自控系统中控制点的PID参数的整定方法论述

【摘要】本文介绍了常用PID参数的调节规律和调节器正反作用的确定方法，论述了几种工程上常用的单回路参数整定方法,以及串级控制系统的参数整定方法，并着重叙述了自己的应用经验和体会,希望能够给操作人员提供一些参考。

【关键词】PID；参数整定；串级

0.前言

根据偏差的比例、积分、微分进行控制（简称PID控制），是目前过程控制中应用最广泛的一种控制规律。石油化工企业所有控制系统生产过程的模拟量控制大量采用了PID控制，PID控制主要用于流量、温度、压力、液位、和其它过程回路的反馈控制。但是控制系统的控制回路的自控投用率却普遍不高,这种现象往往与其自控系统的参数整定工作做得好不好有很大关系。做好参数整定工作,提高控制回路的自控投用率,对于保证安全生产,提高产品的产量和质量,具有相当重要的意义。因此，结合生产实际，对PID参数的整定进行反复实践，从而总结出PID参数整定的经验数据和规则以供操作人员参考是很有必要和具有经济价值的。

1.自动调节PID的分析

一个处于平衡状态的自动调节系统,它的被调参数是恒定不变的,当系统受到干扰作用以后,被调参数就要发生变化,此时被调参数与给定值相比较就有一个偏差, 根据这个偏差的大小,调节器就有一个相应的输出信号使调节阀动作即调节规律,对调节对象施加影响,从而使被调参数回复原来给定值,系统达到新的平衡状态,所谓的调节规律就是自动控制调节中的比例调节P,积分调节I和微分调节D。

1.1比例调节P

比例调节依据“偏差的大小”来动作，阀门开度与被调参数的偏差成比例。在DCS里，它用K参数来表示其作用的强弱，K愈大，调节作用愈强，比例作用太强时，会引起振荡。

1.2积分调节I

积分调节依据“偏差是否存在”来动作，调节器的输出与偏差对时间的积分成正比例。积分调节器的输出不仅取决于偏差的大小,而且更主要的是取决于偏差存在的时间。只要偏差存在,即使是很小,但只要存在足够时间,调节器输出也是很大的。只有当输入偏差为零时,调节器输出停止变化,调节阀停止,保持相应位置。DCS里，它用T1参数来表示。

1.3微分调节D

微分调节依据“偏差变化速度”来动作，它的输出与输入偏差变化的速度成比例，有超前调节的作用，对滞后大的对象有很好的效果。在DCS中，它用微分时间T2来表示。

2.调节器正/反作用确定

在做PID参数整定之前,首先要确定的是调节器正/反作用，之后才能进行PID参数整定。一般来讲,通过确定一个闭环调节系统必须是负反馈。①调节对象Ko:阀门、执行器开大，测量PV增加，则Ko>0；反之,则Ko0；阀门反作用(气关、电关) ,则Kv0,则调节器为反作用；若Kc

3.单回路PID参数整定方法

PID调节器的参数整定方法很多，经常使用的是“工程整定法”，它包含三种方法：临界比例系数法、衰减曲线法和经验凑试法。

3.1临界比例系数法

临界比例系数法是在纯比例作用运行下通过试验，得到临界比例系数KK和临界周期TK，然后根据经验总结出来的关系，求出控制器各参数值。

具体做法如下。先将控制器变为纯比例作用，即将积分时间T1放在最大位置上，微分时间T2放在0位置上，在干扰的作用下，从小到大地逐渐改变控制器的比例系数K，直到系统产生如图一所示的等幅振荡为止。这时的比例系数叫临界比例系数KK，周期为临界振荡周期TK，记下KK和TK，然后按经验公式计算出控制器的各参数整定数值。

3.2衰减曲线法

衰减曲线法是在纯比例作用运行下，通过使系统产生衰减振荡，得到衰减比例系数Ks和衰减周期Ts，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。

具体做法如下。在闭合的控制系统中，先将控制器变为纯比例作用，比例系数放在较小的数值上，在达到稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰观察记录曲线的衰减比，然后从小到大改变比例系数，直到出现4：1衰减比为止，记下此时的比例系数Ks，并从曲线上得出衰减周期Ts，然后根据经验公式，求出控制器的各参数整定数值。

3.3经验凑试法

经验凑试法是根据经验先将控制器参数置于一定数值上，然后通过不断观察过渡过程曲线，逐渐凑试，直到获得满意的控制器参数为止。

具体做法如下。先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高控制质量。

4.串级控制系统的参数整定

串级控制系统的参数整定分为两步整定法和一步整定法两种。

4.1两步整定法

两步整定法就是按主、副回路分别整定，第一步先整定副回路，第二步再整定主回路。其步骤如下。

（1）在工艺生产稳定的条件下，将主控制器的比例系数置为1，逐渐增加副控制器的比例系数。当副回路达到4：1的衰减过程时，记下副控制器的比例系数K2S和操作周期T2S。

（2）将副控制器的比例系数固定在K2S，逐渐增加主控制器的比例系数，当主回路达到4：1衰减过程时，记下主控制器的比例系数K1S和操作周期T1S。

（3）根据求出的K1S、T1S、K2S、T2S，按4：1衰减曲线法计算出主、副控制器的比例系数、积分时间和微分时间。

（4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的原则，将计算得出的控制器参数加到控制器上。

（5）观察记录曲线，进行适当的调整。

4.2一步整定法

一步整定法就是根据经验先确定副控制器的参数，然后按简单控制系统参数整定方法对主控制器参数进行整定。其步骤如下。

（1）在生产正常、系统为纯比例运行的条件下，按经验凑试法的比例系数K的经验数据，将副控制器比例系数设定为某一数值。

（2）利用简单控制系统任一整定方法整定主控制器参数。

（3）观察控制过程，根据“K（主）×K（副）=常数”的原理，适当调整控制器参数，使主变量控制精度最好。

5.整定参数时应当注意的问题

调节器参数整定的实质是要改变系统的动态特性,为此,必须事先了解系统各环节的动态特性。一般化工对象的特性都相当复杂,如果能测试最好,不能测试的应根据化工生产机理,作出粗略的估计,对容量的大小、负荷变化的情况、滞后的长短及有否自衡能力等有所掌握。自控人员还要掌握DCS控制点各种参数的特性,使组态合乎要求。只有这样,才能正确地进行参数整定。

6.结束语

由于参数整定直接关系到一个自动控制系统能否达到灵、准、稳的控制目标,我们必须给予足够的重视并加以研究。然而,整定调节器参数只能在一定范围内改善系统的调节品质,如果系统设计不合理,仪表调校或使用不当,调节阀不合要求,仅靠改变调节器参数则无济于事。改变调节器参数,是提高调节过程品质的重要因素,但不是惟一的因素。遇到整定参数不能满足调节品质要求或系统无法自动运行时,必须认真分析对象特性、系统构成、仪表质量等方面的问题。　[科]

【参考文献】

［１］曹润生，黄祯地，周泽魁．过程控制仪表．浙江大学出版社．

［２］王森，晁禹，艾红．仪表工试题集 控制仪表分册．化学工业出版社．