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仪控君带你读懂PID整定口诀!

仪控君带你读懂PID整定口诀!

参数整定找zui佳,从小到大顺序查

先是比例后积分,zui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。

大家读着上面的口诀是不是很熟悉?!没错,这就是网上在流传的PID参数整定口诀!至于它是什么时候开始在网上流传的,不太清楚。


再看下面一段:

参数整定寻zui佳,从大到小顺次查。

先是比例后积分,zui后再把微分加。

曲线振荡很频繁,比例度盘要放大。

曲线漂浮绕大弯,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。

理想曲线两个波,调节过程高质量。


这是一首用经验法进行PID参数工程整定的口诀,该口诀流传至今已有几十年了!其zui早出现在1973年11月出版的《化工自动化》一书中。现在网上流传的口诀,看来大多是以该口诀作为蓝本进行了补充和改编而来的。如:“ 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。”还有的加了:“ 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。”等等。

那位高工说了,你开场给我整两篇口诀干嘛使?今天咱要聊的,就是结合这两首口诀,进行一些浅析。

控制系统在设计、整定和运行中,衡量系统质量的依据就是系统的过渡过程。当系统的输入为阶跃变化时,系统的过渡过程表现有:发散振荡、等幅振荡、衰减振荡、单调过程等形式。在多数情况下,我们都希望得到衰减振荡的过渡过程,且认为如图1所示的过渡过程zui好,并把它作为衡量控制系统质量的依据。

 

选用该曲线作为控制系统质量指标的理由是:它di一次回复到给定值较快,以后虽然又偏离了,但偏离不大,并且只有极少数几次振荡就稳定下来了。定量的看,di一个波峰B的高度是第二个波峰B'高度的4倍,所以这种曲线又叫做4:1衰减曲线。在调节器工程整定时,以能得到4:1的衰减过渡过程为zui好,这时的调节器参数可叫zui佳参数。

先谈谈口诀“参数整定寻zui佳,从大到小顺次查。”中的zui佳参数问题,很多仪表工都有这样的体会,在现场的调节器工程参数整定中,如果只按4:1衰减比进行整定,那么可以有很多对的比例度和积分时间同样能满足4:1的衰减比,但是这些对的数值并不是任意的组合,而是成对的,一定的比例度必须与一定的积分时间组成一对,才能满足衰减比的条件,改变其中之一,另一个也要随之改变。因为是成对出现的,所以才有调节器参数的“匹配”问题。而dlr在实际应用中只有增加一个附加条件,才能从多对数值中选出一对适合的值。这一对适合的值通常称为“zui佳整定值”。

“从大到小顺次查”中“查”的意思就是找到调节器参数的zui佳匹配值。而“从大到小顺次查”是说在具体操作时,先把比例度、积分时间放至zui大位置,把微分时间调至零。因为我们需要的是衰减振荡的过渡过程,并避免出现其它的振荡过程,在整定初期,把比例度放至zui大位置,目的是减小调节器的放大倍数。而积分放至zui大位置,目的是先把积分作用取消。把微分时间调至零也是把微分作用取消了。“从大到小……”就是从大到小改变比例度或积分时间刻度,实质是慢慢的增加比例作用或积分作用的放大倍数。也就是慢慢的增加比例或积分作用的影响,避免系统出现大的振荡。zui后再根据系统实际情况决定是否使用微分作用。

“先是比例后积分,zui后再把微分加。”是经验法的整定步骤。比例作用是zui基本的调节作用,口诀说的:“先是比例后积分”,目的是简化调节器的参数整定,即先把积分作用取消和弱化,待系统较稳定后再投运积分作用。尤其是新安装的控制系统,对系统特性不了解时,我们要做的就是先把积分作用取消,待调整好比例度,使控制系统大致稳定以后,再加入积分作用。对于比例控制系统,如果规定4:1的衰减过渡过程,则只有一个比例度能满足这一规定,而其它的任何比例度都不可能使过渡过程的衰减比为4:1。因此,对比例控制系统只要找到能满足4:1衰减比时的比例度就行了。

在调好比例控制的基础上再加入积分作用,但积分会降低过渡过程的衰减比,则系统的稳定程度也会降低。为了保持系统的稳定程度,可增大调节器的比例度,即减小调节器的放大倍数。这就是我们在整定中投入积分作用后,要把比例度增大约20%的原因。其实质就是个比例度和积分时间数值的匹配问题,在一定范围内比例度的减小,是可以用增加积分时间的方法来补偿的,但也要看到比例作用和积分作用是互为影响的,如果设置的比例度过大时,即便积分时间恰当,系统控制效果仍然会不佳。

在有的场合,也可不强求以上步骤,而是采取按表-1的经验整定法PID参数凑试范围一览表,先把积分、微分时间选择好,然后由大到小的改变比例度进行凑试,直至调节过程曲线满意为止。积分时间和微分时间预置后用比例度凑试,其体现的是经验,如果没有经验就成为盲目调试了。此方法的缺点是当同时使用比例、积分、微分三作用时,不易找到zui合适的整定参数,则反复的凑试会费很多时间。

 

“曲线振荡很频繁,比例度盘要放大。”说的是比例度过小时,会产生周期较短的激烈振荡,且振荡衰减很慢,严重时甚至会成为发散振荡,如图2所示。这时就要调大比例度,使曲线平缓下来。

“ 曲线漂浮绕大弯,比例度盘往小扳。”说的是比例度过大时会使过渡时间过长,使被调参数变化缓慢,即记录曲线偏离给定值幅值较大,时间较长,这时曲线波动较大且变化无规则,形状像绕大弯式的变化,如图3所示。dlr这时就要减小比例度,使余差尽量小。

 

“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。”说的是积分作用的整定方法。当积分时间太长时,会使曲线非周期地慢慢地回复到给定值,即“曲线偏离回复慢”,如图2-4所示。则应减少积分时间。当积分时间太短时,会使曲线振荡周期较长,且衰减很慢,即“曲线波动周期长”,如图4所示。则应加长积分时间。

调节器的参数按比例积分作用整定好后,可在积分时间的0.2~0.5倍范围内来调整微分时间。即“zui后再把微分加。”由于微分作用会增强系统的稳定性,故采用微分作用后,调节器的比例度可以再增大一些,一般以增大20%为宜。微分作用主要用于滞后和惯性较大的场合,由于微分作用具有超前调节的功能,当系统有较大滞后或较大惯性的情况下,才应启用微分作用。

 

为方便理解几十年前的口诀,对有关问题谈点看法。

1、关于比例度盘

口诀是仪表工实际工作的总结,但由于历史的原因,当时仪表工所接触的大多是气动调节仪表,zui早的是04型基地式气动调节仪表,后来是气动单元组合仪表,七十年代初期电动仪表在工厂的应用也是很有限的。气动仪表调比例度就是改变一个针形阀门的开度,为便于观察阀门的开度,阀门手柄上有个等分刻度盘;电动仪表调的是电位器,同样也有一个等分刻度盘;这就是口诀中说的:“比例度盘”。

2、过程曲线的观察

经验法的实质就是看曲线,调参数。现在使用的DCS 功能强大,想观察什么曲线就可观察什么曲线,只要把测点引入DCS即可,非常的方便。但是在几十年前由于条件所限,如七十年代用得zui多的是气动三针记录仪,还有电子电位差计记录仪。口诀中所说过程曲线,大多指仪表的记录曲线,而且要设置较快的走纸速度和选择合适的量程,才有可能较好的观察到记录曲线。但有的对象由于调节过程较快,从记录曲线读出衰减过渡过程是很困难的,只能凭经验观察,如调节器的风压或电流来回波动两次就达到稳定状态,就可认为是n:1的衰减过渡过程。故口诀中所说的过程曲线,是形象化、直观化、被放大了的曲线,其目的是为了便于理解。

3、振荡周期和频率

过渡过程从一个波峰到第二个波峰之间的时间叫周期,一个振荡周期是360O;其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的条件下,周期与过渡时间成正比,通常希望周期短一些为好,但各种被控对象的振荡周期相差是很大的,而周期的长短取决于所整定的对象,及不同的整定参数。口诀所说的“理想曲线两个波”,指的是在过渡时间内被调参数振荡的次数,如果说过渡过程振荡两次就能稳定下来,这就是很好的过渡过程。引入振荡周期和频率的概念是为了理论上分析问题的方便,与交流电的波形和频率相比,两者差别是很大的;过程控制的振荡周期是极缓慢的,大多长达数分钟至数十分钟,而所谓的频率看到的也仅只是很慢的波动次数而已。

4、关于衰减

在多数情况下,都希望得到衰减振荡的过渡过程,而恒量衰减程度的指标是衰减比,即图1中 B与B' 两峰值的比,通常表示为n:1, 一般n在4~10之间较妥。口诀中说4:1的衰减过渡过程好,是如何定出来的?这其实是工艺操作人员多年的经验总结。因为在生产现场投用自控系统的时候,被控工艺参数在受到干扰和调节器的校正后,能比较快的达到一个高峰值,然后又马上下降并较快的达到一个低峰值,如果工艺操作人员看到这样的曲线,心里就比较踏实,他知道被调工艺参数再振荡几次就会稳定下来了,是不会出现大的超调现象的。但是如果过渡过程是非振荡的过程,则工艺操作人员在较长的时间内只看到过程曲线在一直上升或下降,操作人员害怕出事故的心理,就会促使他调动相应的阀门改变工艺物料的大小以求指标稳定,由于人为的干扰会导致被调参数大大偏离给定值,这一恶性循环严重时,可能会使系统处于不可控制的状态,所以说选择衰减振荡的过渡过程,并规定衰减比在 4~10:1之间,是根据工艺操作人员的经验而定的。

5、关于10:1的衰减过程

对有些控制对象,用4:1的衰减比感觉振荡过强,这时可采用10:1的衰减比。但要测量10:1的衰减周期是很困难的,因为基本看不出来第二个波及波峰,这就是衰减曲线整定法中,为什么只能采取测量di一个波峰上升时间来间接得到衰减周期的原因。

6、zui大偏差与超调量

zui大偏差表示控制系统偏离给定值的程度,也就是当干扰产生,经过调节待系统稳定后,被调量与给定值的zui大偏差。对于衰减振荡的过渡过程,zui大偏差就是di一个波的峰值,即图1中的A。一个整定好的调节系统,一般di一个波波动zui大,经一大一小两个波后,就应趋于稳定了。如果不能稳定就谈不上调节质量,也就无所谓zui大偏差了。

有时也用超调量来表示被控参数的偏离程度,超调量是衡量被控参数在过渡过程中振荡超出zui终静态值的程度,即图1中的B。在实际应用中,超调量大多是使用余差的百分数来表示,即图1中的B/C*100%。

7、大和小的顺序问题

70年代的口诀说的是:“从大到小顺次查”,由于我们需要的是衰减振荡的过渡过程,并避免出现其它的振荡过程,为了稳重在整定的初期,把比例度放至zui大位置,目的是减小调节器的比例作用。而积分放至zui大位置,目的是先把积分作用取消。把微分时间调至零也是把微分作用取消了。“从大到小顺次查”就是从大到小改变比例度或积分时间刻度,实质是慢慢的增加比例作用或积分作用的放大倍数。显然这符合国内习惯的叫法。

而网上流行的口诀说的是:“从小到大顺次查”,与原来口诀相比,大、小顺序作了改变,是否受了引进仪表的影响?因为,很多引进仪表对比例作用的大小,是用比例增益定义的,对积分时间的大小,有的是用积分增益定义的。“从小到大顺次查”理解为从小到大增加比例作用或积分作用的增益。且也符合进口仪表的叫法。

 

看来两种说法的调整效果是一样的;但接下来的几句又没有作相应的改动,这就与“从小到大顺次查”有矛盾了。“曲线振荡很频繁,比例度盘要放大。曲线漂浮绕大弯,比例度盘往小扳。”如果用的是比例增益的定义,则不应出现比例度,应该是用“比例增益”才可做到前后呼应。即操作时应该是: 曲线振荡很频繁,比例增益往小调。曲线漂浮绕大弯,比例增益往大调。综合来看“从小到大顺次查”是否是笔误了?