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?