PID的参数整定及参数变化对系统的影响综合实验

实验  PID的参数整定及参数变化对系统的影响综合实验

一、 实验目的：
1、 掌握PID各校正环节的作用
2、 确定给定的系统PID的初始参数
3、 通过实验了解PID参数的变化对系统的影响

二、 实验原理
（一）PID调节器的输入输出关系：
 
式中：
 为调节器的输出；   为误差输入； 为比例增益；
 为积分时间； 为微分时间

（二）PID各校正环节的作用
在模拟系统中，调节器最常用的调节规律是PID调节。常规PID调节系统一般由PID调节器和被控对象组成，其原理图如下：

PID调节是线性控制，将偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成调节量，对被控对象进行控制。
PID调节器各校正环节的作用如下：
1、 比例环节： 及时成比例地反映调节系统的偏差信号，偏差一产生，调节器立即产生调节作用，以减少偏差。
2、 积分环节：主要是为了消除系统的余差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。
3、 微分环节：能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

（三）PID参数的变化对系统的影响
     一般情况下，PID调节器本着稳、准、快的控制原则须对三个参数进行初始设定，同时考虑对象特性的多样性，控制指标的不同进行整定、优化才能取得满意效果。
在PID调节参数中，比例系数KP增大，会使调节阀的动作灵敏，运行速度加快。缺点是存在静差。在系统稳定的情况下，增大KP值，有利于减小稳态误差，提高控制精度。但随着KP增大，系统响应过程中的振荡次数会增多，调节时间加长。当KP值太大时，系统将趋于不稳定；若太小，会减低系统的响应速度。
引入积分的目的是为了消除静差，提高精度。但积分时间TI太小，在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，致使控制量超出极限控制量，最终引起系统较大的超调，甚至造成系统振荡。积分时间TI太大时，积分作用对系统的性能影响减小，不利于消除系统稳态误差，难以获得较高的控制精度。
微分环节的引入，改善了系统的动态特性，对干扰特别敏感。但微分时间TD偏大或偏小时，都会使超调量增大，调节时间加长。

（四）PID参数确定的方法
在选择了调节规律及相应的调节器后，就要进行PID初始参数的确定。常采用的方法有临界比例度法（又称稳定边界法）、反应曲线法、衰减曲线法、仪表参数自整定法。
1、 临界比例度法：
调节规律采用纯比例，不断增加K，使调节系统的被调参数作等幅振荡（即达到稳定边界）时，测量出比例放大系数Km或临界比例度Pm以及振荡周期Tm，然后，按经验数据求出初始参数。

临界比例度法的调节器经验数据表
 

调节规律	P（%）	TI	TD
P	2Pm
PI	2.2 Pm	0.85Tm
PID	1.7 Pm	0.5Tm	0.13 Tm

2、 反应曲线法：
反应曲线法：要确定调节器的参数应先测定对象的动态特性，即对象输入量作单位阶跃变化时被调量的反应曲线，即飞升曲线。根据飞升曲线可得到等效滞后时间τ、等效时间常数T、广义对象的放大系数K。再按下表经验数据求出初始参数。
反应曲线法的调节器经验数据表
 

调节规律	P（%）	TI	TD
P	Kτ/T
PI	1.1 Kτ/T	3.3τ
PID	0.85Kτ/T	2τ	0.5τ

3、 衰减曲线法：
衰减曲线法：是参数整定要求达到衰减率为0.75的过程。先把调节规律采用纯比例（TI =∞，TD =0），观察调节过程的衰减比，通过改变比例度，使衰减比达到规定的0.75为止。记下此时的比例度PS和周期TS。然后，按经验数据得出初始参数。
衰减曲线法的调节器经验数据表
 

调节规律	P（%）	TI	TD
P	PS
PI	1.2PS	0.85TS
PID	0.8PS	0.3TS	0.1TS

 

4、 仪表参数自整定法：
现在许多仪表都带有自整定功能，利用此功能可以方便的整定出，PID参数。但是不是所有都会满足需要，有时可以在此基础上做修改，从而达到最佳效果。

三、 实验内容：
1、 通过临界比例度法确定PID参数：
1、将流量调节系统的调节规律社为纯比例，不断增加K，使调节系统的被调参数（流量）作等幅振荡（即达到稳定边界）。记录此时的比例度P和振荡周期Tm。
2、在给SDC31调节器通电在基本显示状态下，同时按ENT键和○▲键3秒；按○▼ 键显示PID；按ENT键显示P读取比例度读数；按ENT键，进入比例度的设置 ；按键○▲键修改比例度到合适的值。按ENT键，确定。
3、按DISP键退出设置。运行系统，观察曲线。

 

临界比例度法确定PID参数
临界比例度P		振荡周期Tm
调节规律	P（%）	TI	TD
P
PI
PID

2、仪表参数自整定确定PID参数：
先给SDC31调节器的供电，在AUTO和RUN下，启动自整定功能。
（1、）进入基本显示状态，按DISP键。
（2、）进入At(自整定)显示，按MODE键多次，直到显示At显示，再按ENT键。
（3、）改变设定值：按○▲键使0变为1.
（4、）确定改变设定值：按ENT键；At LED灯开始闪动，自整定功能启动；
（5、）恢复基本显示状态： 按DISP键，当自整定完成后，At LED灯熄灭。PID参数自动地写入仪表中。
（6、）读取PID参数。同时按ENT键和○▲键3秒；按○▼ 键显示PID；按ENT键显示P读取比例度读数；按○▼ 键显示I,读取读数；按○▼ 键显示D,读取读数，填入相应表格。

 

自整定法确定PID参数
比例度
积分时间
微分时间

3、纯比例和比例积分条件下的PID控制
运行流量控制系统，调节规律采用纯比例。将上面整定的比例度输入到调节器，稍作修改。待系统稳定，记录比例度以及余差量。再加积分加入，使余差消除。并记录此时的积分时间。
 

纯比例和比例积分条件下的PID控制
比例度
余差
积分时间

四、 问题与解答：
1、 已知某比例式气动调节器量程为100～200℃，当指针从140℃变化到160℃时，输出从0.5㎏/㎝2变到0.7㎏/㎝2，输出范围为0～1㎏/㎝2求比例度δ；若仪表的量程和输入变化量维持不变，问比例度为多少时，输出作全范围变化？
2、 当调节器的输入偏差信号e的波形如图所示变化周期等于积分时间，比例度为50%，分别画出调节器的比例、积分、比例微分输出的波形。

3、 试说明下列情况下，调节器的调节作用是增强还是减弱？比例微分调节器，保持比例度不变，微分时间由15秒上升到30秒。比例积分调节器，保持积分时间不变，比例度由20%上升到40%。