PID參數(shù)工程整定方法研究

許雪

（天津渤天化工有限公司計控部，天津 300480）

PID參數(shù)工程整定方法研究

許雪

（天津渤天化工有限公司計控部，天津 300480）

本文分析了PID控制模型中比例積分微分的作用，介紹了傳統(tǒng)PID參數(shù)整定的方法，并總結(jié)了PID參數(shù)經(jīng)驗整定方法，應(yīng)用該方法對堿液降膜蒸發(fā)流量液位串級控制系統(tǒng)主調(diào)和副調(diào)PID參數(shù)進行調(diào)整，并取得了較穩(wěn)定的控制效果。

PID控制；串級控制；經(jīng)驗試湊法

PID控制即比例、積分、微分控制，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的儀表控制領(lǐng)域，是一種以消除偏差為目的的線性控制方式，PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)靈活，易于調(diào)整，在單元組合儀表控制轉(zhuǎn)變成集散控制系統(tǒng)的今天，仍然發(fā)揮著巨大的作用。

1　PID控制器模型

常規(guī)PID控制器系統(tǒng)框圖見圖1，系統(tǒng)主要由PID控制器、執(zhí)行器和被控對象組成。作為一種線形控制器，根據(jù)設(shè)定值和輸出值構(gòu)成偏差，按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。

其中：

e（t）=r（t）-y（t）

PID控制器的控制規(guī)律為：

圖1　PID原理圖

式中：r（t）為給定量；y（t）為被控量；e（t）為給定量與被控量的差值；u（t）為調(diào)節(jié)器輸出；Kp為比例系數(shù)；TI為積分時間；TD為微分時間。

比例的作用是減小偏差，P及時成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，減少偏差。當(dāng)比例P增大時，執(zhí)行機構(gòu)動作靈敏、速度快。在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，增大P值，有利于減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度，但不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。隨著P的增大，系統(tǒng)響應(yīng)過程中的振蕩次數(shù)會增多。當(dāng)P值太大時，系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定；若P值太小，會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，執(zhí)行元件動作緩慢。

積分環(huán)節(jié)作用是消除余差，提高系統(tǒng)的無差度。積分時間越小，積分作用越強，積分時間太小時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，振蕩次數(shù)較多；但積分時間太大時，積分作用對系統(tǒng)性能影響減小，不利于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，控制精度低。

微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號的變化趨勢變化速率，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個超前修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高控制精度。但微分時間不能太大，太大會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生振蕩。

2　傳統(tǒng)PID參數(shù)整定方法

（1）動態(tài)特性參數(shù)法。控制器在開環(huán)狀態(tài)下，施加階躍信號或脈沖信號，通過系統(tǒng)響應(yīng)的數(shù)據(jù)來推算系統(tǒng)參數(shù)，進而計算控制器參數(shù)。最早的開環(huán)PID經(jīng)驗整定方法是z-N整定。其特點是無需建立被控對象的數(shù)學(xué)模型，通過在現(xiàn)場進行實驗而獲得給定系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)，從而求取K，T，t等參數(shù)，適合用于可近似用一階慣性環(huán)節(jié)加延遲環(huán)節(jié)來表示的被控對象。

（2）臨界比例度法。也稱為z-N閉環(huán)整定方法，通過比例控制作用激發(fā)出等幅振蕩來求取臨界增益Kc和臨界振蕩周期Tc并以此整定參數(shù)。該方法基本思想是：系統(tǒng)只投入比例作用，去掉微分和積分作用，給定信號為階躍形式，逐漸增大比例系數(shù)KP，直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩，然后記錄下系統(tǒng)的I臨界振蕩周期Tc和使系統(tǒng)發(fā)生振蕩的臨界放大系數(shù)Kc，利用上述兩個參數(shù)代入下式計算就可確定好PID調(diào)節(jié)器的3個參數(shù)。

KP=0.6Kc；TI=0.5Kc；Td=0.125Kc

相對于Z-N開環(huán)整定方法，z-N閉環(huán)整定方法有不需要斷開控制回路和相對受擾動影響較小的優(yōu)點，在工業(yè)上獲得了廣泛的應(yīng)用。但使用此方法時需使系統(tǒng)處于等幅振蕩狀態(tài)，所以應(yīng)考慮被控過程和執(zhí)行器的承受問題。

（3）衰減曲線法。先將積分時間置于最大值，微分時間置于最小值，然后讓設(shè)定值的變化作為干擾輸入，逐漸改變比例系數(shù)，觀察系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。按照過渡過程的衰減情況改變比例系數(shù)的值，直到系統(tǒng)出現(xiàn)4∶1或10∶1的衰減振蕩，記下此時的比例系數(shù)和衰減振蕩周期Ts，再根據(jù)相應(yīng)公式整定參數(shù)。

3　工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)驗原則

（1）理論上液位不需要微分作用，但在液位計出現(xiàn)不穩(wěn)定波動時可以加微分，流量控制系統(tǒng)中比例度P可以增大到200，而在溫度控制系統(tǒng)積分時間可以達(dá)到1 000 s以上。

（2）PID參數(shù)調(diào)整過程中，若出現(xiàn)等幅震蕩或發(fā)散，必然有比例或積分作用強，可以適當(dāng)減小比例度或增大積分時間，減小比例和積分作用。

（3）執(zhí)行機構(gòu)的選擇要合理，一般閥的50%～70%開度時能穩(wěn)定控制，若開閥10%就出現(xiàn)流量或液位的大幅波動，說明閥的選型不合理。

4　降膜蒸發(fā)堿液液位流量串級控制PID參數(shù)整定

理論上液位Ⅱ效蒸發(fā)器的液位自電解液管進入，濃縮后流出至Ⅰ效蒸發(fā)器，若使液位LC502穩(wěn)定在23%，則進液出液要動態(tài)平衡，即進液流量=出液流量+蒸發(fā)掉的液體，使用串級控制，液位LC502控制流量FC503，流量FC503控制調(diào)節(jié)閥LV502，從而消除了流量的滯后，見圖2。

圖2　蒸發(fā)工序NaOH液位流量串級控制

串級控制系統(tǒng)PID參數(shù)的整定，采用的是2步整定法。先不考慮外環(huán)，內(nèi)環(huán)為單回路PID控制，在內(nèi)環(huán)加階躍信號，調(diào)整內(nèi)環(huán)PID參數(shù)，看如何能得快速穩(wěn)定在設(shè)定值；再把主調(diào)PID串級連上，在外環(huán)加階躍信號，調(diào)整外環(huán)PID參數(shù)，看如何能得到穩(wěn)定曲線。在實際應(yīng)用中，先把副調(diào)節(jié)器投入自動，主調(diào)斷開，按照單回路的方法整定副調(diào)PID參數(shù)，再把主調(diào)節(jié)器投入自動，形成串級控制，整定主調(diào)PID參數(shù)。

如果采用衰減曲線法，將主調(diào)比例度固定在100%，逐漸減小副調(diào)比例度，直到系統(tǒng)出現(xiàn)4∶1的衰減振蕩，記下此時的比例系數(shù)和衰減振蕩周期T2s，再逐漸減小主調(diào)比例度，直到系統(tǒng)出現(xiàn)4∶1的衰減振蕩，記下此時的比例系數(shù)和衰減振蕩周期T1s，根據(jù)相應(yīng)公式整定參數(shù)見圖3。

從圖3可以看到，當(dāng)工況產(chǎn)生波動時，液位LICA-0502小幅上漲，控制器迅速調(diào)節(jié)流量FICA-0503，使流量大幅降低，閥位減小（FICA-0503.MV），由于閥是氣關(guān)閥，所以MV增大，使LICA-0502穩(wěn)定在23%附近。調(diào)整的PID參數(shù)可以實現(xiàn)對液位的穩(wěn)定控制。

Study of PID parameters adjust method

XU Xue
（Tianjin Botian Chemical Co.，Ltd.，Tianjin 300480，China）

This article analyzes the effect of proportion，integrate and differential control in the PID control model，introduces traditional PID parameter tuning methods，and summarizes the PID parameter empirical tuning methods，depending on the method of falling film evaporator flow level cascade control system，the main theme and the sub-tune PID parameters can be adjusted，the result indicates that the System can control the process of production smoothly.

PID control；cascade control；empirical tuning method

圖3　控制效果

TM762

B

1009-1785（2016）09-0044-02

2016-07-17