PID整定相關(guān)的專業(yè)知識講解

如何獲得PID控制器的最佳參數(shù)是很多儀表工還沒真正掌握的技能，為了方便大家深入了解PID整定，在本文整理PID整定相關(guān)的專業(yè)知識供大家學(xué)習(xí)。

1、PID整定參數(shù)

這三個字母是什么意思？它們?nèi)绾斡绊懩愕墓S行為？

PID是比例、積分和導(dǎo)數(shù)的首字母縮寫。這些參數(shù)可以單獨或集體使用、調(diào)整和控制。例如，您可以使用P控制器、PI控制器或PID控制器。每個參數(shù)都可以單獨調(diào)整整定和控制，每個參數(shù)都可以用于特定目的。

PID參數(shù)表示為通用PID控制算法或ISA算法的參數(shù)：

u（t）為PID控制器輸出；u0為初始PID控制器輸出；Kc為總增益；TI為積分時間或重置時間；TD為微分時間；e（t）為設(shè)定值和過程值得偏差

1.1 什么是PID整定參數(shù)

常規(guī)PID回路由三項組成：

①偏差或PV的比例作用

②偏差的積分作用

③偏差或PV的微分作用

選擇正確的方程和最佳參數(shù)值是實現(xiàn)最佳整定的本質(zhì)。

1.2 PID參數(shù)

①比例參數(shù)（P）描述

P作用與偏差或PV成正比。偏差（或PV）乘以比例增益并添加到控制器輸出。P動作使輸出朝正確方向“踢”。如果偏差值為零，則P動作為零。這意味著只有P動作的控制器需要非零偏差才能有非零輸出。因此，僅使用P控制不可能實現(xiàn)精確跟蹤。

②積分參數(shù)（I）描述

考慮PV和SP之間的偏差隨時間的變化曲線。在數(shù)學(xué)中，偏差的“積分”可以解釋為曲線和x軸之間以及y軸和當前時刻之間的曲面。每走一步，曲面都會向右延伸一點。如果此時偏差為零，則曲面不會增加，積分保持不變。

如果偏差為正，偏差曲線下方的曲面將增加，從而產(chǎn)生更高的控制器輸出。當偏差變?yōu)樨撝禃r，I動作將減小。

通常情況下，與比例動作相比，I動作的動作要慢得多。然而，它最終會使偏差為零，這是比例作用所不能做到的。所以基本上，積分動作會回顧過去，檢查偏差是否達到設(shè)定值。如果不是，它會作用于輸出。它將操縱方向盤，直到你朝著預(yù)定的方向前進。

③微分參數(shù)（D）描述

積分不可能預(yù)測偏差的行為。微分作用通過預(yù)測偏差的未來行為來解決這個問題。所以，微分作用就是偏差的變化。它會根據(jù)偏差的變化向輸出添加一個貢獻。當偏差為正，但開始減少D動作時，它將降低控制器的輸出。是制動器試圖避免超調(diào)。

它減少了其他兩個動作引起的振蕩。它可以將控制器加速到您想要達到的設(shè)定值。

它減少了其他兩個動作引起的振蕩。它可以將控制器加速到您想要達到的設(shè)定值。然而，微分作用在PID調(diào)節(jié)中并不常用。問題是它會放大噪音。如果偏差信號非常嘈雜，PID控制器輸出往往會大幅振蕩。這可能會對泵和閥門等設(shè)備的使用壽命產(chǎn)生負面影響。

2、什么是PID整定

PID控制是一種通用的控制方法，也是自動化領(lǐng)域的一項工作：99%的自動化控制回路都是PID。在開始研究方法和算法之前，有必要知道要采取哪些PID整定步驟以及為什么要采取這些步驟。因此，您將能夠充分利用PID整定，提高工廠性能。

2.1 PID整定是什么意思？

PID整定是指根據(jù)所用PID算法、開環(huán)過程行為和所需閉環(huán)行為的工程規(guī)范來確定PID參數(shù)的工作流程。

最優(yōu)PID整定

高效地找到理想的P、I和D參數(shù)集就是我們所說的最優(yōu)PID整定。在搜索參數(shù)的大范圍內(nèi)，只有一組能夠獲得最佳性能。根據(jù)您使用的PID方法，計算出的參數(shù)可能更接近或更遠離此最佳設(shè)置。

過程行為

在PID整定中，過程行為是關(guān)鍵。只有在掌握正確的過程行為時，才能執(zhí)行最佳整定。大多數(shù)方法將過程簡化為非常簡單的一階行為，盡管有許多過程不能用這些簡單的模型來描述。例如，蒸汽鍋爐汽包、過熱器、長延遲過程、（給水）間歇反應(yīng)器和液位控制器。

工程規(guī)范

最后，您不應(yīng)該忘記所需過程行為的工程規(guī)范。當設(shè)定值跟蹤是關(guān)鍵時，將其作為最優(yōu)性的標準。當干擾抑制是關(guān)鍵時，關(guān)注這一點。當兩者都需要時，嘗試使用前饋。如果不允許超調(diào)（由于產(chǎn)品質(zhì)量下降），則整定控制器以避免超調(diào)，或者如果實際工廠確實如此，則整定控制器以在非常寬的工作范圍內(nèi)工作。

換句話說，PID整定意味著控制回路有一個特定的目標，通過使用正確的P、I和D參數(shù)可以實現(xiàn)該目標。因此，您將實現(xiàn)最佳的工廠優(yōu)化。

2.2 為什么進行PID整定

為了獲得所需的閉環(huán)控制，PID整定是必要的。例如，如果想要控制溫度，則需要整定PID控制器，以將溫度保持在設(shè)定值。

整定的最低要求是，過程可以在閉環(huán)中穩(wěn)定運行。

再進一步，PID整定將通過減少振蕩來控制設(shè)備。例如，這將導(dǎo)致更少的警報和更少的操作干預(yù)。

再往前走一步，你就會明白，由于優(yōu)化了PID整定，工廠效率可以提高，比能耗可以降低，穩(wěn)定性可以提高，警報和操作員干預(yù)的數(shù)量可以降到最低。

2.3 整定的關(guān)鍵

PID整定可以帶來很多好處。當您花時間將PID參數(shù)整定到最佳值時，可以獲得數(shù)周、數(shù)小時甚至數(shù)分鐘的回報。按照以下關(guān)鍵步驟第一次PID整定：

①了解你想要控制的過程的行為，例如通過使用（多）階躍測試。

②使用正確的系統(tǒng)辨識方法。

③檢查DCS PID算法，并在適當時進行更改

④制作自己的工程愿望清單，在其中選擇最佳跟蹤和/或最佳干擾抑制。不要忘記魯棒性和高頻增益。

④計算最佳參數(shù)，實施這些參數(shù)，并在實際設(shè)備上檢查結(jié)果。

⑤跟蹤并記錄您所做的更改。

3、PID整定方法

選擇正確的整定方法以運行穩(wěn)定的生產(chǎn)過程

如何快速有效地整定PID控制器？這是一個讓許多工程師感到困惑的問題。

盡管PID整定的概念很簡單，但支持PID控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)卻很復(fù)雜。一旦為問題選擇了最佳控制器配置，就必須整定參數(shù)。實現(xiàn)最佳性能需要為P、I和D選擇一組理想的數(shù)值。

概括地說，有三種方法可以確定這些設(shè)置的最佳組合：啟發(fā)式整定、基于規(guī)則的整定和基于模型的整定。每種方法都有其優(yōu)缺點。盡管許多人可能認為試湊法是免費的，但它們往往非常昂貴。

3.1 什么是啟發(fā)式整定

啟發(fā)式整定方法是一種遵循一般規(guī)則以獲得近似或定性結(jié)果的方法。世界上大多數(shù)PID回路都采用這種方法進行整定，無論是好是壞。試湊法是啟發(fā)式整定的一個例子。

試湊法

試湊法是一種相對簡單的方法，一旦你對PID參數(shù)有了清晰的了解。從比例到積分再到微分，它在整個系統(tǒng)中循序漸進。通常從現(xiàn)有的一組參數(shù)開始，從中執(zhí)行小調(diào)整整定以改善響應(yīng)。對于新的PID回路，您可以從粗略而安全的初始猜測開始。

基本上，人們認為：

①引入P-動作以提高響應(yīng)速度。過度的P作用會導(dǎo)致振蕩。

②引入I-動作以獲得所需的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。缺點是較長時間內(nèi)振蕩響應(yīng)較高。

③引入D-作用是為了阻尼。缺點是高頻振蕩的可能性更大，加上對噪聲的敏感性。

基于規(guī)則的PID整定方法假定某個過程響應(yīng)，以獲得簡單的數(shù)學(xué)公式，從而實現(xiàn)PID控制器的調(diào)節(jié)。過程特性可以通過簡單的實驗得出，并用于計算PID參數(shù)。

請注意，此類整定方法對假設(shè)過程響應(yīng)的差異（例如，一階線性延遲模型）非常敏感。特別是，與假定的過程時滯的較大偏差將極大地降低實際PID性能。此外，定義自己控制目標的可能性非常有限或不存在。

Lambda整定方法

Lambda整定方法的名字來源于希臘字母Lambda（λ）。它規(guī)定了控制器允許在穩(wěn)定時間上花費的時間。Lambda整定方法假設(shè)的響應(yīng)與Ziegler-Nichols方法相同。

典型λ=max（L，T）（非常穩(wěn)定）減少λ獲得更快響應(yīng)。

3.3 什么是基于模型的整定？

基于模型的整定或基于優(yōu)化的PID整定允許您使用系統(tǒng)模型以最佳方式獲得P、I和D參數(shù)?？紤]了閉環(huán)行為的工程規(guī)范。

基于模型的PID整定是一種方法，允許您根據(jù)結(jié)構(gòu)化整定過程進行工作，該過程考慮了您的過程行為和控制需求。啟發(fā)式和基于規(guī)則的調(diào)整需要一個迭代過程。ZieglerNichols等方法在許多（簡單）情況下給出了合理的結(jié)果，但無法提供與基于模型的PID調(diào)節(jié)相同的結(jié)構(gòu)化過程和生產(chǎn)結(jié)果。

基于模型的調(diào)整方法可能看起來更耗時，但一旦為PID回路設(shè)置了正確的參數(shù)，您就會立即看到好處。這些好處將長期存在。在第一次將PID控制器設(shè)置正確后，您不必再次查看它，除非過程中發(fā)生了變化。