出中D的分量；（可用于在调试过程中观察效果） a4*976! C：规格化概念及方法： 1P*hC PID参数中重要的几个变量，给定值，反馈

18、值和输出值都是用0.01.0之间的实数表示， -1RMyVx 而这几个变量在实际中都是来自与模拟输入，或者输出控制模拟量的 t ;or 因此，需要将模拟输出转换为0.01.0的数据，或将0.01.0的数据转换为模拟输出，这个过程称为规格化 yV )fJ_ 规格化的方法：（即变量相对所占整个值域范围内的百分比 对应与27648数字量范围内的量） MkO P9 对于输入和反馈，执行：变量*100/27648，然后将结果传送到PV-IN和SP-INT XSIMATIC-STEP7-PID调整”打开PID调整的控制面板，通过选择不同的PID背景数据块，调整不同回路的PID参数。 :Jc PID控制器参

19、数整定的一般方法： = IRot PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类： Q_0+N3 一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改； =wdh# 二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都

20、是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 S3ooG14Ls 现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 kg6q T;Y Iv2-rB&- PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整P、I、D的大小。 z_ $c_J 书上的常用口

21、诀： QPDh!A3T 参数整定找最佳，从小到大顺序查； q2bkcGY# 先是比例后积分，最后再把微分加； I/Vw2 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大； o?v:u* 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳； fZo#:/K 曲线偏离回复慢，积分时间往下降； :snO*Zg 曲线波动周期长，积分时间再加长； &W2n&U.q 曲线振荡频率快，先把微分降下来； ,0Wf.gm 动差大来波动慢。微分时间应加长； .H S6DOQ 理想曲线两个波，前高后低4比1； 53)Mmus 一看二调多分析，调节质量不会低。 AoS7B:T;! 个人认为PID参数的设置的大小，一方面是要根据控制对象的具体情况而定；另

22、一方面是经验。P是解决幅值震荡，P大了会出现幅值震荡的幅度大，但震荡频率小，系统达到稳定时间长；I是解决动作响应的速度快慢的，I大了响应速度慢，反之则快；D是消除静态误差的，一般D设置都比较小，而且对系统影响比较小。 HT;ua PID控制原理： sXv5kZ: 1、比例（P）控制 ：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 YaC%69C 2、积分（I）控制 ：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳

23、态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 |THpkfW 3、微分（D）控制 ：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。