在江湖上每個人都希望拿到武林秘籍,練成絕世武功。關于行業內一直流傳著一首PID參數整定口訣:“參數整定找最優,從小到大順序查;先是比例后積分,最后再把微分加;曲線振蕩很頻繁,比例度盤要放大……理想曲線兩個波,前高后低四比一;一看二調多分析,調節質量不會低。”很多人用經驗法進行PID參數整定時將這首口訣奉為秘籍。該口訣流傳至今已有幾十年了,最早出現在1973年出版的《化工自動化》一書中,之后又對口訣進行了補充和完善。
1973年還是氣動儀表的時代,距離1942年大名鼎鼎的ZN整定方法提出才過去30年。當時的條件和認識和現在有非常大的不同,直接從這個口訣獲得PID參數整定的知識并不完全適用于現場實際工作。在氣動儀表時代使用比例度盤,這也是在控制系統中很多PID算法還使用比例度的原因,這屬于典型的路徑依賴。
由于更關注控制回路的抗擾能力,設定值階躍變化時過程變量響應還是以1/4衰減振蕩為最優。但是現在一般認為1/4整定方法得到的控制器魯棒性差,而且設定值階躍響應會衰減振蕩,所以不是過程控制的理想控制目標。
在控制系統等計算機高精度控制普及應用、控制理論發展完善、工藝過程日趨復雜的今天,源于1973年的傳統PID參數整定口訣已經不能滿足PID工程整定的要求,盲目地按口訣使用經驗法進行整定,往往取得不了太好的效果。
根據工藝過程特點,基于被控對象的特性,采用Lambda方法,用科學化、系統化、規范化和工程化的方法進行PID控制回路整定,才能充分利用工廠的控制資產,滿足當前的控制要求,同時提高裝置的生產效益和運營效率。
很多資料里對流量、液位、壓力、溫度等不同被控對象提供了PID控制器的推薦參數。實際上在負反饋閉環控制中,很多PID參數都能滿足控制要求,但是只有根據被控對象特性設置合理的PID參數,才能兼顧控制性能和魯棒性。使用默認初始參數控制回路能正常工作主要是負反饋的功勞,最優的控制器參數要根據被控對象特性和控制要求來確定。而且由于被控對象特性隨裝置運行可能發生比較大的變化,所以也不能拘泥于初始參數而是要根據被控對象模型和控制要求進行合適的整定才能持續地取得好的控制效果。例如,同樣是溫度控制,網上很多文獻都給出了推薦參數,但是實際上換熱器溫度、加熱爐出口溫度、夾套式反應器溫度、精餾塔靈敏板溫度的動態特性顯著不同,使用的PID參數也有非常大的區別。網上根據被控對象類型給出推薦參數的方法明顯不科學。
為了方便大家理解PID參數整定的相關知識,我們嘗試重新整理了一個新的PID參數整定口訣。
控制方案很重要,回路整定要搞好;
比例積分作用大,特況再把微分加。
既要跟蹤又抗擾,控制強度不能小;
要想超調無振蕩,控制作用切勿強
自衡對象積分定,比例作用適當動;
非衡對象積分弱,比例作用不能過。
開環測試得模型,控制參數公式定;
方法雖好干擾多,閉環階躍不可缺。
手動不穩有外擾,自動振蕩內部找;
同相振蕩比例降,異相振蕩積分削。
下面昌暉儀表將PID參數整定口訣按總體、要求、方法、過程、經驗分成五部分分別進行解釋說明。
控制方案很重要,回路整定要搞好;
比例積分作用大,特況再把微分加。
總體:PID參數整定和控制方案設計是解決過程控制問題必須掌握的兩項技能。大部分過程使用比例積分控制器即可,如果過程有發散、欠阻尼等動態特性,使用微分會獲益。
既要跟蹤又抗擾,控制強度不能小;
要想超調無振蕩,控制作用切勿強。
要求:一個控制回路要關注設定值跟蹤能力和干擾抑制能力,控制器的控制作用要合適。控制作用太強則系統振蕩,反之控制作用太弱則設定值跟蹤能力和干擾抑制能力不足,這兩種情況都不能滿足控制要求。最強控制作用為過程變量有超調無振蕩,當然考慮到系統相互影響和優先級,也可能不需要最強控制作用。
自衡對象積分定,比例作用適當動;
非衡對象積分弱,比例作用不能過。
方法:自衡對象最優PID參數的積分時間等于被控對象的時間常數,比例作用由被控對象增益、時間常數、純滯后時間和期望的閉環時間常數λ一起決定。積分對象最優PID參數的比例增益和積分時間的乘積要足夠大才能不振蕩,積分對象的比例作用受到被控對象純滯后時間和動態特性的影響有上界,超過了就會振蕩。
開環測試得模型,控制參數公式定;
方法雖好干擾多,閉環階躍不可缺。
過程:開環做階躍測試,根據響應曲線確定控制模型,然后根據控制模型和期望閉環時間常數λ,用Lambda整定公式確定PID參數。由于模型可能失配和PID參數可能變化很大,推薦控制回路切換到自動模式后進行設定值階躍測試。
手動不穩有外擾,自動振蕩內部找;
同相振蕩比例降,異相振蕩積分削。
經驗:如果控制回路振蕩,首先要看手動模式時是否繼續振蕩。如果繼續振蕩,要找到振蕩源并進行處理。如果手動模式時不振蕩,則是控制回路自身的問題引起的。控制回路自身引起的振蕩,要根據振蕩的波形判斷引起振蕩的原因:控制器輸出和過程變量同相位振蕩是比例作用太強的表現,異相位振蕩是積分作用太強的表現,如果響應曲線的形狀不是平滑曲線而是方波或鋸齒波,則說明最終控制元件有非線性特征。
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