系统仿真运行—PID控制规律及参数整定-河南化工技师学院11 - 张金霞

　　

系统仿真运行—PID控制规律及参数整定

System simulation operation - PID control law and parameter tuning

河南化工技师学院 张金霞 河南省开封市475000

Henan Chemical Technician College Zhang Jinxia 475000 Kaifeng City, Henan Province

电话15194615766 邮箱395799661@qq.com

助理讲师

摘要 PID控制规律是化工仪表自动化课程的一个重点，结合近几年DCS发展到ECS，参数整定越来越多，需要我们对比例度、积分、微分控制规律需要加强理解。

Abstract: PID control law is a key aspect of the chemical instrument automation course. In recent years, with the development of DCS to ECS, parameter tuning has become more and more common. It is necessary for us to strengthen our understanding of comparison, integration, and differentiation control laws.

关键词：控制器、控制规律；课程：过程控制系统

Keywords: controller, control law; Course: Process Control Systems

引言

控制器是过程控制系统的心脏，他在系统中起主导作用，它的作用是将测量变送器的测量值与设定值的相比较，会产生一定的偏差e(∞)，并通过控制器进行运算产出的输出信号，送往执行器[1]。控制器偏差信号e（t）＝x（t）－z（t），控制器的输出信号就是控制阀的输入信号。

PID控制特点原理比较简单，使用起来也非常简单；适应性强，可以用于环境比较恶劣的场合等，常用的控制规律包括比例控制P、积分控制I、微分控制D,目前工业使用的控制规律主要有P、PI、PID三种[1]。

一、控制规律

（一）比例控制规律

比例控制规律指的是控制器输出信号变化与输入信号变化（测量值与设定值的相比较）成比例的关系，即。

KC： 比例增益

ΔU（t）:输出变化量

e（t） :输入变化量

以下公式为比例控制器的传递函数：　　　 　　　　　 　　　

。

给系统一个阶跃，并同时存在偏差的情况下，以下为比例控制器响应的曲线，如图1所示。 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

图1比例控制器的阶跃响应

1. 比例控制特点

比例控制的的最大特点就是反应比较快，控制的非常及时，几乎没有延时。当检测到信号输入的时候，控制器输出信号马上发生变化。

2. 比例度对系统控制质量的影响

控制器的输出值为25为例，进行多组对比可以得到以下分析。比例度数值越大，控制作用非常弱，给阶跃之后，过渡过程曲线比较平缓，我们可以观察图2中的蓝色曲线；比例度数值越小，控制作用就非常大，即在同样的偏差作用下，系统的振荡程度加剧了许多，如图3；当比例度n继续减小到一定数值的时候，过渡曲线可能会出现等幅振荡，这时称之为临界比例度，如图4；如果比例度继续变小，继而过渡曲线会发散振荡，这时的系统就无法得到控制，在企业中是非常危险[1]。

图2

图3

图4

（二）积分控制

1. 积分控制规律

具有积分控制规律的控制器，其积分控制作用的输出变化量Du与输入偏差e(t)的积分成正比，[1]即

式中，KI表示积分速度。

2. 积分控制特点

积分的作用是依据偏差是否存在来动作的，在系统中起着消除余差的作用[1]，积分时间逐渐增大，控制作用逐渐加强，所以积分作用有滞后作用，在阶跃偏差的作用下，积分控制曲线如图6。

图6积分控制器特性

3. 积分对系统控制质量的影响积分控制

当比例度一定时，改变积分的参数，过渡曲线也会发生相应的变化，积分的值固定为25，比例度的值从大到小，我也也可以发现过渡曲线是不一样的，积分时间越小，控制作用越强，系统的振荡程度也越大，反之积分时间越大，控制作用越小，系统的振荡程度也越小。

（三）微分控制

1.微分控制规律

控制器微分控制规律，是指输出信号的变化量与偏差变化的速度成正比[1]。即

3. 微分控制特点

微分控制器在阶跃偏差作用下的响应特性如图7所示。图中（a）理想特性（b）实际特性 。

（a）理想特性 （b）实际特性

4. 微分对系统控制质量的影响

当比例度和积分一定时，改变微分参数，过渡曲线也会发生相应的变化，积分的值固定为25，比例度的值固定为10，我也也可以发现过渡曲线是不一样的，微分时间越小，微分作用越强，反之微分时间越大，微分作用减弱。

二、串级控制系统参数整定

（一）系统整定的目的

串级控制系统的整定目的是为了提高整个系统的运行质量，确切的来说系统的控制质量主要取决于控制系统参数的整定。一般通过PID参数进行整定，使系统达到预期规定的指标要求。具体来说，就是确定好合适PID参数，希望过度过程曲线呈现为4:1的衰减振荡过程。

（二）控制器参数整定的方法

控制器参数整定的方法种类非常之多，归纳总结出来，可以分为两大类，分别为理论计算法和工程整定法[1]，工程整定法在企业中应用比较广泛，常见的工程整定法有以下三种。

1.经验确定法

经验确定法是经过长期的工作经验得到的，通过不断的尝试，不断进行PID参数调整，直到获得满意的衰减曲线为止。参考表1。

表1控制器参数的经验数据表

被控变量	被控对象特点	比例度δ/%	积分时间TI/min	微分时间TD/ min
液位	一般液位质量要求不高，不用微分	20～80	－	－
压力	对象时间常数一般较小，不用微分	30～70	0.4～3.0	－
流量	对象时间常数小，参数有波动，并有噪声。比例度d应较大，积分TI较小，不使用微分	40～100	0.1～1	－
温度	多容过程，对象容量滞后较大，d应小，TI要长，应加微分	20～60	3～10	0.5～3.0

2.临界比例度法

临界比例度法是工程整定方法的其中之一，它不依赖于对象的数学模型，总结了前人的经验，通过不断的实验，最终得到了近似最优化的PID参数整定，临界增益值K和临界振荡周期T[10]。

表2临界比例度法整定控制器参数经验公式表

控 制 规 律	控制器参数
	d/%	TI/min	TD/min
P	2d k	－	－
PI	2.2d k	0.85Tk	－
PID	1.7d k	0.5Tk	0.13Tk

3 .衰城曲线法

衰城曲线法是解决以上两种方法的不足，并在他们基础上反复实验得到的。在闭环系统中，首先把比例度设置为最小数值，积分为最大值，微分为最小数值，打到自动状态，给一个5-10的阶跃，反复进行操作，每次操作需要输出值固定一个值，这样我们容易发现规律。进一步改变比例度数值大小，观察输出相应曲线的变化，直到系统出现衰减比为4: 1的衰减振荡曲线。值得让我们注意的是，对于系统扰动比较频繁、过程进行比较快的控制系统往往很难确定他的衰减程度，只能根据多次摆动的次数来进行判断。按表3公式计算出采用相应控制规律的控制器的整定参数值 、TI 、TD；查表4即可求得控制器应该采用的参数值。　

表3　4∶1衰减曲线法整定控制器参数经验公式

控 制 规 律	控制器参数
	d/%	TI/min	TD/min
P	ds	－	－
PI	1.2ds	0.5ds	－
PID	0.8ds	0.3ds	0.1ds

　　　　　　　　表4　10∶1衰减曲线法整定控制器参数经验公式

控 制 规 律
		TI/min	TD/min
P		－	－
PI		2tr	－
PID		1.2tr	0.4tr

三、结论

经过多年的研究发展，PID参数整定已经非常成熟了，也应用到很多化工、机械等行业。PID参数整定也存在很多不足，变化大、有偏差等等。今后加大对PID在复杂控制系统的研究。

参考文献

[1] 齐卫红.过程控制系统[M].北京:电子工业出版社,2018

[2] 莫彬.过程控制工程[M].北京：化学工业出版社，1998.

[3] 余金涛.过程自动化及仪表[M].北京：化学工业出版社，2003.

[4] 刘冰琪,解初,刘鹏.PID控制器最优参数整定方法的研究[J].科技风,2022,(19):1-3

[5] 胡寿松.自动控制原理基础教程[M].第3版.科学出版社，2013.

[6] Crabill M L,Disser R J.Closed-loop control system:US,US6975087 B1P1.2005

[7] 杨智，朱海锋，黄以华.PID控制器设计与参数整定方法综述[J.化工自动化及仪表，2005

[8] 韩松楠.PID控制器参数整定[J].科技风，2010(20):1.

[9] 胡寿松.自动控制原理[M].4版.科学出版社

[10] 马晓华,蔡荣海.一类模糊PID控制器的优化设计[J].计算技术与自动化,2005,(04):23-25.

[11] 章卫国,杨向忠.模糊控制理论与应用[M].西安:西北工业大学出版社,2001

[12] 胡包钢,应浩模糊PID控制技术研究发展回顾及其面临的若干重要问题IJ1.自动化学报2001.27(4):568-584

订阅方式：
①在线订阅（推荐）：www.sdchem.net.cn
②邮局订阅：邮发代号24-109

投稿方式：
①在线投稿（推荐）：www.sdchem.net.cn
　　作者只需要简单注册获得用户名和密码后，就可随时进行投稿、查稿，全程跟踪稿件的发表过程，使您的论文发表更加方便、快捷、透明、高效。
②邮箱投稿：sdhgtg@163.com sdhg@sdchem.net
　　若“在线投稿”不成功，可使用邮箱投稿，投稿邮件主题：第一作者名字/稿件题目。
投稿时请注意以下事项：
　　①文前应有中英文“题目”、“作者姓名”、“单位”、“邮编”、“摘要”、“关键词”；
　　②作者简介包括：姓名、出生年、性别、民族、籍贯或出生地、工作单位、职务或职称、学位、研究方向；
　　③论文末应附“参考文献”，执行国标GB/T7714-2005标准，“参考文献”序号应与论文中出现的顺序相符；
　　④注明作者的联系方式，包括电话、E-mail、详细的通讯地址、邮编，以便联系并邮寄杂志。
　　 　                                                                                   山东化工稿件修改细则