PID参数整定前必须要弄明白的几个问题 - Tobey的日志 -
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PID参数整定前必须要弄明白的几个问题
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|个人分类:|
====程序简述：
开发环境：
& && &&&开发工具：keil V5.20，RTX
& && &&&硬件设备：STM32F103C8T6，ADS1248 ，PT100
目标伺服系统特点：
1、采用电炉丝进行加热，在可控硅的作用下，通过调
& && &节PWM通道的占空比实现伺服系统的温度控制。
2、存在一个上电便开始转动的风扇一直向电炉丝吹风
3、存在一个散热门，用于堵住进风口和出风口，当门
& &&&闭合时会有部分空气流通，当门开启时，由于风扇
& &&&的作用，大量室内空气被吸入伺服系统，同时大量
& &&&热空气（伺服系统内的空气）在出风口被排出
4、风扇的转动产生了一个循环，室内空气不断的被吸
& &&&入伺服系统，同时伺服系统内地热空气也在不断的
& &&&被排出，吸入与排出的空气量由散热门的开口大小& &&&决定。
创建了一个专门用于控制通道温度的任务，
任务实现功能如下：（每秒执行下列操作一次）
1、实现各通道的ADC
2、实现各通道的PID运算
3、实现各通道对应的PWM通道占空比配置
执行流程：
在一秒内循环对所有通道执行下列流程一遍：
1、进行ADC转换获取实际温度值（每次都执行）
2、若设定值与实际温度值相差为25度时进行PID运算（先前每次都执行，当前每15s执行一次）
3、根据PID运算结果重新配置PWM通道占空比（先前每次都执行，当前每15秒执行一次）
由于陷入误区，，这两天不再进行PID整定，查阅了些相关资料，，
发现不少东西先前都未曾考虑过，，希望各位大侠帮忙解惑！
1、PID调节的范围该如何确定？
看到有人在20度范围内进行调节的，即在设定值前20度就开始调节，
也有人在1度范围内就才进行调节，，，
当前系统的温度范围为0-400度，上冲可达8度，算是大迟滞了，，，
最初设定为5度范围内进行PID调节，超调量非常大，查阅了上述以及
其它相关资料后，将其修改为25，，
不过对于调节范围现在还是不懂该设置多大，，
2、比例度公式中的各变量对应关系是什么？
根据经验表可知：& && &（表 1）
温度系统的比例度为：20～60，
有资料据此给出Kp为：1.6～5，该值计算公式为：Kp = 1 / δ × 100%& &&&（表 2）
在另一份资料中给出了另一个 计算公式：
δ = 1 / Kp × （Umax - Umin )&&/ (Emax - Emin ) × 100%& && &&&（图 3）
Umax - Umin：调节器输出信号范围，即控制器输出的工作范围
Emax - Emin：偏差信号范围，即仪表量程
若原始公式是这个，那么第二个资料中的Kp数值计算时
（Umax - Umin )&&/ (Emax - Emin ) = 1.。
在程序中，当前根据第二份资料提供的数据将Kp设定为最大值5，，，
PID计算输出结果范围：-300 -- 300 （-300 - 0用于控制散热门的开口大小，实现降温）
PWM占空比的范围为：0～300，（实现升温）
当前设定的调节范围为：25，（即在设定值的+-25度范围内进行PID调节）
所得的相关参数是否为下列所示值？：
Umax ：300
Umin：-300
3、采用周期如何确定？& && &&&（表 4）
最初每次进行ADC后马上进行PID调节并调整PWM占空比，即采样周期为1s，
在查阅了相关资料后，看到一张采样周期的经验表，其中提供了各类系统的数据，
温度系统的采样周期为15～20，因此，将采样周期修改为15s，，，不知是否合理，，
显然我是在不知所以的状态下依葫芦画瓢～～
===================解答：问题1：PID调节范围如何确定& & & &PID的调节范围只能根据实际仪器设定，根据经验或试验结果得出。& & & &我的解决方案： 根据经验值（例如温度系统的比例度为：20～60，采样周期为：15～20），那么就取比例度的最大值，得到& & & & & & & Kp的最小值，将该值投入系统中（此时为纯比例控制），并将采样周期设定为15，若此时出现较大超调，则& & & & & 将调节范围扩大，直至超调满足要求或没有超调。将此时的控制范围作为PID的调节范围使用，，，问题2：比例度公式的各变量对应关系是什么? 比例公式：具体见图3 比例公式中的各变量需要结合具体的执行器，下面以我当前使用的执行器做说明： 执行器：PWM通道控制双向可控硅的导通占空比，导通方式以周期的形式进行划分 PWM配置：将每秒分为300等分 Umax=300，（因为执行器PWM通道可分配占空比为0-300） Umin=0， Emax=50，（当前我采用的控制范围为设定值的+-50度） Emin=0，（将比例度与Kp值代入算式即可得出该结论） 根据上述变量值即可获得本系统在当前控制范围时的Kp取值范围， 再结合经验表，可得各Kp值下Ki，Kd的取值范围，算小试凑范围从而减少试凑次数！ 注意事项：一定要把当前系统的执行器弄明白了！否则，系统模型无法确定！ 例如：上述所描述的系统（最上边），在该系统中，执行器不仅有加热执行器， 还有散热用的执行器（散热门），虽然根据个人主观想法十分容易理解： 当温度不足时加热，当温度超过设定值时开门散热，，，然而，我们需要 明白的是，调节过程不同的执行器相互会产生影响，互为干扰源～～ 尤其是，当采用PID调节器时，由于微分项的作用，将造成系统不稳定！ 解决方法：当然，同时采用多个执行器是可以的，不过，此时建模就不是很容易了，， 具体就得自己考虑如何建模比较合适了，，最简单的方法大概就是将将整个 温控系统的调节过程分为多个阶段，在不同的阶段仅采用一个执行器，这样 建模就OK了！Kp的获取方式说明：δ代表使调节阀开度改变100%，即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。& && &例如：若测量仪器表的量程为100度则δ=50%就表示被调量需要& && && && && &&&改变50度才能使调节阀从全关到全开。 依据上述说明，假设当前δ=50%，那么Kp×25=300，即可得Kp=12，问题3：采样周期如何确定 采样周期依据经验表设定并进行测试，根据试验所得曲线，得出适宜的采样周期总结： 使用PID控制器时，切记不要一上来就开始整定参数，一定要把上述几个问题先解决了，& & & & 此时再进行PID参数整定；否则，由于一开始的根基就是错误的，费时、费力的获得到 的参数将毫无意义的，事后还得重新整定！
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Powered byPCB下载站 位(被调量)变化100％所需要的时间。?和?的大小与锅炉的容量及参数有关。容量为410t／h，参数为9.8MPa、540℃的高压炉，r=10s，?=0.015[(mm?s?1)／(t?h?1)]；对于容量为670t／h，参数13.72MPa、540℃的超高压炉，r=5～10s，?=0.5[(mm?s?1)／(t?h?1)]。由此可见，随着锅炉容量的增大和参数的提高，水位内扰特性的迟延时间减小，响应速度也略有下降，对水位H的控制是有利的。但是，如果按锅炉容量的增大来计算响应速度(以额定容量的1％来计算)，则得到的相对响应速度逐渐增大，说明随着锅炉容量和参数的提高，对水位H控制的要求也越高。 4.2.2
蒸汽流量扰动下水位的动态特性 蒸汽流量扰动主要来自汽轮发电机组的负荷变化属外部扰动。在蒸汽流量D扰动下水位变化的阶跃响应曲线如图4-3所示。当蒸汽流量突然阶跃增大时，由于汽包水位对象是无自平衡能力的，这时水位应按积分规律下降，如图4-3中H1曲线所示。但是当锅炉蒸发量突然增加时，汽包水下面的汽泡容积也迅速增大，即锅炉的蒸发强度增加，从而使水位升高，因蒸发强度的增加是有一定限度的，故汽泡容积增大而引起的水位变化可用惯性环节特性来描述，如图4-3中曲线H2所示，实际的水位变化曲线H则为H1和H2的合成。由图4-3中可以看出，当锅炉蒸汽负荷变化时，汽包水位的变化图4-3蒸汽流量阶跃扰动下具有特殊的形式：在负荷突然增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸发量，但开始阶段的水位不仅不下降，反而迅速上升(反之，当负荷突然减少时，水位反而先下降)，这种现象称为“虚假水位”现象。这显然是因为在负荷变化的初始阶段，水面下汽泡的体积变化很快，它对水位的变化起主要影响作用，因此水位随汽泡体积增大而上升。只有当汽泡容积与负荷适应而不再变化时，水位的变化就仅由物质平衡关系来决定，这时水位就随负荷增大而下降，呈无自平衡特性。 蒸汽流量扰动下的水位响应特性可用下述近似传递函数来描述： WOD?s??H?s?K2???
(4-4) D?s?1?T2ss式中
T2――H2曲线的时间常数；
K2――H2曲线的放大系数；
e――Hl曲线的响应速度。 上面所述的蒸汽流量扰动下的水位控制对象动态特性，只是从蒸发强度变化对汽泡容积的影响方面定性地说明水位变化的特点。实际上，改变汽轮机的用汽量引起的PCB下载站 36 PCB下载站 蒸汽流量的阶跃扰动，必定引起汽压的变化，汽压变化也会影响到水面下汽泡的体积变化，所以实际的虚假水位现象会更严重些。
图4-3 蒸汽流量阶跃扰动
图4-4 燃料量扰动下的水位特性 下的水位响应曲线
炉膛热负荷扰动下水位控制对象的动态特性 当燃料量扰动时，例如燃料量增加使炉膛热负荷增强，从而使锅炉蒸发强度增大。若此时汽轮机负荷未增加，则汽轮机侧调节阀开度不变。随着炉膛热负荷的增大，锅炉出口压力提高，蒸汽流量也相应增加，这样蒸汽流量大于给水流量，水位应该下降。但是蒸发强度增大同样也使水面下汽泡容积增大，因此也会出现虚假水位现象。燃料量扰动下的水位阶跃响应曲线如图4-4所示，它和图4-3有些相似。只是在这种情况下，蒸汽流量增加的同时汽压也增大了，因而使汽泡体积的增加比蒸汽流量扰动时要小，从而使水位上升较少。另外，由于蒸发量随燃料量的增加有惯性和时滞，如图4-4中虚线所示，这就导致迟延时间?B较长。 4.3
给水自动控制系统 根据汽包锅炉给水控制对象动态特性的特点，我们可以提出确定给水控制系统结构的一些基本思想： 一、由于对象的内扰动态特性存在一定的迟延和惯性，所以给水控制系统若采用以水位为被调量的单回路系统，则控制过程中水位将出现较大的动态偏差，给水流量波动较大。因此，对给水内扰动态特性迟延和惯性大的锅炉应考虑采用串级或其他控制方案。 PCB下载站 37 PCB下载站 二、由于对象在蒸汽负荷扰动(外扰)时，有“虚假水位”现象。因此给水控制若采用以水位为被调量的单回路系统，则在扰动的初始阶段，调节器将使给水流量向与负荷变化方向相反的方向变化，从而扩大了锅炉进、出流量的不平衡。 所以在设计给水控制系统时，应考虑采用以蒸汽流量D为前馈信号的前馈控制，以改善给水控制系统的控制品质。 总之，由于电厂锅炉水位控制对象的特点，决定了采用单回路反馈控制系统不能满足生产对控制品质的要求，所以电站汽包锅炉的给水自动控制普遍采用三冲量给水自动控制系统方案，如图4-5所示。 4.3.1
单级三冲量给水控制系统 一、系统结构和工作原理 图4-5为常用的单级三冲量给水控制系统图。给水调节器接受汽包水位H、蒸汽流量D和给水流量W三个信号(所以称三冲量控制系统)。其输出信号去控制给水流量，其中汽包水位是被调量，所以水位信号称为主信号。为了改善控制品质，系统中引入了蒸汽流量的前馈控制和给水流量的反馈控制，这样组成的三冲量给水控制系统是一个前馈――反馈控制系统。当蒸汽流量增加时，调节器立即动作，相应地增加给水流量，能有效地克服或减小虚假水位所引起的调节器误动作。因为调节器输出的控制信号与蒸汽流量信号的变化方向相同，所以调节器入口处，主蒸汽流量信号VD为正极性的。当给水流量发生自发性扰动时(例如给水压力波动引起给水流量的波动)，调节器也能立即动作，使给水流量迅速恢复到原来的数值，从而使汽包水位基本不变。可见给水流量信号作为反馈信号，其主要作用是快速消除来自给水侧的内部扰动，因此在调节器入口处，给水流量信号VW为负极性的。当汽包水位H增加时，为了维持水位，调节器的正确操作应使给水流量减小，反之亦然，即调节器操作给水流量的方向与水位信号的变化方向相反，因此调节器入口处水位信号VH应定义为负极性。但由于汽包锅炉的水位测量装置――平衡容器本身已具有反号的静特性，所以进入调节器的水位变送器信号VH应为正极性，如图4-5所示。 由图4-5可以看出，在单级三冲量给水控制系统中，水位、蒸汽流量和给水流量对应的三个信号VH、VD、VW都送到PI调节器，静态时，这三个输入信号V0相平衡，即
VD-VW+VH=V0 或 V0-VH=VD-VW
(4-5) 如果在静态时使送入调节器的蒸汽流量信号VD与给水流量信号VW相等，则水位PCB下载站 38 PCB下载站 信号VH就等于给定值信号V0，即汽包中的水位将稳定在某一给定值。如果在静态时则汽包中的水位稳定值将不等于给定值(即VH≠V0)。一般情况下选择静态时VD≠VW，VD=VW，因而使控制过程结束后汽包水位保持给定的数值。
图4-5 单级三冲量给水控制系统图
?p-差压变送器；
-开方器；PI给水调节器；KZ-执行机构； ?W，?D-给水流量信号和蒸汽流量信号的灵敏度 二、单级三冲量给水控制系统的分析和整定
图4-6 单级三冲量给水自动控制原理框图 PCB下载站 39 PCB下载站 W1-给水流量扰动；W2-调节阀对给水量的调节作用；W-给水流量 (W1+W2)；D-蒸汽流量；WOD?s?-蒸汽流量扰动下水位变化的传递函数；WOW?s?-给水流量扰动下水位变化的传递函数；?H、?W、?D-水位、给水流量、蒸汽流量测量变送器的斜率；?w、?D-蒸汽流量信号和给水流量信号的灵敏度； KZ-执行器的比例系数；K?-调节阀的放大系数 单级三冲量给水控制系统的原理框图如图4-6所示，从方框图的结构中可以看出，这个系统由两个闭合的反馈回路及前馈部分组成： (1)由调节器WT?s?、执行机构Kz、调节阀K?、给水流量变送器?W和给水流量反馈装置?w组成的内回路(或称副回路)。 (2)由水位控制对象W01?s?、水位变送器?H和内回路组成的外回路(或称主回路)。 (3)由蒸汽流量信号D及蒸汽流量测量装置?D、蒸汽流量前馈装置?D构成的前馈控制部分。 下面对两个闭合回路及前馈控制部分进行分析和整定。 1．内回路
图4-7 三冲量给水控制系统的内回路方框图 内回路方框图如图4-7所示，根据图4-7所示的方框图，可以把内回路作为一般的单回路系统进行分析。如果把调节器以外的环节等效地看作被控对象，那么被控对象动态特性近似为比例环节(因为执行器、调节阀、变送设备和给水流量反馈装置都可以近似认为是比例环节)。因此调节器的比例带?和积分时间Ti都可以取的很小。?和Ti的具体数值可以用试探方法决定以保证内回路不振荡为原则，一般Ti≤100s。在试探时，给水流量反馈装置的传递系数(给水流量信号的灵敏度)?w可任意设置一个数值，得到满意的?值，如果以后?w有必要改变，则应相应地改变?值，使?w/?保持试探时的值，以保证内回路的开环放大倍数不变。 2．主回路 在内回路经过正确整定之后，其控制过程是非常快的。这是因为调节器为比例积分特性，?和Ti又设置的较小，故它能快速动作。当外来控制信号?V改变时，调节器几乎立即成比例地改变给水流量W，使?V=VW，即 PCB下载站 40?<<?? 1/4 ì?÷????±±???í 1/4 ?
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1/4 ???????<<? 3/4 &&°ae?¨?ù??&&ALL&RIGHTS&RESERVED&&&& 3/4 (C)ICP±,??PID参数整定快速入门（调节器参数整定方法）
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PID参数整定快速入门（调节器参数整定方法）
参数整定方法很多，常见的工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法和经验法。云润仪表以图文形式分别介绍调节器参数整定方法。
临界比例度法一个调节系统，在阶跃干扰作用下，出现既不发散也不衰减的等幅震荡过程，此过程成为等幅振荡过程，如下图所示。此时调节器的比例度为临界比例度δk，被调参数的工作周期为为临界周期Tk。
临界比例度法整定PID参数步骤1、将调节器积分时间设定为无穷大、微分时间设定为零（即Ti＝∞，Td＝0），比例度适当取值，调节系统按纯比例作用投入。稳定后，适当减小比例度，在外界干扰作用下，观察过程变化情况，寻取系统等幅振荡临界状态，得到临界参数。2、根据临界比例度δk和为临界周期Tk，按下表计算出调节器参数整定值&&&&&&&&&&&&& & 临界比例度法PID参数整定经验公式
调节器参数
比例度δ，单位：％
积分时间Ti，单位：min
微分时间Td，单位：min
3、将计算所得的调节器参数输入调节器后再次运行调节系统，观察过程变化情况。多数情况下系统均能稳定运行状态，如果还未达到理想控制状态，进需要对参数微调即可。衰减曲线法衰减曲线法整定调节器参数通常会按照4：1和10：1两种衰减方式进行，两种方法操作步骤相同，但分别适用于不同工况的调节器参数整定。4：1衰减曲线法整定调节器参数纯比例度作用下的自动调节系统，在比例度逐渐减小时，出现4：1衰减振荡过程，此时比例度为4：1衰减比例度δs，两个相邻同向波峰之间的距离为4:1衰减操作周期TS，如下图所示4：1衰减曲线法整定PID参数步骤如下：1、将调节器积分时间设定为无穷大、微分时间设定为零（即Ti＝∞，Td＝0），比例度适当取值，调节系统按纯比例作用投入。系统稳定后，逐步减小比例度，根据工艺操作的许可程度加2％-3％的干扰，观察调节过程变化情况，直到调节过程变化达到规定的4：1衰减比为止，得到4：1衰减情况下的比例度δs和衰减操作周期TS。
2、根据δs和Ts值按以下公式计算出调节器整定参数&&&&&&&&&&& && 4：1衰减曲线法PID参数整定经验公式
调节器参数
比例度δ，单位：％
积分时间Ti，单位：min
微分时间Td，单位：min
3、将比例度放在比计算值略大的数值上，逐步引入积分和微分作用。4、将比例度降至计算值上，观察运行，适当调整。10：1衰减曲线法整定调节器参数在部分调节系统中，由于采用4：1衰减比仍嫌振荡比较厉害，则可采用10：1的衰减过程，如下图所示。这种情况下由于衰减太快，要测量操作周期比较困难，但可测取从施加干扰开始至第一个波峰飞升时间Tr。10：1衰减曲线法整定调节参数步骤和4：1衰减曲线法完全一致，仅采用的整定参数和经验公式不同。&&&&&&&&&&&&&&&& &10：1衰减曲线法PID参数整定经验公式
调节器参数
比例度δ，单位：％
积分时间Ti，单位：min
微分时间Td，单位：min
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