經(jīng)驗(yàn)法PID參數(shù)工程整定口訣淺析

　　我們先看網(wǎng)上流傳的PID參數(shù)整定口訣：

　　參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查

　　先是比例后積分，最后再把微分加

　　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

　　曲線偏離回復(fù)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(yīng)加長

　　理想曲線兩個波，前高后低4比1

　　一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低。

　　它是什么時候開始在網(wǎng)上流傳的不太清楚。

　　現(xiàn)在再看另一首口訣：

　　參數(shù)整定尋最佳，從大到小順次查。

　　先是比例后積分，最后再把微分加。

　　曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大。

　　曲線漂浮繞大彎，比例度盤往小扳。

　　曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降。

　　曲線波動周期長，積分時間再加長。

　　理想曲線兩個波，調(diào)節(jié)過程高質(zhì)量。

　　這是一首用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行PID參數(shù)工程整定的口訣，該口訣流傳至今已有幾十年了，其最早出現(xiàn)在1973年11月出版的《化工自動化》一書中。現(xiàn)在網(wǎng)上流傳的口訣，看來大多是以該口訣作為藍(lán)本進(jìn)行了補(bǔ)充和改編而來的，如：“ 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(yīng)加長。”還有的加了：“ 理想曲線兩個波，前高后低4比1，一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低。”等等。

　　現(xiàn)dlr結(jié)合這兩首口訣，進(jìn)行一些淺析。

　　控制系統(tǒng)在設(shè)計、整定和運(yùn)行中，衡量系統(tǒng)質(zhì)量的依據(jù)就是系統(tǒng)的過渡過程。當(dāng)系統(tǒng)的輸入為階躍變化時，系統(tǒng)的過渡過程表現(xiàn)有：發(fā)散振蕩、等幅振蕩、衰減振蕩、單調(diào)過程等形式。在多數(shù)情況下，dlr都希望得到衰減振蕩的過渡過程，且認(rèn)為如圖1所示的過渡過程最好，并把它作為衡量控制系統(tǒng)質(zhì)量的依據(jù)。

　　選用該曲線作為控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的理由是：它第一次回復(fù)到給定值較快，以后雖然又偏離了，但偏離不大，并且只有極少數(shù)幾次振蕩就穩(wěn)定下來了。定量的看，第一個波峰B的高度是第二個波峰B‘高度的4倍，所以這種曲線又叫做4:1衰減曲線。在調(diào)節(jié)器工程整定時，以能得到4:1的衰減過渡過程為最好，這時的調(diào)節(jié)器參數(shù)可叫最佳參數(shù)。

　　先談?wù)効谠E“參數(shù)整定尋最佳，從大到小順次查。”中的最佳參數(shù)問題，很多儀表工都有這樣的體會，在現(xiàn)場的調(diào)節(jié)器工程參數(shù)整定中，如果只按4:1衰減比進(jìn)行整定，那么可以有很多對的比例度和積分時間同樣能滿足4:1的衰減比，但是這些對的數(shù)值并不是任意的組合，而是成對的，一定的比例度必須與一定的積分時間組成一對，才能滿足衰減比的條件，改變其中之一，另一個也要隨之改變。因?yàn)槭浅蓪Τ霈F(xiàn)的，所以才有調(diào)節(jié)器參數(shù)的“匹配”問題。而dlr在實(shí)際應(yīng)用中只有增加一個附加條件，才能從多對數(shù)值中選出一對適合的值。這一對適合的值通常稱為“最佳整定值”。“從大到小順次查”中“查”的意思就是找到調(diào)節(jié)器參數(shù)的最佳匹配值。而“從大到小順次查”是說在具體操作時，先把比例度、積分時間放至最大位置，把微分時間調(diào)至零。因?yàn)槲覀冃枰氖撬p振蕩的過渡過程，并避免出現(xiàn)其它的振蕩過程，在整定初期，把比例度放至最大位置，目的是減小調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。而積分放至最大位置，目的是先把積分作用取消。把微分時間調(diào)至零也是把微分作用取消了。“從大到小……”就是從大到小改變比例度或積分時間刻度，實(shí)質(zhì)是慢慢的增加比例作用或積分作用的放大倍數(shù)。也就是慢慢的增加比例或積分作用的影響，避免系統(tǒng)出現(xiàn)大的振蕩。最后再根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況決定是否使用微分作用。

　　“先是比例后積分，最后再把微分加。”是經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟。比例作用是最基本的調(diào)節(jié)作用，口訣說的：“先是比例后積分”，目的是簡化調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定，即先把積分作用取消和弱化，待系統(tǒng)較穩(wěn)定后再投運(yùn)積分作用。尤其是新安裝的控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)特性不了解時，dlr要做的就是先把積分作用取消，待調(diào)整好比例度，使控制系統(tǒng)大致穩(wěn)定以后，再加入積分作用。對于比例控制系統(tǒng)，如果規(guī)定4:1的衰減過渡過程，則只有一個比例度能滿足這一規(guī)定，而其它的任何比例度都不可能使過渡過程的衰減比為4:1。因此，對比例控制系統(tǒng)只要找到能滿足4:1衰減比時的比例度就行了。

　　在調(diào)好比例控制的基礎(chǔ)上再加入積分作用，但積分會降低過渡過程的衰減比，則系統(tǒng)的穩(wěn)定程度也會降低。為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，可增大調(diào)節(jié)器的比例度，即減小調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。這就是dlr在整定中投入積分作用后，要把比例度增大約20％的原因。其實(shí)質(zhì)就是個比例度和積分時間數(shù)值的匹配問題，在一定范圍內(nèi)比例度的減小，是可以用增加積分時間的方法來補(bǔ)償?shù)模惨吹奖壤饔煤头e分作用是互為影響的，如果設(shè)置的比例度過大時，即便積分時間恰當(dāng)，系統(tǒng)控制效果仍然會不佳。

　　在有的場合，也可不強(qiáng)求以上步驟，而dlr是采取按表-1的經(jīng)驗(yàn)整定法PID參數(shù)湊試范圍一覽表，先把積分、微分時間選擇好，然后由大到小的改變比例度進(jìn)行湊試，直至調(diào)節(jié)過程曲線滿意為止。積分時間和微分時間預(yù)置后用比例度湊試，其體現(xiàn)的是經(jīng)驗(yàn)，如果沒有經(jīng)驗(yàn)就成為盲目調(diào)試了。此方法的缺點(diǎn)是當(dāng)同時使用比例、積分、微分三作用時，不易找到最合適的整定參數(shù)，則反復(fù)的湊試會費(fèi)很多時間。

　　“曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大。”說的是比例度過小時，會產(chǎn)生周期較短的激烈振蕩，且振蕩衰減很慢，嚴(yán)重時甚至?xí)蔀榘l(fā)散振蕩，如圖2所示。這時就要調(diào)大比例度，使曲線平緩下來。

　　“ 曲線漂浮繞大彎，比例度盤往小扳。”說的是比例度過大時會使過渡時間過長，使被調(diào)參數(shù)變化緩慢，即記錄曲線偏離給定值幅值較大，時間較長，這時曲線波動較大且變化無規(guī)則，形狀像繞大彎式的變化，如圖3所示。dlr這時就要減小比例度，使余差盡量小。

　　“曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降。曲線波動周期長，積分時間再加長。”說的是積分作用的整定方法。當(dāng)積分時間太長時，會使曲線非周期地慢慢地回復(fù)到給定值，即“曲線偏離回復(fù)慢”，如圖2-4所示。則應(yīng)減少積分時間。當(dāng)積分時間太短時，會使曲線振蕩周期較長，且衰減很慢，即“曲線波動周期長”，如圖4所示。則應(yīng)加長積分時間。

　　調(diào)節(jié)器的參數(shù)按比例積分作用整定好后，dlr可在積分時間的0.2～0.5倍范圍內(nèi)來調(diào)整微分時間。即“最后再把微分加。”由于微分作用會增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故采用微分作用后，調(diào)節(jié)器的比例度可以再增大一些，一般以增大20％為宜。微分作用主要用于滯后和慣性較大的場合，由于微分作用具有超前調(diào)節(jié)的功能，當(dāng)系統(tǒng)有較大滯后或較大慣性的情況下，才應(yīng)啟用微分作用。

　　為方便理解幾十年前的口訣，對有關(guān)問題談點(diǎn)看法。

　?、?關(guān)于比例度盤

　　口訣是儀表工實(shí)際工作的總結(jié)，但由于歷史的原因，當(dāng)時儀表工所接觸的大多是氣動調(diào)節(jié)儀表，最早的是04型基地式氣動調(diào)節(jié)儀表，后來是氣動單元組合儀表，七十年代初期電動儀表在工廠的應(yīng)用也是很有限的。氣動儀表調(diào)比例度就是改變一個針形閥門的開度，為便于dlr觀察閥門的開度，閥門手柄上有個等分刻度盤；電動儀表調(diào)的是電位器，同樣也有一個等分刻度盤；這就是口訣中說的：“比例度盤”。

　?、?過程曲線的觀察

　　經(jīng)驗(yàn)法的實(shí)質(zhì)就是看曲線，調(diào)參數(shù)。