1、#*PID参数的整定方法第一节：PID 的含义一 控制论的发展，PID 的产生。1. 自动控制，又称自动调节，自十九世纪产生以来，其历史也就短短的一百多年。一百年来，尤其在工程控制领域，自动控制得到了极其普遍的应用，取得了辉煌的效果。毫不夸张地说：如果没有自动控制，我们的社会就不可能发展到现在这个地步。而大学中增加自动控制专业的历史也非常短，是有数学专业转化而来。（本人就是自动控制专业毕业的）2负反馈：在自动控制的研究过程中，提出了一个重要概念：负反馈。咱们搞自动控制的都知道，一个控制系统中，负反馈回路可以使得系统稳定，正反馈使得系统发散。负反馈理论应用非常广泛。不只工业控制使用负反馈，大到国
2、家宏观调控，中到商业管理，小到个人的行为，角角落落，无不出现负反馈的身影。负反馈过量，就是控制过度，会使得系统发生震荡。控制过度其实就是比例带过小。负反馈是不是过量，也跟比例带的设置有关系。3稳定性：负反馈的方法有了，但是怎样界定震荡与不震荡，是否控制过度呢，1932 年美国通信工程师 H.奈奎斯特发现电子电路中负反馈放大器的稳定性条件，即著名的奈奎斯特稳定判据。从此有了判断设计的控制系统是否稳定的手段。4. 中国人在自动控制领域的贡献工程控制论，作者钱学森。他在闲暇时（因新中国建立，他想回国，美国人就不准其接触核心科学）写出的在工程控制领域具有里程碑式的一本书。#*二PID 是什么？1 调节
3、器：执行机构好比人手脚，本控制量好比人的眼睛和感知器官，而调节器就是人的大脑，它是一个控制系统的核心。基本的调节器具有两个输入量：被调量和设定值。被调量就是反映被调节对象的实际波动的量值。比如水位温度压力等等；设定值顾名思义，是人们设定的值，也就是人们期望被调量需要达到的值。基本的调节器至少有一个模拟量输出。大脑根据情况运算之后要发布命令了，它发布一个精确的命令让执行机构去按照它的要求动作。事实上，为了描述方便，大家习惯上更精简为两个量：输入偏差和输出指令。2 什么是 PIDP就是比例，就是输入偏差乘以一个系数；I就是积分，就是对输入偏差进行积分运算； D就是微分，对输入偏差进行微分运算。至于
4、是谁发明的 PID控制方法，不得而知，但确实是一个天才。3 日常生活中的 PID应用在日常生活中，人们不自觉的会应用到 PID控制思想，只是没有上升到理论高度。比方说桌子上放个物体，样子像块金属。你心里会觉得这个物体比较重，就用较大力量去拿，可是这个东西其实是木头做的，外观被加工成了金属的样子。手一下子“拿空了”，用力过猛，这是怎么回事？比例作用太强了。导致你的大脑发出指令，让你的手输出较大的力矩，导致“过调”。还是那个桌子，还放着一块相同样子的东西，这一次你会用较小的力量去拿。可是东西纹丝不动。怎么回事？原来这个东西确确实实是金属做的。刚才你调整小了比例作用，导致比例作用过弱。#*导致你的大
5、脑发出指令，命令你的手输出较小的力矩，导致“欠调”。还是那个桌子，第三块东西样子跟前两块相同，这一次你一定会小心点了，开始力量比较小，感觉物体比较沉重了，再逐渐增加力量，最终顺利拿起这个东西。为什么顺利了呢？因为这时候你不仅使用了比例作用，还使用了积分作用，根据你使用的力量和物体重量之间的偏差，逐渐增加手的输出力量，直到拿起物品以后，你增加力量的趋势才得以停止。4 PID 整定口诀相信大家在学习过程中都见过下面这 PID参数的整定口诀：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。曲线漂浮绕大弯， 比例度盘往小扳。曲线偏离回复慢， 积分时
6、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， 前高后低四比一。一看二调多分析， 调节质量不会低。可是，对于一个初学者来说，如果没有具体的实例，还是不能判断怎么算绕大弯，怎么叫做快怎么叫做慢。咱们看看“曲线波动周期长， 积分时间再加长。”这句话。要单纯理解这句话很不容易。它的本意是说：被调量波动不能稳定且周期较长，说明积分作用过强，需要将积分时间加长。可积分时间是否过长，不是单纯看被调量的波动状况就能判断出来的。尤其是多冲量复杂调节系统，同样#*被调量的曲线形状，不能唯一断定是某一种因素所致，我们需要把输出曲线放
7、在一起综合衡量。5 PID 的工程整定方法：其实这个方法已经被大家所熟知，并由 PID优化软件进行实现。浅白一点说，就是先把系统调为纯比例作用，然后增强比例作用让系统震荡，记录下比例作用和震荡周期，然后这个比例作用乘以0.6，积分作用适当延长。公式表达如下： 4 为比例控制参数为微分控制参数为积分控制参数为系统开始振荡时的比例值； 为极坐标下振荡时的频率这个方法只是提供一个大致的思路，具体情况要复杂得多。6 PID 的不足PID控制法已经当之无愧的成了经典控制方法。我们在控制理论中都会进行大篇幅的讲述，在我们电厂热力系统的控制中，绝大部分都采用 PID控制方法，我们要讲的，也就是这种经典的 P
8、ID控制。可是对于大迟延的系统，或者是多输入多输出的强耦合系统，PID控制往往就变得无能为力了，不能取得良好的控制效果。三现代控制理论介绍在 PID调节诞生后，取得了很好的应用效果。PID 调节迅速普及。但是，正如上面所述的，现实总是复杂的。有些系统是 PID应#*付不了的。这就是现代控制理论的形成的原因。下面介绍几种常用的现代控制思想1 神经网络控制 总的来说，神经网络控制是模拟生物感知控制。它将每个信号进行加权运算和小信号切除后，进行层运算，最终多路输出。并行计算、分步信息储存、容错能力强是它突出的优点。2 模糊控制 模糊控制诞生于 1965年。创始人是美国人（又是美国！）模糊控制叫做 F
9、uzzy控制，是将精确量模糊化， 根据隶属度进行控制策略的选取，因为模糊控制对精细调节的优势不明显，后来又诞生了模糊+PID 控制。3 小波理论#*第二节 PID 的参数整定一几个基本概念1. 单回路：就是指自动调节系统只含有一个 PID的调节系统。 2. 串级：一个 PID不够用怎么办？把两个 PID串接起来，第一个 PID的输出作为第二个 PID的设定值，形成一个串级调节系统。又叫双回路调节系统。 3. 正作用：对于 PID调节器来说，输出随着被调量增高而增高，降低而降低的作用，叫做正作用。比方说一个水池有一个进水口和一个出水口，进水量固定不变，依靠调节出水口的水量调节水池水位。那么水位如
10、果高了，就需要调节出水量增大， 4. 负作用：对于 PID调节器来说，输出随着被调量的增高而降低的作用叫做负作用。还是这个水池，我们把出水量固定不变，而依靠调节进水量来调节水池水位。那么如果水池水位增高，就需要关小进水量。5. 动态偏差：在调节过程中，被调量和设定值之间的偏差随时改变，任意时刻两者之间的偏差叫做动态偏差。简称动差。 6. 静态偏差：调解趋于稳定之后，被调量和设定值之间还存在的偏差叫做静态偏差。简称静差。 7. 回调：调节器调节作用显现，使得被调量开始由上升变为下降，或者由下降变为上升。二PID 参数调整要观察的曲线#*现在 DCS在电厂控制领域很普及，曲线功能很强大，想收集什么
11、曲线就收集什么曲线，投自动至少要观察以下曲线。1、设定值。作为比较判断依据；2、被调量波动曲线。3、PID 输出。就这么简单。如果是串级调节系统，我们还要收集：4、副调的被调量曲线；5、PID 输出曲线。三PID 控制作用的特性分析为今后曲线分析方便，我们把 PID的作用人为分开，单独进行分析1. P比例作用曲线的特征分析所谓的 P，就是比例作用，就是把调节器的输入偏差乘以一个系数，作为调节器的输出。一般来说，设定值不会经常改变，那就是说：当设定值不变的时候，调节器的输出只与被调量的波动有关。那么我们可以基本上得出如下一个概念性公式： 输出波动=被调量波动*比例增益 通过概念性公式，我们可以得
12、到如下结论，对于一个单回路调节系统，单纯的比例作用下： 输出的波形与被调量的波形完全相似。一句话简述：被调量变化多少，输出乘以比例系数就变化多少。 P - 比例作用下被调量曲线的几点推论： （1） 对于正作用的调节系统，顶点、谷底均发生在同一时刻。（2） 对于正作用的调节系统，被调量的曲线上升，输出曲线就上升；被调量曲线下降，输出曲线就下降。两者趋势完全一样。 （3） 对于负作用的调节系统，被调量曲线和输出曲线相对。 （4） 波动周期完全一致。 （5） 只要被调量变化，输出就变化；被调量不变化，不管静态偏差有多大，输出也不会变化。上面 5条推论很重要，请大家牢牢记住。只有熟练掌握这些，才真正能
13、够判断 PID的影响。#*对于一些最简单的有自平衡能力的调节系统，比如水池水位，就可以用一个单纯的比例调节系统完成调节。2. I - 纯积分作用曲线的特征分析I就是积分作用。积分相当于一个斜率发生器。启动这个发生器的前提是调节器的输入偏差不等于零，斜率的大小与两个参数有关：输入偏差的大小、积分时间。在许多调节系统中，规定单纯的积分作用是不存在的。它必须要和比例作用配合在一起使用才有意义。为了分析方便，咱们把积分作用剥离开来，对其作单纯的分析。那么单纯积分作用的特性总结如下：（1）输出的升降与被调量的升降无关，与输入偏差的正负有关。（2）输出的升降与被调量的大小无关。（3）输出的斜率与被调量的大
14、小有关。（4）被调量不管怎么变化，输出始终不会出现阶跃扰动。（5）被调量达到顶点的时候，输出的变化趋势不变，速率开始减缓。（6）输出曲线达到顶点的时候，必然是输入偏差等于零的时候。积分作用下的调节曲线因输出的响应较比例作用不明显，故被调量开始变化的时刻t2，较比例作用缓慢。在 t1到 t2的时间内，因为被调量不变，即输入偏差不变，所以输出以不变的速率上升，即呈线性上升。调节器的输出缓慢改变，导致被调量逐渐受到影响而改变。#*在 t2时刻，被调量开始变化时，输入偏差逐渐减小，输出的速率开始降低。到 t3时刻，偏差为 0时，输出不变，输出曲线为水平。然后偏差开始为正时，输出才开始降低。到 t4时刻
15、，被调量达到顶点开始回复，但是因偏差仍旧为正，故输出继续降低只是速率开始减缓。直到 t5时刻，偏差为 0时，输出才重新升高。一般来说，积分作用容易被初学者重视，重视是对的，因为它可以消除静态偏差。可是重视过头了，就会形成积分干扰。3. D - 纯微分作用曲线的特征分析D就是微分作用。单纯的微分作用是不存在的。同积分作用一样，我们之所以要把微分作用单独隔离开来讲，就是为了理解的方便。微分作用的特点一句话简述：被调量不动，输出不动；被调量一动，输出马上跳。微分作用的特点总结如下：（1）微分作用与被调量的大小无关，与被调量的变化速率有关；（2）与被调量的正负无关，与被调量的变化趋势有关；（3）如果被
16、调量有一个阶跃变化，就相当于输入变化的速度无穷大，那么输出会直接到最小或者最大。所以，实际微分都是对幅度有限制的（Kd）。（4）微分参数分为两个：微分增益和微分时间。微分增益表示输出波动的幅度，微分时间表示回归的快慢。合理搭配微分增益和微分时间，会起到让你起初意想不到的效果。比例积分微分三个作用各有各的特点。总结如下：比例作用： 输出与输入曲线相似。积分作用： 只要输入有偏差输出就变化。微分作用： 输入有抖动输出才变化，且会猛烈变化#*4. 比例积分作用的特征曲线分析 比例积分作用，就是在被调量波动的时候，纯比例和纯积分作用的叠加。普通的工程师最容易犯的毛病，就是难以区分波动曲线中，哪些因素是
17、比例作用造成的，哪些因素是积分作用造成的。如图所示，定值有阶跃扰动时，比例作用使输出曲线 Tout同时有一个阶跃扰动，同时积分作用使 Tout开始继续增大。t2 时刻后，被调量响应 Tout开始增大。此时比例作用因e 减小而使 Tout开始降低（如图中点划线 Tout()所示）；但是前文说了积分作用与e 的趋势无关，与e 的正负有关，积分作用因e 还在负向，故继续使 Tout增大，只是速率有所减缓。比例作用和积分作用的叠加，决定了 Tout的实际走向，如图 Tout(i)所示。只要比例作用不是无穷大，或是积分作用不为零，从 t2时刻开始，总要有一段时间是积分作用强于比例作用，使得 Tout继续升高。然后持平（t3 时刻），然后降低。 在被调量升到顶峰的 t5时刻，同理，比例作用使Tout也达到顶点（负向），而积分作用使得最终 Tout的顶点向后延时（t6 时刻）。 从上面的分析可以看出：判断 t6时刻的先后，或者说 t6距离 t5的时间，是判断积分作用强弱的标准。 一般来说，积分作用往往被初学者过度重视。因为积分作用造成的超调往往被误读为比例作用的不当。
