PID控製器參數設定講解
(1)PID是比例,積分,微分的縮寫.
比例調節作用：是按比例反應係統的偏差,係統一旦出現了偏差,比例調節立即產生調節作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調節,減少誤差,但是過大的比例,使係統的穩定性下降,甚至造成係統的不穩定。
積分調節作用：是使係統消除穩態誤差,提高無差度。因為有誤差,積分調節就進行,直至無差,積分調節停止,積分調節輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數Ti,Ti越小,積分作用就越強。反之Ti大,則積分作用弱,加入積分調節可使係統穩定性下降,動態響應變慢。積分作用常與另兩種調節規律結合,組成PI調節器或PID調節器。
微分調節作用：微分作用反映係統偏差信號的變化率,具有預見性,能預見偏差變化的趨勢,因此能產生超前的控製作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分調節作用消除。因此,可以改善係統的動態性能。在微分時間選擇合適情況下,可以減少超調,減少調節時間。微分作用對噪聲幹擾有放大作用,因此過強的加微分調節,對係統抗幹擾不利。此外,微分反應的是變化率,而當輸入沒有變化時,微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用,需要與另外兩種調節規律相結合,組成PD或PID控製器。
(2) PID具體調節方法
①方法一
確定控製參數
數字PID控製器控製參數的選擇，可按連續-時間PID參數整定方法進行。
在選擇數字PID參數之前，首先應該確定控製器結構。對允許有靜差（或穩態誤差）的係統，可以適當選擇P或PD控製器，使穩態誤差在允許的範圍內。對必須消除穩態誤差的係統，應選擇包含積分控製的PI或PID控製器。一般來說，PI、PID和P控製器應用較多。對於有滯後的對象,往往都加入微分控製。
選擇參數
控製器結構確定後，即可開始選擇參數。參數的選擇，要根據受控對象的具體特性和對控製係統的性能要求進行。工程上，一般要求整個閉環係統是穩定的，對給定量的變化能迅速響應並平滑跟蹤，超調量小；在不同幹擾作用下，能保證被控量在給定值；當環境參數發生變化時，整個係統能保持穩定，等等。這些要求，對控製係統自身性能來說，有些是矛盾的。我們必須滿足主要的方麵的要求，兼顧其他方麵，適當地折衷處理。
PID控製器的參數整定，可以不依賴於受控對象的數學模型。工程上，PID控製器的參數常常是通過實驗來確定，通過試湊，或者通過實驗經驗公式來確定。
常用的方法，采樣周期選擇，
實驗湊試法
實驗湊試法是通過閉環運行或模擬，觀察係統的響應曲線，然後根據各參數對係統的影響，反複湊試參數，直至出現滿意的響應，從而確定PID控製參數。
整定步驟
實驗湊試法的整定步驟為"先比例，再積分，最後微分"。
（1）整定比例控製
將比例控製作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。
（2）整定積分環節
若在比例控製下穩態誤差不能滿足要求，需加入積分控製。
先將步驟（1）中選擇的比例係數減小為原來的50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然後減小積分時間，加大積分作用，並相應調整比例係數，反複試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數。
（3）整定微分環節
若經過步驟（2），PI控製隻能消除穩態誤差，而動態過程不能令人滿意，則應加入微分控製，構成PID控製。
先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例係數和積分時間，反複試湊至獲得滿意的控製效果和PID控製參數。
實驗經驗法
擴充臨界比例度法
實驗經驗法調整PID參數的方法中較常用的是擴充臨界比例度法,其最大的優點是，參數的整定不依賴受控對象的數學模型，直接在現場整定、簡單易行。
擴充比例度法適用於有自平衡特性的受控對象，是對連續-時間PID控製器參數整定的臨界比例度法的擴充。
整定步驟
擴充比例度法整定數字PID控製器參數的步驟是：
（1）預選擇一個足夠短的采樣周期TS。一般說TS應小於受控對象純延遲時間的十分之一。
（2）用選定的TS使係統工作。這時去掉積分作用和微分作用，將控製選擇為純比例控製器，構成閉環運行。逐漸減小比例度，即加大比例放大係數KP，直至係統對輸入的階躍信號的響應出現臨界振蕩（穩定邊緣），將這時的比例放大係數記為Kr,臨界振蕩周期記為Tr。
（3）選擇控製度。
控製度，就是以連續-時間PID控製器為基準，將數字PID控製效果與之相比較。
通常采用誤差平方積分
作為控製效果的評價函數。
定義控製度
采樣周期TS的長短會影響采樣-數據控製係統 的品質，同樣是最佳整定，采樣-數據控製係統的控製品質要低於連續-時間控製係統。因而，控製度總是大於1的，而且控製度越大，相應的采樣-數據控製係統的品質越差。控製度的選擇要從所設計的係統的控製品質要求出發。
（4） 查表確定參數。根據所選擇的控製度，查表3一2，得出數字PID中相應的參數TS,KP,TI和TD。
（5）運行與修正。將求得的各參數值加入PID控製器,閉環運行,觀察控製效果,並作適當的調整以獲得比較滿意的效果。
②方法二
2.3 PID參數整定方法
2.3.1 工程整定法
PID數字調節器的參數，除了比例係數Kp，積分時間Ti和微分時間Td外，還有1個重要參數即采樣周期T。
1．采樣周期T的選擇確定
從理論上講，采樣頻率越高，失真越小。但是，對於控製器，由於是依靠偏差信號來進行調節計算的，當采樣周期T太小，偏差信號也會過小，此時計算機將失去調節作用；若采樣周期T太長，則將引起誤差。因此采樣周期T必須綜合考慮。采樣周期的選擇方法有兩種，一種是計算法，另一種是經驗法。
計算法由於比較複雜，特別是被控對象各環節時間常數難以確定，工程上較少用。經驗法是一種湊試法，即根據人們在控製工作實踐中積累的經驗以及被控對象的特點，先選擇一個采樣周期T，進行試驗，再反複改變T，直到滿意為止。
2．Kp，Ti，Td的選擇方法
1）擴充臨界比例度法
擴充臨界比例度法是簡易工程整定方法之一，用它整定Kp，Ti，Td的步驟如下。
選擇最短采樣周期Tmin，求出臨界比例度Su和臨界振蕩周期Tu。具體方法是將Tmin輸入計算機，隻有P環節控製，逐漸縮小比例度，直到係統產生等幅振蕩。此時的比例度即為臨界比例度Su，振蕩周期稱為臨界振蕩周期Tu。選擇控製度為：（2-15）
通常當控製度為1.05時，表示數字控製方式與模擬方式效果相當。根據計算度，查表2-1可求出Kp，Ti，Td。
2）擴充響應曲線法
若已知係統的動態特性曲線，可以采用和模擬調節方法一樣的響應曲線法進行整定，其步驟如下。
斷開微機調節器，使係統手動工作，當係統在給定值處處於平衡後，給一階躍輸入。用儀表記錄被調參數在此階躍作用下的變化過程曲線。如圖2-12所示。
在曲線最大斜率處做切線，求得滯後時間t，對象時間常數τ以及它們的比值τ/t。根據所求得的τ，t和τ/t值，查表2-2求得值Kp，Ti，Td。
2.3.2 經驗法
在實際工作過程中，由於被調對象的動態特性不是很容易確定，即使確定了，不僅計算困難，工作量大，往往其結果與實際相差較大，甚至事倍功半。因此，在實際生產過程中采用的是經驗法。即根據各調節作用的規律，經過閉環試驗，反複湊試，找出最佳調節參數。微機調速器參數最終要在現場試驗好後，才能選出最優參數。廠家有規定的參考值，有一個範圍，是理論計算出來的。因此要選擇出最優參數，就必須在生產現場進行試驗做記錄曲線後方能得到。
2.3.3 湊試法確定PID調節參數
湊試法是通過模擬（或閉環）運行觀察係統的響應（例如，階躍響應）曲線，然後根據各調節參數對係統響應的大致影響，反複湊試參數，以達到滿意的響應，從而確定PID的調節參數。增大比例係數Kp一般將加快係統的響應，這有利於減小靜差。但過大的比例係數會使係統有較大的超調，並產生振蕩，使穩定性變壞。增大式（2-2）中的Td有利於加快係統響應，使超調量減小，穩定性增加，但對於幹擾信號的抑製能力將減弱。在湊試時，可參考以上參數分析控製過程的影響趨勢，對參數進行先比例，後積分，再微分的整定步驟。其具體步驟如下：
首先整定比例部分。將比例係數由小調大，並觀察相應的係統響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。如果係統沒有靜差或靜差小到允許的範圍之內，並且響應曲線已屬滿意，那麼隻需要用比例調節器即可，最優比例係數可由此確定。
當僅調節比例調節器參數，係統的靜差還達不到設計要求時，則需加入積分環節。整定時，首先置積分常數Ti為一個較大值，經第一步整定得到的比例係數會略為縮小（如減小20%），然後減小積分常數，使係統在保持良好動態性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據響應曲線的好壞反複修改比例係數和積分常數，直至得到滿意的效果和相應的參數。
若使用比例積分器，能消除靜差，但動態過程經反複調整後仍達不到要求，這時可加入微分環節。在整定時，先置微分常數Td為零，在第二步整定的基礎上，增大Td，同時相應地改變Kp和Ti，逐步湊試，以獲得滿意的調節效果和參數。
應該指出，在整定中參數的選定不是惟一的。事實上，比例、積分和微分三部分作用是相互影響的。從應用角度來看，隻要被控製過程的主要性能指標達到設計要求，那麼比例、積分和微分參數也就確定了。表2-3給出了一些常見的調節器參數選擇範圍。
（3）總結
PID控製器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：
一是理論計算整定法。它主要是依據係統的數學模型，經過理論計算確定控製器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。
二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控製係統的試驗中進行，且方法簡單、易於掌握，在工程實際中被廣泛采用。
PID控製器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。
現在一般采用的是臨界比例法。
利用該方法進行PID控製器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓係統工作；(2)僅加入比例控製環節，直到係統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時的比例放大係數和臨界振蕩周期；(3)在一定的控製度下通過公式計算得到PID控製器的參數。
PID參數的設定：是靠經驗及工藝的熟悉，參考測量值跟蹤與設定值曲線，從而調整P\I\D的大小。
PID控製器參數的工程整定,各種調節係統中P.I.D參數經驗數據以下可參照：
溫度T: P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s
壓力P: P=30~70%,T=24~180s,
液位L: P=20~80%,T=60~300s,
流量L: P=40~100%,T=6~60s。
常用口訣：
參數整定找最佳，從小到大順序查
先是比例後積分，最後再把微分加
曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大
曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳
曲線偏離回複慢，積分時間往下降
曲線波動周期長，積分時間再加長
曲線振蕩頻率快，先把微分降下來
動差大來波動慢。微分時間應加長
理想曲線兩個波，前高後低4比1
一看二調多分析，調節質量不會低
