PID控制器的参数整定(经验总结)

PID控制器的参数整定

PlD控制规律为

"（心k p«/） + * 仙）/ + TD讐）

U(s}1

因此它的传递函数为：M2丽f 1 +乔+ M

其中人\为比例系数；7}为积分时间常数；厶为微分时间常数

(I)PID是比例，积分，微分的缩写.

比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例,使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行,直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大，则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。

微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率, 而当输入没有变化时,微分作用输出

为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID 控制器。

（2） PID 具体调节方法

①方法一

确定控制器参数

数字PID 控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID 参数整定方法进行。

在选择数字PID 参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P 或PD 控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。

选择参数

控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。

PID 控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID 控制器的参数常

常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。

常用的方法，采样周期选择，

实验凑试法实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID 控制参数。

整定步骤实验凑试法的整定步骤为"先比例，再积分，最后微分"。

（1）整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

（2）整定积分环节若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。

先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50〜80 %,再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应,确定比例和积分的参数。

（3）整定微分环节

若经过步骤（2）, PI 控制只能消除稳态误差,而动态过程不能令人满意,则应加入微分控制,构成PID 控制。

先置微分时间TD=O ,逐渐加大TD ,同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID 控制参数。

实验经验法

扩充临界比例度法

实验经验法调整PID 参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法,其最大的优点是，参数的

整定不依赖受控对象的数学模型，直接在现场整定、简单易行。

扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象，是对连续-时间PID 控制器参数整定的临界

比例度法的扩充。

整定步骤

扩充比例度法整定数字PID 控制器参数的步骤是：

（1）预选择一个足够短的采样周期TS 。一般说TS 应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。

（2 ）用选定的TS 使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用，将控制选择为纯比例控制器，构成闭环运行。逐渐减小比例度，即加大比例放大系数KP ，直至系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡（稳定边缘），将这时的比例放大系数记为Kr, 临界振荡周期记为Tr。

（3）选择控制度。

控制度，就是以连续-时间PID 控制器为基准，将数字PID 控制效果与之相比较。通常采用误差平方积分

作为控制效果的评价函数。

定义控制度

采样周期TS 的长短会影响采样-数据控制系统的品质，同样是最佳整定，采样-数据控制系统的控制品质要低于连续-时间控制系统。因而，控制度总是大于 1 的，而且控制度越大，

相应的采样-数据控制系统的品质越差。控制度的选择要从所设计的系统的控制品质要求出发。

（4 ）查表确定参数。根据所选择的控制度，查表 3 一 2 ，得出数字PID 中相应的参数

TS,KP,TI 和TD 。

（5）运行与修正。将求得的各参数值加入PID 控制器, 闭环运行,观察控制效果,并作适当的调整以获得比较满意的效果。

②方法

2.3 PID 参数整定方法

2.3.1 工程整定法

PID数字调节器的参数，除了比例系数K P,积分时间T i和微分时间T d外，还有1个重要参数即采样周

期T o

1 •采样周期T的选择确定

从理论上讲，采样频率越高，失真越小。但是，对于控制器，由于是依靠偏差信号来进行调节计算的，

当采样周期T太小，偏差信号也会过小，此时计算机将失去调节作用；若采样周期T太长，则将引起误差。

因此采样周期T必须综合考虑。采样周期的选择方法有两种，一种是计算法，另一种是经验法。

计算法由于比较复杂，特别是被控对象各环节时间常数难以确定，工程上较少用。经验法是一种凑试

法，即根据人们在控制工作实践中积累的经验以及被控对象的特点，先选择一个采样周期T,进行试验，

再反复改变T,直到满意为止。

2 • K p，T i，T d的选择方法

1 )扩充临界比例度法

扩充临界比例度法是简易工程整定方法之一，用它整定K P，T i，T d的步骤如下。

选择最短采样周期T min ,求出临界比例度S U和临界振荡周期T U。具体方法是将T min输入计算机，只有P环节控制，逐渐缩小比例度，直到系统产生等幅振荡。此时的比例度即为临界比例度S U ,振荡周期称

为临界振荡周期T U。选择控制度为：

控制度≡------ 护■

(2-15 )

通常当控制度为1.05时，表示数字控制方式与模拟方式效果相当。根据计算度，查表2-1可求岀K p,

T i, T d。