浅谈PID参数的整定

韦斌

引言：简单介绍了PID控制的意义，在我厂的使用状况和使用效果，以及PID参数的几种常用的整定方法。

一、引言

自动调节，又称自动控制，如今已经涵盖了社会生活的方方面面。在工程控制领域，理所应当的属于应用最普遍的范畴，但是在生物、电子、机械、军事等各个领域。甚至连政治经济领域，似乎也隐隐存在着自动控制的原理。当前，工业自动化水平已成为衡量各行业现代化水平的一个重要标志，自动化水平的高低也就是体现在对各种工艺参数的自动控制上，而自动控制的核心部分则是PID控制器，目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器 （仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 （intelligent regulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制 器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。因此，我们有必要掌握PID控制器的相关知识。

二、什么是PID

PID是比例，积分，微分的缩写。

比例调节作用：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。

微分调节作用：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。

一个自动控制系统的过渡过程或者控制质量，与被控对象的特性、干扰形式与大小、控制方案的确定及控制器的参数整定有着密切关系。对象特性和干扰情况是受工艺操作和设备特性限制的。在确定控制方案时，只能尽量设计合理，并不能任意改变它。一旦方案确定了，对象各通道的特性就已成定局。这时控制质量只取决于控制参数的整定了。所谓PID参数的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好时的PID参数值，具体来说，就是确定最合适的控制器比例度P、积分时间Ti和微分时间Td。

三、PID控制在我厂的应用

在厂内的设备控制中，用到PID控制的场合不计其数，在温度、压力、流量和料位四大类工艺参数的控制中，都可见到PID控制的身影。除此之外，绝大多数的变频电机、气动调节阀、卸矿站定量给料机，原料磨皮带秤等等设备均有用到PID对其进行自动控制。

四、PID参数整定方法及应用场合

PID参数整定方法很多，工程上最常用的有临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法。

1、临界比例度法

这是目前使用较多的一种方法。它是先通过试验得到临界比例度PB和临界周期TK， 根据经验公式求出控制器各参数值。具体做法如下：

i. 被控系统稳定后，把控制器的积分时间放到最大，微分时间放到零，只使用比例作用。

ii.通过外界干扰或使控制器设定值作一阶跃变化，观察由此而引起的测量值振荡。

iii.从大到小逐步把控制器的比例度减小，看测量值振荡的变化时发散的还衰减的，如是衰减的则应把比例度继续减小，如是发散的则应把比例度放大。

iv.连续重复2）3）步骤，直至测量值按恒定幅度和周期发生振荡，即持续4～5次等幅振荡为止。此时的比例度值就是临界比例度PB。

v.从振荡波形图来看，来回振荡1次的时间就是临界周期TK，即从振荡波的第一个波的顶点到第二个波的顶点的时间。

vi.得到了临界比例度PB和临界周期TK后，就可以根据表1中的经验公式求出控制器的P、Ti、Td参数值了。

2、衰减曲线法

衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值，具体做法如下：

1）在闭合的控制系统中，将控制器变为纯比例作用，比例度放在较大的数值上。

2）系统达到稳定后，通过外界干扰或使控制器设定值作一阶跃变化，观察记录曲线的衰减比。

3）从大到小改变比例度，直至出现4：1衰减比为止，几下此时的比例度Ps并从曲线上得出衰减周期Ts。

4）得到了衰减比例度Ps和衰减周期Ts后，就可以根据经验公式求出控制器的P、Ti、Td参数值了。

衰减曲线法比较简单，适用于一般情况下的各种参数的控制系统。但对于干扰频繁，记录曲线不规则，不断有小摆动时，由于不易得到正确的衰减比例度Ps和衰减周期Ts，使得这种方法难于应用。

3、经验凑试法

经验凑试法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法。它是根据经验公式先将控制器参数放后，可把整定好的P和Ti值减小一点再进行现场凑试，直到P、Ti和Td取得最佳值为止。经验凑试法的特点是方法简单，适用于各种控制系统，因此应用非常广泛。特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。但是此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往费时较多。值得注意的是，对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，可能得出不同的参数，这是由于对每一条曲线的看法，有时会因人而异，没有一个明确的判断标准，而且不同的参数匹配有时会使所得过渡过程衰减情况一样。在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。

对于温度系统：P（%）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5--3

对于流量系统：P（%）40--100，I（分）0.1--1

对于压力系统：P（%）30--70，I（分）0.4--3

对于液位系统：P（%）20--80，I（分）1--5

PID参数整定顺口溜：

参数整定找最佳，从小到大顺序查

先是比例后积分，最后再把微分加

曲线振荡很频繁，比例度盘要放大

曲线漂浮绕大弯，比例度盘往小扳

曲线偏离回复慢，积分时间往下降

曲线波动周期长，积分时间再加长

曲线振荡频率快，先把微分降下来

动差大来波动慢。微分时间应加长

理想曲线两个波，前高后低4比1

一看二调多分析，调节质量不会低

五、PID的调节效果

控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的﹔准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差﹔快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。以2#蒸发VI效液位为例，红色线条为设定液位，蓝色线条为实际液位，从图中可以看出，当两者有偏差时，在PID自动调节下，实际液位能够实现快、准、稳的向设定液位方向变化，从而满足工艺生产要求。

六、结束语

在一个控制系统投运时，控制器的参数必须整定，才能获得满意的控制质量。同时，在生产进行的过程中，如果工艺条件改变，或负荷有很大变化，被控的对象特性就要改变，因此，控制器的参数必须重新整定。由此可见，整定控制器参数是经常的工作，对工艺人员与仪表人员来说，都是需要掌握的。

（作者单位：广西华银铝业有限公司）