PID整定相关的专业知识讲解

如何获得PID控制器的最佳参数是很多仪表工还没真正掌握的技能，为了方便大家深入了解PID整定，在本文整理PID整定相关的专业知识供大家学习。

1、PID整定参数

这三个字母是什么意思？它们如何影响你的工厂行为？

PID是比例、积分和导数的首字母缩写。这些参数可以单独或集体使用、调整和控制。例如，您可以使用P控制器、PI控制器或PID控制器。每个参数都可以单独调整整定和控制，每个参数都可以用于特定目的。

PID参数表示为通用PID控制算法或ISA算法的参数：

u（t）为PID控制器输出；u0为初始PID控制器输出；Kc为总增益；TI为积分时间或重置时间；TD为微分时间；e（t）为设定值和过程值得偏差

1.1 什么是PID整定参数

常规PID回路由三项组成：

①偏差或PV的比例作用

②偏差的积分作用

③偏差或PV的微分作用

选择正确的方程和最佳参数值是实现最佳整定的本质。

1.2 PID参数

①比例参数（P）描述

P作用与偏差或PV成正比。偏差（或PV）乘以比例增益并添加到控制器输出。P动作使输出朝正确方向“踢”。如果偏差值为零，则P动作为零。这意味着只有P动作的控制器需要非零偏差才能有非零输出。因此，仅使用P控制不可能实现精确跟踪。

②积分参数（I）描述

考虑PV和SP之间的偏差随时间的变化曲线。在数学中，偏差的“积分”可以解释为曲线和x轴之间以及y轴和当前时刻之间的曲面。每走一步，曲面都会向右延伸一点。如果此时偏差为零，则曲面不会增加，积分保持不变。

如果偏差为正，偏差曲线下方的曲面将增加，从而产生更高的控制器输出。当偏差变为负值时，I动作将减小。

通常情况下，与比例动作相比，I动作的动作要慢得多。然而，它最终会使偏差为零，这是比例作用所不能做到的。所以基本上，积分动作会回顾过去，检查偏差是否达到设定值。如果不是，它会作用于输出。它将操纵方向盘，直到你朝着预定的方向前进。

③微分参数（D）描述

积分不可能预测偏差的行为。微分作用通过预测偏差的未来行为来解决这个问题。所以，微分作用就是偏差的变化。它会根据偏差的变化向输出添加一个贡献。当偏差为正，但开始减少D动作时，它将降低控制器的输出。是制动器试图避免超调。

它减少了其他两个动作引起的振荡。它可以将控制器加速到您想要达到的设定值。

它减少了其他两个动作引起的振荡。它可以将控制器加速到您想要达到的设定值。然而，微分作用在PID调节中并不常用。问题是它会放大噪音。如果偏差信号非常嘈杂，PID控制器输出往往会大幅振荡。这可能会对泵和阀门等设备的使用寿命产生负面影响。

2、什么是PID整定

PID控制是一种通用的控制方法，也是自动化领域的一项工作：99%的自动化控制回路都是PID。在开始研究方法和算法之前，有必要知道要采取哪些PID整定步骤以及为什么要采取这些步骤。因此，您将能够充分利用PID整定，提高工厂性能。

2.1 PID整定是什么意思？

PID整定是指根据所用PID算法、开环过程行为和所需闭环行为的工程规范来确定PID参数的工作流程。

最优PID整定

高效地找到理想的P、I和D参数集就是我们所说的最优PID整定。在搜索参数的大范围内，只有一组能够获得最佳性能。根据您使用的PID方法，计算出的参数可能更接近或更远离此最佳设置。

过程行为

在PID整定中，过程行为是关键。只有在掌握正确的过程行为时，才能执行最佳整定。大多数方法将过程简化为非常简单的一阶行为，尽管有许多过程不能用这些简单的模型来描述。例如，蒸汽锅炉汽包、过热器、长延迟过程、（给水）间歇反应器和液位控制器。

工程规范

最后，您不应该忘记所需过程行为的工程规范。当设定值跟踪是关键时，将其作为最优性的标准。当干扰抑制是关键时，关注这一点。当两者都需要时，尝试使用前馈。如果不允许超调（由于产品质量下降），则整定控制器以避免超调，或者如果实际工厂确实如此，则整定控制器以在非常宽的工作范围内工作。

换句话说，PID整定意味着控制回路有一个特定的目标，通过使用正确的P、I和D参数可以实现该目标。因此，您将实现最佳的工厂优化。

2.2 为什么进行PID整定

为了获得所需的闭环控制，PID整定是必要的。例如，如果想要控制温度，则需要整定PID控制器，以将温度保持在设定值。

整定的最低要求是，过程可以在闭环中稳定运行。

再进一步，PID整定将通过减少振荡来控制设备。例如，这将导致更少的警报和更少的操作干预。

再往前走一步，你就会明白，由于优化了PID整定，工厂效率可以提高，比能耗可以降低，稳定性可以提高，警报和操作员干预的数量可以降到最低。

2.3 整定的关键

PID整定可以带来很多好处。当您花时间将PID参数整定到最佳值时，可以获得数周、数小时甚至数分钟的回报。按照以下关键步骤第一次PID整定：

①了解你想要控制的过程的行为，例如通过使用（多）阶跃测试。

②使用正确的系统辨识方法。

③检查DCS PID算法，并在适当时进行更改

④制作自己的工程愿望清单，在其中选择最佳跟踪和/或最佳干扰抑制。不要忘记鲁棒性和高频增益。

④计算最佳参数，实施这些参数，并在实际设备上检查结果。

⑤跟踪并记录您所做的更改。

3、PID整定方法

选择正确的整定方法以运行稳定的生产过程

如何快速有效地整定PID控制器？这是一个让许多工程师感到困惑的问题。

尽管PID整定的概念很简单，但支持PID控制的数学基础却很复杂。一旦为问题选择了最佳控制器配置，就必须整定参数。实现最佳性能需要为P、I和D选择一组理想的数值。

概括地说，有三种方法可以确定这些设置的最佳组合：启发式整定、基于规则的整定和基于模型的整定。每种方法都有其优缺点。尽管许多人可能认为试凑法是免费的，但它们往往非常昂贵。

3.1 什么是启发式整定

启发式整定方法是一种遵循一般规则以获得近似或定性结果的方法。世界上大多数PID回路都采用这种方法进行整定，无论是好是坏。试凑法是启发式整定的一个例子。

试凑法

试凑法是一种相对简单的方法，一旦你对PID参数有了清晰的了解。从比例到积分再到微分，它在整个系统中循序渐进。通常从现有的一组参数开始，从中执行小调整整定以改善响应。对于新的PID回路，您可以从粗略而安全的初始猜测开始。

基本上，人们认为：

①引入P-动作以提高响应速度。过度的P作用会导致振荡。

②引入I-动作以获得所需的稳态响应。缺点是较长时间内振荡响应较高。

③引入D-作用是为了阻尼。缺点是高频振荡的可能性更大，加上对噪声的敏感性。

基于规则的PID整定方法假定某个过程响应，以获得简单的数学公式，从而实现PID控制器的调节。过程特性可以通过简单的实验得出，并用于计算PID参数。

请注意，此类整定方法对假设过程响应的差异（例如，一阶线性延迟模型）非常敏感。特别是，与假定的过程时滞的较大偏差将极大地降低实际PID性能。此外，定义自己控制目标的可能性非常有限或不存在。

Lambda整定方法

Lambda整定方法的名字来源于希腊字母Lambda（λ）。它规定了控制器允许在稳定时间上花费的时间。Lambda整定方法假设的响应与Ziegler-Nichols方法相同。

典型λ=max（L，T）（非常稳定）减少λ获得更快响应。

3.3 什么是基于模型的整定？

基于模型的整定或基于优化的PID整定允许您使用系统模型以最佳方式获得P、I和D参数。考虑了闭环行为的工程规范。

基于模型的PID整定是一种方法，允许您根据结构化整定过程进行工作，该过程考虑了您的过程行为和控制需求。启发式和基于规则的调整需要一个迭代过程。ZieglerNichols等方法在许多（简单）情况下给出了合理的结果，但无法提供与基于模型的PID调节相同的结构化过程和生产结果。

基于模型的调整方法可能看起来更耗时，但一旦为PID回路设置了正确的参数，您就会立即看到好处。这些好处将长期存在。在第一次将PID控制器设置正确后，您不必再次查看它，除非过程中发生了变化。