PID控制原理與調整方法

1、. 一、 前言 在我們燃燒器的自動燃燒控制中，普遍的使用到了PID控制，由于我們對它的了解程度不夠深刻，在許多應用現場和用戶面前給我們帶來了很多尷尬。為了讓大家能深刻的理解并掌握PID，這里我將我搜集到的一些資料結合本人現場調試的一些經驗與心得，與大家共同學習探討。二、PID控制類型與意義所謂的PID控制其實是自動控制輸出的一種控制類型。它還有P（比例）控制、I（積分）控制、D（微分）控制，組合在一起使用的有PI控制、PD控制、PID控制。盡管不同類型的控制器，其結構、原理各不相同，但是基本控制規(guī)律只有三個：比例（P）控制、積分（I）控制和微分（D）控制。這幾種控制規(guī)律可以單獨使用，但是更多場

2、合是組合使用。如比例（P）控制、比例-積分（PI）控制、比例-積分-微分（PID）控制等。 1、比例（P）控制單獨的比例控制也稱“有差控制”，控制器輸出的變化與輸入控制器的偏差（偏差指目標值與實際值之間的差）成比例關系，偏差越大輸出越大（或越小根據正反比例有關）。輸出=偏差*比例比如說，一個熱風爐出口溫度的PID控制的比例是10，它的預定值是500C。那么它在小于490C的時候會輸出100%，在495C的時候會輸出50%，在499C的時候輸出10，在偏差是0的時候，控制器的輸出也是0。實際應用中，比例度的大小應視具體情況而定，比例度太小，控制作用太弱，不利于系統(tǒng)克服擾動，余差太大，控制質量差，

3、也沒有什么控制作用；比例度太大，控制作用太強，容易導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，引發(fā)振蕩。 對于反應靈敏、放大能力強的被控對象（例如熱風爐的溫度控制），為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應當使比例度稍小些；而對于反應遲鈍，放大能力又較弱的被控對象（例如蒸汽壓力的控制），比例度可選大一些，以提高整個系統(tǒng)的靈敏度，也可以相應減小余差。 這里說的比例度的大小不是指P值數字的大小，而是指P值在整個被控對象中所占比例的大小，例如，我們平常的蒸汽壓力控制目標為2.0MPa，它的比例取值為1，但它已占最大差值比例的50% ,1/（2-0）*100%=50%。而熱風溫度控制中，熱風目標為500，比例取10時，它占最大差值的10%,

4、10/(500-0)*100%=2%單純的比例控制適用于擾動不大，滯后較小，負荷變化小，要求不高，允許有一定余差存在的場合。 2、比例積分（PI）控制比例控制規(guī)律是基本控制規(guī)律中最基本的、應用最普遍的一種，其最大優(yōu)點就是控制及時、迅速。只要有偏差產生，控制器立即產生控制作用。但是，不能最終消除余差的缺點限制了它的單獨使用?？朔嗖畹霓k法是在比例控制的基礎上加上積分控制作用。 積分控制器的輸出與輸入偏差對時間的積分成正比。這里的“積分”指的是“積累”的意思。積分控制器的輸出不僅與輸入偏差的大小有關，而且還與偏差存在的時間有關。只要偏差存在，輸出就會不斷累積（輸出值越來越大或越來越?。恢钡狡?/p>

5、為零，累積才會停止。所以，積分控制可以消除余差。積分控制規(guī)律又稱無差控制規(guī)律。 積分時間的大小表征了積分控制作用的強弱。積分時間越小，控制作用越強；反之，控制作用越弱。 積分控制雖然能消除余差，但它存在著控制不及時的缺點。因為積分輸出的累積是漸進的，其產生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時有效地克服干擾的影響，難以使控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來。所以，實用中一般不單獨使用積分控制，而是和比例控制作用結合起來，構成比例積分控制。這樣取二者之長，互相彌補，既有比例控制作用的迅速及時，又有積分控制作用消除余差的能力。因此，比例積分控制可以實現較為理想的過程控制。 比例積分控制器是目前應用最為廣泛的一種控制

6、器，多用于工業(yè)生產中液位、壓力、流量等控制系統(tǒng)。由于引入積分作用能消除余差，彌補了純比例控制的缺陷，獲得較好的控制質量。但是積分作用的引入，會使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。對于有較大慣性滯后的控制系統(tǒng)，要盡量避免使用。 3、比例微分（PD）控制比例積分控制對于時間滯后的被控對象使用不夠理想。所謂“時間滯后”指的是：當被控對象受到擾動作用后，被控變量沒有立即發(fā)生變化，而是有一個時間上的延遲，比如容量滯后，此時比例積分控制顯得遲鈍、不及時。為此，人們設想：能否根據偏差的變化趨勢來做出相應的控制動作呢？猶如有經驗的操作人員，既可根據偏差的大小來改變閥門的開度（比例作用），又可根據偏差變化的速度大小來預計將要出現

7、的情況，提前進行過量控制，“防患于未然”。這就是具有“超前”控制作用的微分控制規(guī)律。微分控制器輸出的大小取決于輸入偏差變化的速度。 微分輸出只與偏差的變化速度有關，而與偏差的大小以及偏差是否存在與否無關。如果偏差為一固定值，不管多大，只要不變化，則輸出的變化一定為零，控制器沒有任何控制作用。微分時間越大，微分輸出維持的時間就越長，因此微分作用越強；反之則越弱。當微分時間為0時，就沒有微分控制作用了。同理，微分時間的選取，也是需要根據實際情況來確定的。 微分控制作用的特點是：動作迅速，具有超前調節(jié)功能，可有效改善被控對象有較大時間滯后的控制品質；但是它不能消除余差，尤其是對于恒定偏差輸入時，根本

8、就沒有控制作用。因此，不能單獨使用微分控制規(guī)律。 比例和微分作用結合，比單純的比例作用更快。尤其是對容量滯后大的對象，可以減小動偏差的幅度，節(jié)省控制時間，顯著改善控制質量。 4、比例積分微分（PID）控制最為理想的控制當屬比例-積分-微分控制規(guī)律。它集三者之長：既有比例作用的及時迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。 當偏差階躍出現時，微分立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定；而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個作用的控制參數選擇得當，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點

9、，得到較為理想的控制效果。 三、PID控制器調試方法1、比例系數的調節(jié)比例系數P的調節(jié)范圍一般是：0.1-100. 如果增益值取 0.1，PID 調節(jié)器輸出變化為十分之一的偏差值。如果增益值取 100， PID 調節(jié)器輸出變化為一百倍的偏差值。 可見該值越大，比例產生的增益作用越大。初調時，選小一些，然后慢慢調大，直到系統(tǒng)波動足夠小時，再改動積分或微分系數。過大的P值會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，持續(xù)振蕩；過小的P值又會使系統(tǒng)反應遲鈍。合適的值應該使系統(tǒng)由足夠的靈敏度但又不會反應過于靈敏，一定時間的遲緩要靠積分時間來調節(jié)。 2、積分系數的調節(jié)積分時間常數的定義是，偏差引起輸出增長的時間。積分時間設為 1秒

10、，則輸出變化 100%所需時間為 1 秒。初調時要把積分時間設置長些，然后慢慢調小直到系統(tǒng)穩(wěn)定為止。 3、微分系數的調節(jié)微分值是偏差值的變化率。例如，如果輸入偏差值線性變化，則在調節(jié)器輸出側疊加一個恒定的調節(jié)量。大部分控制系統(tǒng)不需要調節(jié)微分時間。因為只有時間滯后的系統(tǒng)才需要附加這個參數。如果畫蛇添足加上這個參數反而會使系統(tǒng)的控制受到影響。如果通過比例、積分參數的調節(jié)還是收不到理想的控制要求，就可以調節(jié)微分時間。初調時把這個系數設小，然后慢慢調大，直到系統(tǒng)穩(wěn)定。 四、總結PID參數的整定還需要我們在現場的實踐中不斷地摸索，與總結。下面是自動控制前輩們的經驗總結。我給其配上一些曲線圖以便于大家更形象深刻的理解。參數整定找最佳