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PID参数的工程整定方法培训教材.doc
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1、PID参数的工程整定方法培训教材 作者: 日期:2 个人收集整理 勿做商业用途PID參數的工程整定方法培訓教材 2005年12月20日目 錄第一節 基本控制規律及其作用效果(1)第二節 實用的控制規律(2)第三節 PID參數的工程整定方法(3)第四節 複雜調節系統的參數整定(8)附錄一 各廠家DCS系統PID相關資料統計(8)附錄二 相關的名詞解釋(9)第一节 基本控制規律及其作用效果在工業生產程序控制中,常用的基本調節規律大致可分為:1 位式調節也就是常說的開/關式調節,它的動作規律是當被控變數偏離給定值時,調節器的輸出不是最大就是最小,從而使執行器全開或全關.在實際應用中,常用於機組油箱恒
2、溫控制、水塔以及一些儲罐的液位控制等。在實施時,只要選用帶上、下限接點的檢測儀錶、位式調節器或PLC、再配一些繼電器、電磁閥、執行器、磁力起動器等即可構成位元式控制系統.因此,位式控制的過渡過程必然是一個持續振盪的過程。如圖0所示。圖0 位式控制的過渡過程2 比例調節它依據“偏差的大小來動作.它的輸出與輸入偏差的大小成比例,調節及時,有力,但是有餘差。用比例度來表示其作用的強弱,用表示。例如比例度60%,即表示當偏差為量程的60時,輸出變化值為量程的100%.越小,調節作用越強,調節作用太強時,會引起振盪。比例調節作用適用於負荷變化小,物件純滯後不大,時間常數較大而又允許有餘差的控制系統中,常
3、用于塔和儲罐的液位控制以及一些要求不高的壓力控制中。使用時應注意,當負荷變化幅度較大時,為了平衡負荷變化所需的調節閥開度變化也將較大,待穩定後,被控變數的餘差就可能較大.比例控制規律的動態方程為:其中:y(t) 輸出變化量。e(t)- 輸入變化量。Kp 比例增益。 比例度,它是Kp的倒數。3 積分調節它依據“偏差是否存在來動作。它的輸出與偏差對時間的積分成比例,只有當余差完全消失,積分作用才停止。其實質就是消除餘差。但積分作用使最大動偏差增大,延長了調節時間。用積分時間Ti表示其作用的強弱,單位用分(或秒)表示。Ti越小,積分作用越強,積分作用太強時,也會引起振盪。積分控制規律的動態方程為:其
4、中:TI 積分時間。4 微分調節它依據“偏差變化速度”來動作。它的輸出與輸入偏差變化的速度成比例,其實質和效果是阻止被調參數的一切變化,有超前調節的作用。對滯後較大的對象有很好的效果.使調節過程動偏差減少,餘差也減少(但不能消除)。用微分時間Td表示作用的強弱,單位用分(或秒)表示。Td大,作用強,Td太大,會引起振盪。微分控制規律的動態方程為:其中:TD - 微分時間。第二節 實用的控制規律由於位式調節及易引起振盪,所以除特定場合外,一般應用較少,使用較多的是比例、積分、微分調節作用。但實際上單純使用比例、積分、微分作用的場合也較少,最多使用的是三種調節規律的組合。組合後的調節規律由圖1所示
5、,PID三作用調節品質最好、PI次之,積分最差因此很少單用。其中:PI作用的傳遞函數為:注意:Ti即為積分控制規律的動態方程中TI.PD作用的傳遞函數為:注意:KpTd即為微分控制規律的動態方程中TD。PID作用的傳遞函數為:圖1 各種調節規律比較1比例微分作用;2比例積分微分作用;3比例作用;4比例積分作用;5-積分作用;第三節 PID參數的工程整定方法調節器參數的整定,是自動調節系統中相當重要的一個問題。在調節方案已經確定,儀錶及調節閥等已經選定並已裝好之後,調節物件的特性也就確定了,調節系統的品質就主要決定於調節器參數的整定。因此,調節器參數整定的任務,就是對已選定的調節系統,求得最好的
6、調節品質時調節器的參數值,即所謂求取調節器的最佳值,具體講就是確定最合適的比例度、積分時間和微分時間。把參數整定工作放在怎樣的位置,存在兩種片面的看法:一種看法是過分強調了參數整定的作用,把調節器參數整定看作自動化理論的核心,這當然是錯誤的。因為調節器參數只能在一定範圍內起作用,如果方案不合理,工況改變、或屬於儀錶和調節閥故障,則不論怎樣去調整比例度,積分時間和微分時間,仍然達不到預定的調節品質要求。同時,調節器參數在目前很難單純依靠計算的方法來求取,因為計算法要遇到兩個很大的困難,一是缺乏足夠的物件動態特性資料,實驗測試也不容易,二是計算方法繁瑣,工作量大,而且物件往往有非線性或改變工藝參數
7、的情況,所以化了不少力氣算出來的結果仍不可靠。另一種看法是過分地貶低參數整定的作用,我們會遇到三類不同的系統情況。第一類是較容易調節的系統:比例度、積分時間和微分時間可以放在很寬的範圍,調節品質都能滿足.第二類是方案選擇不當的系統,不論怎樣去整定參數,系統仍不能良好的運行。如果只看到以上兩種情況,是會產生不必重視調節器參數整定的錯覺。實際上有相當多數量的系統介於這兩種極端情況之間,這可以說是第三類的系統,它們在整定參數選擇得當的時候,可以運行得很好,反之,在整定參數不合適時,調節品質就達不到要求。我們不要將它們與第二類系統混同起來,錯當成不能投入自動的系統。另外,對第一類系統來說也有使調節品質
8、進一步完善的要求.因此,我們應當重視調節器參數整定的工作,而不要片面地看問題。參數整定的方法很多,我們只介紹幾種工程上最常用的方法。1 臨界比例度法這是目前使用較廣的一種方法,具體作法如下:先在純比例作用下(把積分時間放到最大,微分時間放到零),在閉合的調節系統中,從大到小地逐漸地改變調節器的比例度,就會得到一個臨界振盪過程,如圖2所示.這時的比例度叫臨界比例度k,週期為臨界振盪週期Tk。記下k和Tk,然後按表1的經驗公式來確定調節器的各參數值。圖2 臨界振盪示意圖表1 臨界比例度法資料表調節作用比例度(%)積分時間Ti(分)微分時間Td(分)比例2k比例積分2。2k0。85Tk比例微分1。8
9、k0。1Tk比例積分微分1。7k0.5Tk0.125Tk這種方法在下面兩種情況下不宜採用:1)、臨界比例度過小,因為這時候調節閥很容易處於全開及全關位置,對於工藝生產不利,舉例來說,對於一個用燃料油(或瓦斯)加熱的爐子,如很小,接近雙位調節,將一會兒熄火,一會兒煙囪濃煙直沖.2)、工藝上約束條件較嚴格時,因為這時候如達到等幅振盪,將影響生產的安全運行。2 衰減曲線法臨界比例度法是要系統等幅振盪,還要多次試湊,而用衰減曲線法較簡單,一般又有兩種方法。(1)、4:1衰減曲線法使系統處於純比例作用下,在達到穩定時,用改變給定值的辦法加入階躍干擾,觀察記錄曲線的衰減比,然後逐漸從大到小改變比例度,使出
10、現4:1的衰減比為止,如圖3所示。記下此時的比例度s.再按表2的經驗公式來確定PID數值.圖3 4:1衰減調節過程曲線表2 4:1衰減曲線法資料表調節作用比例度(%)積分時間Ti(分)微分時間Td(分)比例s比例積分1.2s0。5Ts比例積分微分0。8s0.3Ts0.1Ts(2)、10:1衰減曲線法有的過程,4:1衰減仍嫌振盪過強,可採用10:1衰減曲線法。方法同上,得到10:1衰減曲線,記下此時的比例度s和上升時間Ts,再按表3的經驗公式來確定PID的數值。衰減曲線如圖4所示。圖4 10:1衰減曲線示意圖表3 10:1衰減曲線法資料表調節作用比例度(%)積分時間Ti(分)微分時間Td(分)比
11、例s比例積分1。2s比例積分微分0.8s.採用衰減曲線法必須注意幾點:1)、加給定干擾不能太大,要根據生產操作要求來定,一般在5%左右,也有例外的情況。2)、必須在工藝參數穩定的情況下才能加給定干擾,否則得不到正確得 s、Ts、或s和Ts值。3)、對於反應快的系統,如流量、管道壓力 (a) 和小容量的液位元調節等,要在記錄紙上嚴格得到 4:1衰減曲線較困難,一般以被調參數來回波動兩次達到穩定,就近似地認為達到4:1衰減過程了。下面舉一個現場整定的例子。在某塔頂溫度調節系統中,被調參數是塔頂溫度,工藝允許波動為4,調節參數是回流量。在整定過 (b) 程中,考慮到物件滯後較大,反應較慢的情況, 的
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