經(jīng)驗法PID參數工程整定口訣淺析

　　我們先看網(wǎng)上流傳的PID參數整定口訣：

　　參數整定找最佳，從小到大順序查

　　先是比例后積分，最后再把微分加

　　曲線(xiàn)振蕩很頻繁，比例度盤(pán)要放大

　　曲線(xiàn)漂浮繞大灣，比例度盤(pán)往小扳

　　曲線(xiàn)偏離回復慢，積分時(shí)間往下降

　　曲線(xiàn)波動(dòng)周期長(cháng)，積分時(shí)間再加長(cháng)

　　曲線(xiàn)振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)

　　動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢。微分時(shí)間應加長(cháng)

　　理想曲線(xiàn)兩個(gè)波，前高后低4比1

　　一看二調多分析，調節質(zhì)量不會(huì )低。

　　它是什么時(shí)候開(kāi)始在網(wǎng)上流傳的不太清楚。

　　現在再看另一首口訣：

　　參數整定尋最佳，從大到小順次查。

　　先是比例后積分，最后再把微分加。

　　曲線(xiàn)振蕩很頻繁，比例度盤(pán)要放大。

　　曲線(xiàn)漂浮繞大彎，比例度盤(pán)往小扳。

　　曲線(xiàn)偏離回復慢，積分時(shí)間往下降。

　　曲線(xiàn)波動(dòng)周期長(cháng)，積分時(shí)間再加長(cháng)。

　　理想曲線(xiàn)兩個(gè)波，調節過(guò)程高質(zhì)量。

　　這是一首用經(jīng)驗法進(jìn)行PID參數工程整定的口訣，該口訣流傳至今已有幾十年了，其最早出現在1973年11月出版的《化工自動(dòng)化》一書(shū)中?，F在網(wǎng)上流傳的口訣，看來(lái)大多是以該口訣作為藍本進(jìn)行了補充和改編而來(lái)的，如：“ 曲線(xiàn)振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)，動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢。微分時(shí)間應加長(cháng)。”還有的加了：“ 理想曲線(xiàn)兩個(gè)波，前高后低4比1，一看二調多分析，調節質(zhì)量不會(huì )低。”等等。

　　現dlr結合這兩首口訣，進(jìn)行一些淺析。

　　控制系統在設計、整定和運行中，衡量系統質(zhì)量的依據就是系統的過(guò)渡過(guò)程。當系統的輸入為階躍變化時(shí)，系統的過(guò)渡過(guò)程表現有：發(fā)散振蕩、等幅振蕩、衰減振蕩、單調過(guò)程等形式。在多數情況下，dlr都希望得到衰減振蕩的過(guò)渡過(guò)程，且認為如圖1所示的過(guò)渡過(guò)程最好，并把它作為衡量控制系統質(zhì)量的依據。

　　選用該曲線(xiàn)作為控制系統質(zhì)量指標的理由是：它第一次回復到給定值較快，以后雖然又偏離了，但偏離不大，并且只有極少數幾次振蕩就穩定下來(lái)了。定量的看，第一個(gè)波峰B的高度是第二個(gè)波峰B‘高度的4倍，所以這種曲線(xiàn)又叫做4:1衰減曲線(xiàn)。在調節器工程整定時(shí)，以能得到4:1的衰減過(guò)渡過(guò)程為最好，這時(shí)的調節器參數可叫最佳參數。

　　先談?wù)効谠E“參數整定尋最佳，從大到小順次查。”中的最佳參數問(wèn)題，很多儀表工都有這樣的體會(huì )，在現場(chǎng)的調節器工程參數整定中，如果只按4:1衰減比進(jìn)行整定，那么可以有很多對的比例度和積分時(shí)間同樣能滿(mǎn)足4:1的衰減比，但是這些對的數值并不是任意的組合，而是成對的，一定的比例度必須與一定的積分時(shí)間組成一對，才能滿(mǎn)足衰減比的條件，改變其中之一，另一個(gè)也要隨之改變。因為是成對出現的，所以才有調節器參數的“匹配”問(wèn)題。而dlr在實(shí)際應用中只有增加一個(gè)附加條件，才能從多對數值中選出一對適合的值。這一對適合的值通常稱(chēng)為“最佳整定值”。“從大到小順次查”中“查”的意思就是找到調節器參數的最佳匹配值。而“從大到小順次查”是說(shuō)在具體操作時(shí)，先把比例度、積分時(shí)間放至最大位置，把微分時(shí)間調至零。因為我們需要的是衰減振蕩的過(guò)渡過(guò)程，并避免出現其它的振蕩過(guò)程，在整定初期，把比例度放至最大位置，目的是減小調節器的放大倍數。而積分放至最大位置，目的是先把積分作用取消。把微分時(shí)間調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。也就是慢慢的增加比例或積分作用的影響，避免系統出現大的振蕩。最后再根據系統實(shí)際情況決定是否使用微分作用。

　　“先是比例后積分，最后再把微分加。”是經(jīng)驗法的整定步驟。比例作用是最基本的調節作用，口訣說(shuō)的：“先是比例后積分”，目的是簡(jiǎn)化調節器的參數整定，即先把積分作用取消和弱化，待系統較穩定后再投運積分作用。尤其是新安裝的控制系統，對系統特性不了解時(shí)，dlr要做的就是先把積分作用取消，待調整好比例度，使控制系統大致穩定以后，再加入積分作用。對于比例控制系統，如果規定4:1的衰減過(guò)渡過(guò)程，則只有一個(gè)比例度能滿(mǎn)足這一規定，而其它的任何比例度都不可能使過(guò)渡過(guò)程的衰減比為4:1。因此，對比例控制系統只要找到能滿(mǎn)足4:1衰減比時(shí)的比例度就行了。

　　在調好比例控制的基礎上再加入積分作用，但積分會(huì )降低過(guò)渡過(guò)程的衰減比，則系統的穩定程度也會(huì )降低。為了保持系統的穩定程度，可增大調節器的比例度，即減小調節器的放大倍數。這就是dlr在整定中投入積分作用后，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)間數值的匹配問(wèn)題，在一定范圍內比例度的減小，是可以用增加積分時(shí)間的方法來(lái)補償的，但也要看到比例作用和積分作用是互為影響的，如果設置的比例度過(guò)大時(shí)，即便積分時(shí)間恰當，系統控制效果仍然會(huì )不佳。

　　在有的場(chǎng)合，也可不強求以上步驟，而dlr是采取按表-1的經(jīng)驗整定法PID參數湊試范圍一覽表，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，直至調節過(guò)程曲線(xiàn)滿(mǎn)意為止。積分時(shí)間和微分時(shí)間預置后用比例度湊試，其體現的是經(jīng)驗，如果沒(méi)有經(jīng)驗就成為盲目調試了。此方法的缺點(diǎn)是當同時(shí)使用比例、積分、微分三作用時(shí)，不易找到最合適的整定參數，則反復的湊試會(huì )費很多時(shí)間。

　　“曲線(xiàn)振蕩很頻繁，比例度盤(pán)要放大。”說(shuō)的是比例度過(guò)小時(shí)，會(huì )產(chǎn)生周期較短的激烈振蕩，且振蕩衰減很慢，嚴重時(shí)甚至會(huì )成為發(fā)散振蕩，如圖2所示。這時(shí)就要調大比例度，使曲線(xiàn)平緩下來(lái)。

　　“ 曲線(xiàn)漂浮繞大彎，比例度盤(pán)往小扳。”說(shuō)的是比例度過(guò)大時(shí)會(huì )使過(guò)渡時(shí)間過(guò)長(cháng)，使被調參數變化緩慢，即記錄曲線(xiàn)偏離給定值幅值較大，時(shí)間較長(cháng)，這時(shí)曲線(xiàn)波動(dòng)較大且變化無(wú)規則，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(xiàn)偏離回復慢，積分時(shí)間往下降。曲線(xiàn)波動(dòng)周期長(cháng)，積分時(shí)間再加長(cháng)。”說(shuō)的是積分作用的整定方法。當積分時(shí)間太長(cháng)時(shí)，會(huì )使曲線(xiàn)非周期地慢慢地回復到給定值，即“曲線(xiàn)偏離回復慢”，如圖2-4所示。則應減少積分時(shí)間。當積分時(shí)間太短時(shí)，會(huì )使曲線(xiàn)振蕩周期較長(cháng)，且衰減很慢，即“曲線(xiàn)波動(dòng)周期長(cháng)”，如圖4所示。則應加長(cháng)積分時(shí)間。

　　調節器的參數按比例積分作用整定好后，dlr可在積分時(shí)間的0.2～0.5倍范圍內來(lái)調整微分時(shí)間。即“最后再把微分加。”由于微分作用會(huì )增強系統的穩定性，故采用微分作用后，調節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節的功能，當系統有較大滯后或較大慣性的情況下，才應啟用微分作用。

　　為方便理解幾十年前的口訣，對有關(guān)問(wèn)題談點(diǎn)看法。

　?、?關(guān)于比例度盤(pán)

　　口訣是儀表工實(shí)際工作的總結，但由于歷史的原因，當時(shí)儀表工所接觸的大多是氣動(dòng)調節儀表，最早的是04型基地式氣動(dòng)調節儀表，后來(lái)是氣動(dòng)單元組合儀表，七十年代初期電動(dòng)儀表在工廠(chǎng)的應用也是很有限的。氣動(dòng)儀表調比例度就是改變一個(gè)針形閥門(mén)的開(kāi)度，為便于dlr觀(guān)察閥門(mén)的開(kāi)度，閥門(mén)手柄上有個(gè)等分刻度盤(pán)；電動(dòng)儀表調的是電位器，同樣也有一個(gè)等分刻度盤(pán)；這就是口訣中說(shuō)的：“比例度盤(pán)”。

　?、?過(guò)程曲線(xiàn)的觀(guān)察

　　經(jīng)驗法的實(shí)質(zhì)就是看曲線(xiàn)，調參數。