儀控君帶你讀懂PID整定口訣!
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參數(shù)整定找zui佳,從小到大順序查 先是比例后積分,zui后再把微分加 曲線振蕩很頻繁,比例度盤要放大 曲線漂浮繞大灣,比例度盤往小扳 曲線偏離回復(fù)慢,積分時(shí)間往下降 曲線波動(dòng)周期長(zhǎng),積分時(shí)間再加長(zhǎng) 曲線振蕩頻率快,先把微分降下來 動(dòng)差大來波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng) 理想曲線兩個(gè)波,前高后低4比1 一看二調(diào)多分析,調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低。 大家讀著上面的口訣是不是很熟悉?!沒錯(cuò),這就是網(wǎng)上在流傳的PID參數(shù)整定口訣!至于它是什么時(shí)候開始在網(wǎng)上流傳的,不太清楚。
再看下面一段: 參數(shù)整定尋zui佳,從大到小順次查。 先是比例后積分,zui后再把微分加。 曲線振蕩很頻繁,比例度盤要放大。 曲線漂浮繞大彎,比例度盤往小扳。 曲線偏離回復(fù)慢,積分時(shí)間往下降。 曲線波動(dòng)周期長(zhǎng),積分時(shí)間再加長(zhǎng)。 理想曲線兩個(gè)波,調(diào)節(jié)過程高質(zhì)量。
這是一首用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行PID參數(shù)工程整定的口訣,該口訣流傳至今已有幾十年了!其zui早出現(xiàn)在1973年11月出版的《化工自動(dòng)化》一書中。現(xiàn)在網(wǎng)上流傳的口訣,看來大多是以該口訣作為藍(lán)本進(jìn)行了補(bǔ)充和改編而來的。如:“ 曲線振蕩頻率快,先把微分降下來,動(dòng)差大來波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)。”還有的加了:“ 理想曲線兩個(gè)波,前高后低4比1,一看二調(diào)多分析,調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低。”等等。 那位高工說了,你開場(chǎng)給我整兩篇口訣干嘛使?今天咱要聊的,就是結(jié)合這兩首口訣,進(jìn)行一些淺析。 控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、整定和運(yùn)行中,衡量系統(tǒng)質(zhì)量的依據(jù)就是系統(tǒng)的過渡過程。當(dāng)系統(tǒng)的輸入為階躍變化時(shí),系統(tǒng)的過渡過程表現(xiàn)有:發(fā)散振蕩、等幅振蕩、衰減振蕩、單調(diào)過程等形式。在多數(shù)情況下,我們都希望得到衰減振蕩的過渡過程,且認(rèn)為如圖1所示的過渡過程zui好,并把它作為衡量控制系統(tǒng)質(zhì)量的依據(jù)。
選用該曲線作為控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的理由是:它di一次回復(fù)到給定值較快,以后雖然又偏離了,但偏離不大,并且只有極少數(shù)幾次振蕩就穩(wěn)定下來了。定量的看,di一個(gè)波峰B的高度是**個(gè)波峰B'高度的4倍,所以這種曲線又叫做4:1衰減曲線。在調(diào)節(jié)器工程整定時(shí),以能得到4:1的衰減過渡過程為zui好,這時(shí)的調(diào)節(jié)器參數(shù)可叫zui佳參數(shù)。 先談?wù)効谠E“參數(shù)整定尋zui佳,從大到小順次查。”中的zui佳參數(shù)問題,很多儀表工都有這樣的體會(huì),在現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)節(jié)器工程參數(shù)整定中,如果只按4:1衰減比進(jìn)行整定,那么可以有很多對(duì)的比例度和積分時(shí)間同樣能滿足4:1的衰減比,但是這些對(duì)的數(shù)值并不是任意的組合,而是成對(duì)的,一定的比例度必須與一定的積分時(shí)間組成一對(duì),才能滿足衰減比的條件,改變其中之一,另一個(gè)也要隨之改變。因?yàn)槭浅蓪?duì)出現(xiàn)的,所以才有調(diào)節(jié)器參數(shù)的“匹配”問題。而dlr在實(shí)際應(yīng)用中只有增加一個(gè)附加條件,才能從多對(duì)數(shù)值中選出一對(duì)適合的值。這一對(duì)適合的值通常稱為“zui佳整定值”。 “從大到小順次查”中“查”的意思就是找到調(diào)節(jié)器參數(shù)的zui佳匹配值。而“從大到小順次查”是說在具體操作時(shí),先把比例度、積分時(shí)間放至zui大位置,把微分時(shí)間調(diào)至零。因?yàn)槲覀冃枰氖撬p振蕩的過渡過程,并避免出現(xiàn)其它的振蕩過程,在整定初期,把比例度放至zui大位置,目的是減小調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。而積分放至zui大位置,目的是先把積分作用取消。把微分時(shí)間調(diào)至零也是把微分作用取消了。“從大到小……”就是從大到小改變比例度或積分時(shí)間刻度,實(shí)質(zhì)是慢慢的增加比例作用或積分作用的放大倍數(shù)。也就是慢慢的增加比例或積分作用的影響,避免系統(tǒng)出現(xiàn)大的振蕩。zui后再根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況決定是否使用微分作用。 “先是比例后積分,zui后再把微分加。”是經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟。比例作用是zui基本的調(diào)節(jié)作用,口訣說的:“先是比例后積分”,目的是簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定,即先把積分作用取消和弱化,待系統(tǒng)較穩(wěn)定后再投運(yùn)積分作用。尤其是新安裝的控制系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)特性不了解時(shí),我們要做的就是先把積分作用取消,待調(diào)整好比例度,使控制系統(tǒng)大致穩(wěn)定以后,再加入積分作用。對(duì)于比例控制系統(tǒng),如果規(guī)定4:1的衰減過渡過程,則只有一個(gè)比例度能滿足這一規(guī)定,而其它的任何比例度都不可能使過渡過程的衰減比為4:1。因此,對(duì)比例控制系統(tǒng)只要找到能滿足4:1衰減比時(shí)的比例度就行了。 在調(diào)好比例控制的基礎(chǔ)上再加入積分作用,但積分會(huì)降低過渡過程的衰減比,則系統(tǒng)的穩(wěn)定程度也會(huì)降低。為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定程度,可增大調(diào)節(jié)器的比例度,即減小調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。這就是我們?cè)谡ㄖ型度敕e分作用后,要把比例度增大約20%的原因。其實(shí)質(zhì)就是個(gè)比例度和積分時(shí)間數(shù)值的匹配問題,在一定范圍內(nèi)比例度的減小,是可以用增加積分時(shí)間的方法來補(bǔ)償?shù)模惨吹奖壤饔煤头e分作用是互為影響的,如果設(shè)置的比例度過大時(shí),即便積分時(shí)間恰當(dāng),系統(tǒng)控制效果仍然會(huì)不佳。 在有的場(chǎng)合,也可不強(qiáng)求以上步驟,而是采取按表-1的經(jīng)驗(yàn)整定法PID參數(shù)湊試范圍一覽表,先把積分、微分時(shí)間選擇好,然后由大到小的改變比例度進(jìn)行湊試,直至調(diào)節(jié)過程曲線滿意為止。積分時(shí)間和微分時(shí)間預(yù)置后用比例度湊試,其體現(xiàn)的是經(jīng)驗(yàn),如果沒有經(jīng)驗(yàn)就成為盲目調(diào)試了。此方法的缺點(diǎn)是當(dāng)同時(shí)使用比例、積分、微分三作用時(shí),不易找到zui合適的整定參數(shù),則反復(fù)的湊試會(huì)費(fèi)很多時(shí)間。
“曲線振蕩很頻繁,比例度盤要放大。”說的是比例度過小時(shí),會(huì)產(chǎn)生周期較短的激烈振蕩,且振蕩衰減很慢,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蔀榘l(fā)散振蕩,如圖2所示。這時(shí)就要調(diào)大比例度,使曲線平緩下來。 “ 曲線漂浮繞大彎,比例度盤往小扳。”說的是比例度過大時(shí)會(huì)使過渡時(shí)間過長(zhǎng),使被調(diào)參數(shù)變化緩慢,即記錄曲線偏離給定值幅值較大,時(shí)間較長(zhǎng),這時(shí)曲線波動(dòng)較大且變化無規(guī)則,形狀像繞大彎式的變化,如圖3所示。dlr這時(shí)就要減小比例度,使余差盡量小。
“曲線偏離回復(fù)慢,積分時(shí)間往下降。曲線波動(dòng)周期長(zhǎng),積分時(shí)間再加長(zhǎng)。”說的是積分作用的整定方法。當(dāng)積分時(shí)間太長(zhǎng)時(shí),會(huì)使曲線非周期地慢慢地回復(fù)到給定值,即“曲線偏離回復(fù)慢”,如圖2-4所示。則應(yīng)減少積分時(shí)間。當(dāng)積分時(shí)間太短時(shí),會(huì)使曲線振蕩周期較長(zhǎng),且衰減很慢,即“曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)”,如圖4所示。則應(yīng)加長(zhǎng)積分時(shí)間。 調(diào)節(jié)器的參數(shù)按比例積分作用整定好后,可在積分時(shí)間的0.2~0.5倍范圍內(nèi)來調(diào)整微分時(shí)間。即“zui后再把微分加。”由于微分作用會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,故采用微分作用后,調(diào)節(jié)器的比例度可以再增大一些,一般以增大20%為宜。微分作用主要用于滯后和慣性較大的場(chǎng)合,由于微分作用具有超前調(diào)節(jié)的功能,當(dāng)系統(tǒng)有較大滯后或較大慣性的情況下,才應(yīng)啟用微分作用。
為方便理解幾十年前的口訣,對(duì)有關(guān)問題談點(diǎn)看法。 1、關(guān)于比例度盤 口訣是儀表工實(shí)際工作的總結(jié),但由于歷史的原因,當(dāng)時(shí)儀表工所接觸的大多是氣動(dòng)調(diào)節(jié)儀表,zui早的是04型基地式氣動(dòng)調(diào)節(jié)儀表,后來是氣動(dòng)單元組合儀表,七十年代初期電動(dòng)儀表在工廠的應(yīng)用也是很有限的。氣動(dòng)儀表調(diào)比例度就是改變一個(gè)針形閥門的開度,為便于觀察閥門的開度,閥門手柄上有個(gè)等分刻度盤;電動(dòng)儀表調(diào)的是電位器,同樣也有一個(gè)等分刻度盤;這就是口訣中說的:“比例度盤”。 2、過程曲線的觀察 經(jīng)驗(yàn)法的實(shí)質(zhì)就是看曲線,調(diào)參數(shù)。現(xiàn)在使用的DCS 功能強(qiáng)大,想觀察什么曲線就可觀察什么曲線,只要把測(cè)點(diǎn)引入DCS即可,非常的方便。但是在幾十年前由于條件所限,如七十年代用得zui多的是氣動(dòng)三針記錄儀,還有電子電位差計(jì)記錄儀。口訣中所說過程曲線,大多指儀表的記錄曲線,而且要設(shè)置較快的走紙速度和選擇合適的量程,才有可能較好的觀察到記錄曲線。但有的對(duì)象由于調(diào)節(jié)過程較快,從記錄曲線讀出衰減過渡過程是很困難的,只能憑經(jīng)驗(yàn)觀察,如調(diào)節(jié)器的風(fēng)壓或電流來回波動(dòng)兩次就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),就可認(rèn)為是n:1的衰減過渡過程。故口訣中所說的過程曲線,是形象化、直觀化、被放大了的曲線,其目的是為了便于理解。 3、振蕩周期和頻率 過渡過程從一個(gè)波峰到**個(gè)波峰之間的時(shí)間叫周期,一個(gè)振蕩周期是360O;其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的條件下,周期與過渡時(shí)間成正比,通常希望周期短一些為好,但各種被控對(duì)象的振蕩周期相差是很大的,而周期的長(zhǎng)短取決于所整定的對(duì)象,及不同的整定參數(shù)。口訣所說的“理想曲線兩個(gè)波”,指的是在過渡時(shí)間內(nèi)被調(diào)參數(shù)振蕩的次數(shù),如果說過渡過程振蕩兩次就能穩(wěn)定下來,這就是很好的過渡過程。引入振蕩周期和頻率的概念是為了理論上分析問題的方便,與交流電的波形和頻率相比,兩者差別是很大的;過程控制的振蕩周期是極緩慢的,大多長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘,而所謂的頻率看到的也僅只是很慢的波動(dòng)次數(shù)而已。 4、關(guān)于衰減 在多數(shù)情況下,都希望得到衰減振蕩的過渡過程,而恒量衰減程度的指標(biāo)是衰減比,即圖1中 B與B' 兩峰值的比,通常表示為n:1, 一般n在4~10之間較妥。口訣中說4:1的衰減過渡過程好,是如何定出來的?這其實(shí)是工藝操作人員多年的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。因?yàn)樵谏a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)投用自控系統(tǒng)的時(shí)候,被控工藝參數(shù)在受到干擾和調(diào)節(jié)器的校正后,能比較快的達(dá)到一個(gè)高峰值,然后又馬上下降并較快的達(dá)到一個(gè)低峰值,如果工藝操作人員看到這樣的曲線,心里就比較踏實(shí),他知道被調(diào)工藝參數(shù)再振蕩幾次就會(huì)穩(wěn)定下來了,是不會(huì)出現(xiàn)大的超調(diào)現(xiàn)象的。但是如果過渡過程是非振蕩的過程,則工藝操作人員在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)只看到過程曲線在一直上升或下降,操作人員害怕出事故的心理,就會(huì)促使他調(diào)動(dòng)相應(yīng)的閥門改變工藝物料的大小以求指標(biāo)穩(wěn)定,由于人為的干擾會(huì)導(dǎo)致被調(diào)參數(shù)大大偏離給定值,這一惡性循環(huán)嚴(yán)重時(shí),可能會(huì)使系統(tǒng)處于不可控制的狀態(tài),所以說選擇衰減振蕩的過渡過程,并規(guī)定衰減比在 4~10:1之間,是根據(jù)工藝操作人員的經(jīng)驗(yàn)而定的。 5、關(guān)于10:1的衰減過程 對(duì)有些控制對(duì)象,用4:1的衰減比感覺振蕩過強(qiáng),這時(shí)可采用10:1的衰減比。但要測(cè)量10:1的衰減周期是很困難的,因?yàn)榛究床怀鰜?*個(gè)波及波峰,這就是衰減曲線整定法中,為什么只能采取測(cè)量di一個(gè)波峰上升時(shí)間來間接得到衰減周期的原因。 6、zui大偏差與超調(diào)量 zui大偏差表示控制系統(tǒng)偏離給定值的程度,也就是當(dāng)干擾產(chǎn)生,經(jīng)過調(diào)節(jié)待系統(tǒng)穩(wěn)定后,被調(diào)量與給定值的zui大偏差。對(duì)于衰減振蕩的過渡過程,zui大偏差就是di一個(gè)波的峰值,即圖1中的A。一個(gè)整定好的調(diào)節(jié)系統(tǒng),一般di一個(gè)波波動(dòng)zui大,經(jīng)一大一小兩個(gè)波后,就應(yīng)趨于穩(wěn)定了。如果不能穩(wěn)定就談不上調(diào)節(jié)質(zhì)量,也就無所謂zui大偏差了。 有時(shí)也用超調(diào)量來表示被控參數(shù)的偏離程度,超調(diào)量是衡量被控參數(shù)在過渡過程中振蕩超出zui終靜態(tài)值的程度,即圖1中的B。在實(shí)際應(yīng)用中,超調(diào)量大多是使用余差的百分?jǐn)?shù)來表示,即圖1中的B/C*100%。 7、大和小的順序問題 70年代的口訣說的是:“從大到小順次查”,由于我們需要的是衰減振蕩的過渡過程,并避免出現(xiàn)其它的振蕩過程,為了穩(wěn)重在整定的初期,把比例度放至zui大位置,目的是減小調(diào)節(jié)器的比例作用。而積分放至zui大位置,目的是先把積分作用取消。把微分時(shí)間調(diào)至零也是把微分作用取消了。“從大到小順次查”就是從大到小改變比例度或積分時(shí)間刻度,實(shí)質(zhì)是慢慢的增加比例作用或積分作用的放大倍數(shù)。顯然這符合國(guó)內(nèi)習(xí)慣的叫法。 而網(wǎng)上流行的口訣說的是:“從小到大順次查”,與原來口訣相比,大、小順序作了改變,是否受了引進(jìn)儀表的影響?因?yàn)椋芏嘁M(jìn)儀表對(duì)比例作用的大小,是用比例增益定義的,對(duì)積分時(shí)間的大小,有的是用積分增益定義的。“從小到大順次查”理解為從小到大增加比例作用或積分作用的增益。且也符合進(jìn)口儀表的叫法。
看來兩種說法的調(diào)整效果是一樣的;但接下來的幾句又沒有作相應(yīng)的改動(dòng),這就與“從小到大順次查”有矛盾了。“曲線振蕩很頻繁,比例度盤要放大。曲線漂浮繞大彎,比例度盤往小扳。”如果用的是比例增益的定義,則不應(yīng)出現(xiàn)比例度,應(yīng)該是用“比例增益”才可做到前后呼應(yīng)。即操作時(shí)應(yīng)該是: 曲線振蕩很頻繁,比例增益往小調(diào)。曲線漂浮繞大彎,比例增益往大調(diào)。綜合來看“從小到大順次查”是否是筆誤了? |