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PID参数如何设定调节

1、开环控制系统(open-loop control system)

　　开环控制系统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。

2、闭环控制系统(closed-loop control system)

闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈(Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，就是一个闭环控制系统。

3、阶跃响应

阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后﹐系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的﹔准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来(Steady-state error) 描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差﹔快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。

4、PID控制的原理和特点

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）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。

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。

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。

5、PID控制器的参数整定

PID控制器参数的整定步骤：

(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。

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，从而调整大小。

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：

　　温度T: P=20-60% T=180-600s D=3-180s

　　液位L: P=20-80% T=60-300s

　　流量L: P=40-100% T=6-60s

6、常用口诀：

参数整定找最佳，从小到大顺序查

　　先是比例后积分，最后再把微分加

　　曲线振荡很频繁，比例度盘要放大

　　曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳

　　曲线偏离回复慢，积分时间往下降

　　曲线波动周期长，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4比1

　　一看二调多分析，调节质量不会低

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泛的应用。

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。

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。

7、PID调节方法

P参数设置：如不能肯定比例调节系数P应为多少，请把P参数先设置大些（如30%），以避免开机出现超调和振荡，运行后视响应情况再逐步调小，以加强比例作用的效果，提高系统响应的快速性，以既能快速响应，又不出现超调或振荡为最佳。

I参数设置：如不能肯定积分时间参数I应为多少，请先把I参数设置大些（如1800秒），(I> 3600时，积分作用去除)系统投运后先把P参数调好，尔后再把I参数逐步往小调，观察系统响应，以系统能快速消除静差进入稳态，而不出现超调振荡为最佳。

D参数设置：如不能肯定微分时间参数D应为多少，请先把D参数设置为O，即去除微分作用，系统投运后先调好P参数和I参数，P、I确定后,再逐步增加D参数,加微分作用，以改善系统响应的快速性，以系统不出现振荡为最佳，（多数系统可不加微分作用）。

PID参数的整定就是合理的选择PID三参数。从系统的稳定性、响应速度，超调量和稳态精度等各方面考虑问题，三参数的作用如下：

1、比例（P）参数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。

随着KP的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。KP取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。

2、积分（I）作用参数Ti的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。

Ti越大系统的稳态误差消除的越快，但Ti也不能过大，否则在响应过程的初期会产生积分饱和现象。若Ti过小，系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。另外在控制系统的前向通道中只要有积分环节总能做到稳态无静差。从相位的角度来看一个积分环节就有90°的相位延迟，也许会破坏系统的稳定性。

3、微分（D）作用参数Td的作用是改善系统的动态性能，其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但Ti不能过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节时间，并且会降低系统的抗干扰性能。

8、“试凑法”设置PID参数的建议步骤：

1、把Ti(I)与Td(D)设为0，不要积分与微分；

2、把Kp(P)值从0开始慢慢增大，观察压力的反应速度是否在你的要求内；

3、当压力的反应速度达到你的要求，停止增大Kp(P)值；

4、在该Kp(P)值的基础上减少10%；

5、把Ti(I)值从0开始慢慢增大；

6、当压力开始波动，停止增大Ti(I)值；

7、在该Ti(I)值的基础上减少10%；

8、把Td(D)值从0开始慢慢增大，观察压力的反应速度是否在你的要求内；

9、备注

PID是误差控制

评价一个控制系统是否优越，有三个指标：快、稳、准。

快 ---- 就是要使压力能快速地达到“命令值”（不知道你的系统要求多少时间）

稳 ---- 就是要压力稳定不波动或波动量小（不知道你的系统允许多大波动）

准 ---- 就是要求“命令值”与“输出值”之间的误差e小（不知道你的系统允许多大误差

要求“快”的话，可以增大Kp、Ti值

要求“准”的话，可以增大Ti值

要求“稳”的话，可以增大Td值,可以减少压力波动

调整PID参数有两种方法：仿真法和试凑法

比例调节：它依据“偏差大小”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P来表示其作用的大小。P越小，调节作用越强、比例作用太强时，会引起震荡。

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，只有当余差完全消除时，积分作用才停止。其实质就是消除余差。但积分作用使最大超调量增大，延长了调节时间。积分时间Ti表示其作用的强弱，Ti越小，积分作用越强，积分作用太强时，也容易引起震荡。

微分调节：它根据“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，对滞后大的系统有很好的效果。使调节过程超调量减少，时间缩短，余差也减小，但不能消除余差。用微分时间Td表示其作用的强弱，Td大，作用强，Td太大，会引起震荡。

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