浙大工业过程控制4PID控制器的参数整定及其应用
PID控制器的参数整定及其应用
PID控制器未来的发展方向与应用前景
随着工业自动化技术的不断发展， PID控制器将朝着智能化、网络
化、集成化的方向发展。
新型的PID控制器将不断涌现， 如自适应PID控制器、模糊PID 控制器等，以满足更复杂、更高
要求的控制需求。
PID控制器在智能制造、机器人、 新能源等领域将得到更广泛的应 用，为工业自动化水平的提升做
PID控制器的改进与优化
积分分离PID
在积分作用较强的场合，通过将积分项进行分离，减小系统超调 量，提高系统稳定性。
抗积分饱和PID
在系统出现大幅度误差时，避免积分饱和导致系统失控，提高系 统的鲁棒性。
微分先行PID
将微分项放在偏差信号的前面，减小系统的超调量，提高系统的 动态性能。
PID控制器在物联网与人工智能时代的应用前景
02
PID控制器参数整定
比例系数（P）的作用与整定
总结词
比例系数是PID控制器中最重要的参数， 它决定了系统响应的增益和速度。
VS
详细描述
比例系数的作用是调节系统输出的增益， 当比例系数增大时，系统输出的响应速度 会加快，但过大会导致系统超调量增大， 甚至产生振荡；反之，过小则会使系统响 应速度变慢，甚至无法消除误差。在整定 时，需要根据系统的具体情况和要求，反 复调整比例系数，以达到理想的响应效果 。
pid控制器的参数整定及其 应用
目录
• PID控制器概述 • PID控制器参数整定 • PID控制器的应用 • PID控制器的发展趋势与展望 • 结论
01
PID控制器概述
PID控制器的定义
总结词
PID控制器是一种线性控制器，通过比例、积分和微分三个环节来调整系统输出 。
PID控制器参数整定与应用
PID控制器参数整定与应用PID控制器由比例(P)、积分(I)和微分(D)三个部分组成。
比例控制器根据当前的偏差与参考值之间的差异给出一个输出。
积分控制器根据偏差随时间的累积计算输出，用于消除系统的稳态误差。
微分控制器根据偏差的变化率给出输出，用于稳定系统的动态响应。
PID控制器的输出是比例、积分和微分控制器的输出之和。
参数整定是指选择合适的PID控制器参数，使得控制系统能够稳定工作且具有良好的响应速度和抗干扰能力。
PID控制器的参数整定一般有以下几种方法：1.经验法：根据经验和实际控制系统的特点选择参数。
这种方法适用于控制系统较简单的情况，但不具有普适性。
2. Ziegler-Nichols方法：通过实验数据来确定参数。
首先将积分和微分参数设为零，逐渐增加比例参数，直到系统出现较小的超调（即超过参考值后回波的百分比），然后根据超调曲线确定比例和时间参数。
3. Chien-Hrones-Reswick方法：通过频域分析来确定参数。
首先将系统转化为频域传递函数，然后根据传递函数的特性来选择参数。
4.自整定方法：使用专门设计的算法来进行参数整定。
这些算法根据系统的频率响应和阶跃响应等特征进行参数的优化。
1.温度控制：PID控制器可以通过调节加热元件的功率来控制温度的稳定性和响应速度。
例如，在恒温恒湿箱中，通过测量温度偏差，计算出PID控制器的输出，来控制加热器的功率，使系统保持在设定温度下。
2.流量控制：PID控制器可以通过调节阀门的开度来控制液体或气体的流量。
例如，在一个水罐中，通过测量液位偏差，计算出PID控制器的输出，来控制阀门的开度，以维持设定的液位。
3.速度控制：PID控制器可以通过调节电机的输入电压或转矩来控制机械系统的速度。
例如，在一个电动机驱动的输送带系统中，PID控制器可以根据输送带的位置偏差，计算出对电机的控制信号，来控制输送带的速度。
4.位置控制：PID控制器可以通过调节电机的转矩或位置来控制机械系统的位置。
pid控制器参数整定方法及应用
pid控制器参数整定方法及应用PID控制器是工业自动化中常用的一种控制器，其参数整定方法及应用对于控制系统的稳定性和性能有着至关重要的作用。
本文将详细介绍PID控制器参数整定方法及应用。
一、PID控制器概述PID控制器是由比例控制器、积分控制器和微分控制器三部分组成的，利用反馈信号进行控制。
其中比例控制器通过测量误差的大小，对被控制对象进行控制，积分控制器通过测量误差的积分，对被控制对象进行控制，微分控制器通过测量误差的微分，对被控制对象进行控制。
PID控制器通过组合三个控制方式，可以对被控制对象进行更加精确的控制。
二、PID控制器参数整定方法1. 经验法PID控制器参数整定的第一步是通过经验法确定参数初值。
经验法是根据实际经验和实验数据得出的整定参数，是参数初值的基础。
经验法的参数初值如下：比例系数Kp取值为被控对象动态响应曲线的最大斜率处的斜率倒数；积分时间Ti取值为被控对象动态响应曲线从起点到终点的时间长度；微分时间Td取值为被控对象动态响应曲线的最大曲率处的时间。
2. Ziegler-Nichols法Ziegler-Nichols法是广泛应用的PID控制器参数整定方法之一，其步骤如下：a.将比例系数Kp调至临界增益Kcr处，此时系统开始振荡；b.测量振荡周期Tu；c.根据系统类型选择合适的参数整定公式，计算出参数初值：系统类型 Kp Ti TdP型系统 0.5Kcr ——PI型系统 0.45Kcr Tu/1.2 —PD型系统 0.8Kcr — Tu/8PID型系统 0.6Kcr 0.5Tu Tu/83. Chien-Hrones-Reswick法Chien-Hrones-Reswick法是另一种常用的PID控制器参数整定方法，其步骤如下：a.测量被控对象的动态响应曲线，并计算出其惯性时间常数L、时延时间T和时间常数K；b.根据系统类型选择合适的参数整定公式，计算出参数初值：系统类型 Kp Ti TdP型系统 0.5K ——PI型系统 0.45K L —PD型系统 0.8K — TPID型系统 0.6K 0.5L 0.125T三、PID控制器应用PID控制器广泛应用于工业自动化中，例如温度控制、压力控制、流量控制等。
PID的应用和使用以及如何调整
在调整过程中，可以采用试凑法、经验法或仿真法等方法，根据系统响应情况 逐步调整参数。同时，要注意观察系统输出波形，确保系统稳定且满足性能指 标要求。
避免过度调整导致系统失稳
逐步调整
在调整PID参数时，应遵循逐步调整的原则，避免一次性调整过大导致系统失稳 。每次调整后，都应观察系统响应情况，确保系统稳定后再进行下一步调整。
抗干扰措施
为了提高系统的抗干扰能力，可以采用滤波、陷波等方法对 输入信号进行处理，消除或减小干扰信号的影响。同时，也 可以采用鲁棒控制等方法提高系统的鲁棒性。
实时监测和记录数据以便优化
实时监测
在PID控制器运行过程中，应实时监 测系统的输入输出数据、误差信号等 关键信息，以便及时发现并解决问题 。
06
总结：提高PID控制器应用水 平，满足复杂工业需求
Chapter
回顾本次课程重点内容
PID控制器基本原理
比例、积分、微分控制作用及其 相互关系。
01
02
PID控制器应用实例
03
温度控制、压力控制、流量控制 等典型工业过程的PID控制实现 。
04
PID参数整定方法
试凑法、经验法、临界比例度法 等，以及参数整定的注意事项。
系统达到稳态后，期望值与实际 输出值之间的误差，衡量了系统 的准确性。
上升时间 超调量
调节时间 稳态误差
系统响应从稳态值的10%上升到 90%所需的时间，反映了系统的 快速性。
系统响应从扰动发生到重新达到 稳态值所需的时间，反映了系统 的调节能力。
常见问题诊断及解决方案
问题1
01
系统响应过慢
解决方案
限制参数范围
为了防止参数调整过度，可以设定参数的上限和下限，确保参数在合理范围内变 化。同时，也可以采用参数自适应等方法，使参数能够自动适应系统变化。
PID控制器参数整定与应用
PID控制器参数整定与应用PID控制器是一种常用的自动控制器，在工业自动化领域应用广泛。
它的主要作用是通过测量的偏差来调节执行器的控制量，从而使被控制对象的输出值与设定值之间达到最优的控制效果。
在实际中，PID控制器的参数整定是一个重要的环节，它直接影响控制系统的性能。
PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个控制部分组成，其中比例部分根据偏差的大小直接产生控制量，积分部分对偏差的积分产生控制量，微分部分对偏差的变化率产生控制量。
三个部分的输出量经过加权求和后作为最终的控制量。
整定PID控制器的参数需要根据被控制对象的特性进行调整，以达到快速、稳定、精确的控制效果。
常用的参数整定方法包括经验法、试验法和理论法。
经验法是根据工程师的经验和实际情况来调整PID控制器的参数。
比如，比例系数Kp的大小与偏差的关系可以通过试验来确定，当偏差增大时，可以逐渐增大Kp的值，直至产生足够的控制量来抵消偏差。
积分时间Ti和微分时间Td可以根据被控对象的时间常数和惯性大小来估计，通常由实验确定。
试验法是通过对控制系统进行一系列实验来获得最佳的参数值。
常见的试验方法有阶跃响应法、频率响应法和脉冲响应法。
阶跃响应法是将控制系统给定值变为一个阶跃信号，观察系统的响应情况，从而调整PID参数以使系统的超调量、稳定时间和上升时间等指标满足要求。
频率响应法是通过对控制系统施加不同频率的输入信号，测量系统的频率响应曲线来获得系统的增益和相位裕度，并根据理论模型进行参数整定。
脉冲响应法是通过给控制系统施加一系列脉冲信号，观察系统的响应特性，并在实验中逐步调整PID参数，直至达到最佳控制效果。
理论法是通过数学模型来推导PID控制器的参数，通常适用于被控对象的数学模型已知的情况。
这种方法可以根据被控对象的稳定裕度、相位裕度、动态响应等指标来推导PID参数的理论值，以实现最佳控制效果。
应用方面，PID控制器被广泛应用于各个领域，如工业过程控制、机械控制、电力系统控制等。
PID控制器参数整定方法及应用研究的开题报告
PID控制器参数整定方法及应用研究的开题报告一、研究背景随着工业自动化程度的不断提高，PID（比例-积分-微分）控制器广泛应用于控制系统中。
PID控制器是一个非常重要的控制器，因为它可以实现快速稳定的响应，而且具有简单的结构和易于操作的优点。
由于PID 控制器参数的合理性是影响控制系统性能的重要因素，因此PID控制器参数整定方法及应用研究具有非常重要的现实意义。
二、研究内容本研究的主要内容包括以下几个方面：1. PID控制器参数整定方法的研究：本部分将综述常用的PID控制器参数整定方法，包括试错法、整定规则法、频域法和直接设计法等。
2. PID控制器参数的应用研究：本部分将研究PID控制器参数的应用，即将不同的PID控制器参数应用于不同的控制系统或控制对象中，并分析其稳定性、精度和鲁棒性等指标。
3. PID控制器参数整定软件开发：本部分将利用MATLAB等编程软件实现PID控制器参数整定软件的开发，方便工程师进行PID控制器参数的选择和优化。
三、研究意义本研究将有以下几个方面的意义：1. 对PID控制器参数整定方法进行综述：能够全面了解常用的PID控制器参数整定方法，提高工程师对PID控制器参数整定的认识和掌握。
2. 对PID控制器参数的应用研究：能够提供一个优秀的PID控制器设计及优化方法，为实际工程中PID控制器参数的选取提供有益参考。
3. PID控制器参数整定软件开发：能够方便和快速地进行PID控制器参数的选择和优化，使得控制系统建设的效率和质量得到提高。
四、研究方法本研究将采用文献综述、数学分析以及工程实验等方法进行研究。
在文献综述的基础上，进行PID控制器参数整定方法的分析和比较，然后将不同的PID控制器参数应用于不同的控制系统，并分析其控制效果。
最后，开发PID控制器参数整定软件，并进行实际应用。
五、预期结果1. 综合评价不同PID控制器参数整定方法的优劣，提出一种高效的PID控制器参数整定方法。
PID控制及参数整定
PID控制及参数整定PID控制是一种常用的控制器设计方法，广泛应用于各种自动控制系统中。
PID控制器基于被控对象的误差信号，通过比例、积分和微分三个部分进行加权计算，生成控制量来驱动被控对象，使其输出接近设定值。
参数整定是指通过调整PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间等参数，使得控制系统性能最佳化。
本文将详细介绍PID控制及参数整定的相关内容。
一、PID控制原理F(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt其中，Kp、Ki和Kd分别是比例增益、积分时间和微分时间，e(t)为被控系统目标值与实际值之间的误差，de(t)/dt为误差的变化速率。
-比例作用：比例增益Kp使得控制器能够对误差进行直接补偿，其作用是使系统更快地接近目标值。
当比例增益增大时，系统响应速度更快，但可能引起过冲或稳定性问题。
-积分作用：积分时间Ki使得控制器能够记录误差的累积量，并对其进行补偿。
积分作用可以消除稳态误差，提高系统的精度。
但积分时间过长可能引起系统的振荡或不稳定。
-微分作用：微分时间Kd使得控制器对误差的变化率进行补偿，以避免系统过冲或振荡。
微分作用可以提高系统的稳定性和抗干扰能力。
但微分时间过大可能引起系统的噪声放大或响应迟滞。
二、PID参数整定方法PID参数整定是为了找到合适的Kp、Ki和Kd值，以获得最佳的控制系统性能。
常用的PID参数整定方法有以下几种：1.经验调整法：根据经验公式或类似系统的参数进行估计。
这种方法简单易行，但精度较低，适用于对控制精度要求不高的系统。
2. Ziegler-Nichols方法：这是一种经典的PID参数整定方法，通过系统的临界增益和临界周期来确定合适的参数。
具体步骤是先将系统增益逐渐增大，直到系统开始振荡，记录振荡的周期和振幅。
然后根据临界周期和振幅计算出Kp、Ki和Kd值。
这种方法相对简单，但对系统的稳定性有一定要求。
3.调整法：根据控制系统的特性和需求进行逐步调整。
浙大中控培训课件工程常用pid参数整定方法
浙大中控培训课件工程常用pid参数整定方法一些常用的PID参数整定方法的概述，供你参考。
PID控制是一种常用的工程控制方法，用于调节系统的输出值以使其接近所需的设定值。
PID控制器通过调整三个主要参数来实现控制：比例系数（P）、积分时间（I）和微分时间（D）。
以下是一些常见的PID参数整定方法：经验法：这是一种基于经验和实践的方法，根据系统的特性和操作经验来选择PID参数。
根据系统的响应速度、稳定性和超调量等因素，通过试错和调整，逐步改进参数设置。
Ziegler-Nichols方法：这是一种经典的PID参数整定方法，通过系统的临界增益和周期来确定参数。
首先，增加比例系数，直到系统出现振荡。
然后，测量振荡的周期，并使用特定的公式计算出合适的PID参数。
Cohen-Coon方法：这是另一种常见的PID参数整定方法，适用于一阶和二阶过程。
该方法通过测量系统的时间常数和阻尼比来计算合适的PID 参数。
自整定方法：一些先进的控制器具有自整定功能，可以根据系统的响应自动调整PID参数。
这些方法通常基于模型预测控制或优化算法，可以更快地找到最佳参数。
在实际应用中，PID参数整定是一个复杂的过程，需要结合具体的系统特性和控制要求。
实践中，可能需要进行多次试验和调整来获得最佳的PID参数设置。
此外，还可以借助计算机模拟和数学建模等工具来辅助参数整定过程。
提供一个基本的伪代码示例，以展示如何进行PID参数整定：# 定义PID控制器参数double Kp = 0; # 比例系数double Ki = 0; # 积分时间double Kd = 0; # 微分时间# 定义控制误差和误差积分项double error = 0;double integral = 0;double previous_error = 0;# 定义目标值和当前值double setpoint = 0;double current_value = 0;# 定义控制器输出double output = 0;# PID参数整定while (条件满足) {# 计算误差error = setpoint - current_value;# 计算误差积分项integral = integral + error;# 计算误差变化率double derivative = error - previous_error;# 计算控制器输出output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative;# 更新先前误差previous_error = error;# 更新当前值# 应用控制器输出}以上示例是一个简化的伪代码，具体的实现方式可能因编程语言和所使用的控制器而有所不同。
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控制规律 P PI
PID
Kc 0.5Kcr 0.45Kcr 0.6Kcr
Ti
0.83Tcr 0.5Tcr
Td 0.12Tcr
2021/2/13
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9
单回路PID参数整定仿真举例
SimuLink仿真程序参见..\PIDControl\PIDLoop.mdl）
2021/2/13
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10
工程整定法3-响应曲线法*
Kc = 0.8, Ti = 14 min, Td = 3.5 min.
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14
响应曲线法举例（续）
2021/2/13
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15
对于无显著纯滞后的自衡对象 PID参数整定法（1/4准则）*
特点：适合于纯滞后不显著的自衡对象，而且广义对 象的阶跃响应为 “S” 型曲线。
初始整定参数： 1 4K p* 1% 0T I 0 ,1 4* T s,T D1 4* T I
2021/2/13
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6
工业PID控制器的选择
被控参数 控制器 备注 温度/成分 PID *1 流量/压力 PI 液位/料位 P
*1：当工业对象具 有较大的滞后时， 可引入微分作用； 但如果测量噪声较 大，则应先对测量 信号进行一阶或平 均滤波。
讨论：
选择原则分析。
2021/2/13
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7
[ymin, ymax]为CV的测量范围； [umin, umax]为MV的变化范围，对于 t 阀位开度通常用0~100%表示。
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12
Ziegler-Nichols参数整定法*
特点：适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义 对象的阶跃响应曲线可用“一阶+纯滞后”来近似。
整定公式：
控制规律
工程整定法2-临界比例度法
步骤：（1）先将切除PID控制器中的积分与微分作用，取 比例增益KC较小值，并投入闭环运行；
（2）将KC由小到大变化，对应于某一KC值作小幅度的设 定值阶跃响应，直至产生等幅振荡；
（3）设等幅振荡时振荡周期为Tcr、控制器增益Kcr ，再 根据控制器类型选择以下PID参数。
PID控制器的 参数整定与应用问题
戴连奎 浙江大学智能系统与决策研究所
2021/2/13
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1
上一讲内容回顾
讨论仿真系统SimuLink的使用方法; 介绍了单回路控制器“正反作用”的选
择原则； 描述了单回路系统的常用性能指标； 通过仿真讨论了PID控制律的意义及与
控制性能的关系。
2021/2/13
引入积分作用的目的是什么，为什么引入积分 作用会降低闭环控制系统的稳定性？
引入微分作用的目的是什么，为什么实际工业 过程中应用并不多？
2021/2/13
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4
本讲基本要求
了解PID控制规律的选取原则, 掌握单回路PID控制器的参数整定方法, 了解PID控制器的“防积分饱和”与
“无扰动切换”技术, 了解PID参数的自整定方法。
PID工程整定法1-经验法
针对被控变量类型的不同，选择不同的 PID参数初始值，投运后再作调整。尽管简单， 但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统， 其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经 验法属最为“粗糙”的整定法。 （具体整定参数原则见 p.65 表5.3-1）
2021/2/13
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8
KC
TI
TD
P PI PID
1 Tp
Kp
0.9 1 T p Kp
1 .2 1 T p
Kp
3.3 2.0
0.5
2021/2/13
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13
2021/2/13
响应曲线法举例
SimuLink仿真程序 参见..\PIDControl \PIDLoop.mdl） 假设测量范围为200 ~ 400 ℃, K = 1.75, T = 10 min, τ = 7 min.
2021/2/13
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17
单回路系统的“积分饱和”问题
ysp(t)
＋ －
K
C
ççèæ1
1 TI s
÷÷øö
u
d(t)
v
广义
＋ ＋
对象
y(t)
问题：当存在大的外部扰动时，很有可能出现控制阀调 节能力不够的情况，即使控制阀全开或全关，仍ID参数对控制性能的影响
控制器增益 Kc或比例度δ
增用益增强Kc，的但增稳大定（性或下比降例；度δ下降），使系统的调节作
积分时间Ti
积力分加作强用，的但增控强 制（系即统的Ti 下稳降定）性，下使降系；统消除余差的能
微分时间Td
微强分，作稳用定增性强得（ 到即加强Td ，增但大对）高，频可噪使声系起统放的大超作前用作，用主增 要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。
2021/2/13
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11
“广义对象”动态特性的 阶跃响应测试法*
典型自衡工业对象 的阶跃响应
u(t)
u1
u0
0
y(t)
y1
p y0
τT
T0
T1 T2
T3
2021/2/13
▪ 对象的近似模型：
y(s) K es u(s) Ts1
对应参数见左图，而增益为：
t
K y1y0
u1u0
ymaxymin umaxumin
Ts 为对象开环阶跃响应的过渡过程时间。 参数调整：将上述PID控制器投入“Auto” （自动）方
式，并适当改变控制回路的设定值，观察控制系统跟 踪性能。若响应过慢且无超调，则适当加大KC，例如 增大到原来的两倍；反之，则减小KC值。
2021/2/13
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16
响应曲线1/4准则法举例
SimuLink 仿真程 序参见 ..\ PIDControl \ PIDLoop.mdl
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2
控制器的“正反作用”选择
进料 Rf
Tm T
出料
Tsp
TC
u
燃料
问题:
(1) 如何选择控制阀的 “气开气关”？
(2) 如何选择温度控制 器的正反作用，以 使闭环系统为负反 馈系统？
2021/2/13
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3
PID控制器的物理意义讨论
对于一般的自衡过程，当设定值或扰动发生阶 路变化时，为什么采用纯比例控制器会存在稳 态余差？
临界比例度法的局限性：
生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正 常操作范围内的等幅振荡。
响应曲线法PID参数整定步骤：
（1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃 变化），记录被控变量的响应曲线；
（2）由开环响应曲线获得单位阶跃响应曲线，并求取 “广义对象”的近似模型与模型参数；
（3）根据控制器类型与对象模型，选择PID参数并投 入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整。