DCS控制系统PID参数的整定方法.docx
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1、DCS控制系统PID参数的整定方法PID参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被 控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大 小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:一是理论 计算整定法。它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制 器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工 程实际进行调整和修改。二是工程整定方法,它主要依赖工程经验, 直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际 中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、 反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点,其共同点都
2、是通过试验, 然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方 法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整 定步骤如下:(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;(2)仅 加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下 这时的比例放大系数和临界振荡周期;(3)在一定的控制度下通过公式 计算得到PID控制器的参数。1. PID常用口诀:参数整定找最佳,从小到大顺序查, 先是比例后积分,最后再把微分加, 曲线振荡很频繁,比例度盘要放大, 曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳, 曲线偏离回复慢
3、,积分时间往下降, 曲线波动周期长,积分时间再加长, 曲线振荡频率快,先把微分降下来, 动差大来波动慢,微分时间应加长, 理想曲线两个波,前高后低4比1, 一看二调多分析,调节质量不会低2. PID控制器参数的工程整定各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照:温度 T: P=2060%,T=180600s,D=3-180s压力 P: P=3070%,T=24180s,液位 L: P=2080%,T=60300s,流量 L: P=40100%,T=660s。3. PID控制的原理和特点在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。PID控
4、制器问世至今已有近70年历史,它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用 时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为 方便。即当我们不完全了解个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。PID控制,实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据 系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例(P)控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输 出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例
5、控制时系统输出存在稳态误差(Steadystate error )。积分(I)控制在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积 分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个 控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(System with Steady-state Error )。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增 加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器 的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统 在进入稳态后无稳态误差。微分(
6、D)控制在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微 分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会 出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有 抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化 超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入比 例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是微分项”, 它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作 用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以
7、对有较大惯性或滞后的被控对 象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。可以用MATLAB仿仿,感受一下参数对典型对象动态特性影响请参考“先进PID控制及其MATLAB仿真”,刘金琨编,电子工 业出版社2003年1月版控制电动阀的开度来达到控制温度是可以的,我个人认为用比例 电磁阀替代电动阀完全可以实现PID的控制。因为比例电磁阀有标准 的模拟量输入信号和反馈信号而且具有PID调节功能。经过多年的工 作经验,我个人认为PID参数的设置的大小,一方面是要根据控制对 象的具体情况而定;另一方面是经验。P是解决幅值震荡,P大了会出 现幅值震荡的幅度大,但震荡频率小,系统达到稳定时间
8、长;I是解决 动作响应的速度快慢的,I大了响应速度慢,反之则快;D是消除静态 误差的,一般D设置都比较小,而且对系统影响比较小。对于温度控 制系统P在5-10%之间;I在180-240S之间;D在30以下。对于压 力控制系统P在30-60%之间;I在30-90S之间;D在30以下。PID参数整定方法就是确定调节器的比例带PB、积分时间Ti和和 微分时间Td。一般可以通过理论计算来确定,但误差太大。目前,应 用最多的还是工程整定法:如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和 反应曲线法。各种方法的大体过程如下:(1)经验法又叫现场凑试法,即先确定一个调节器的参数值PB 和Ti,通过改变给定值对控制系统
9、施加一个扰动,现场观察判断控制 曲线形状。若曲线不够理想,可改变PB或Ti,再画控制过程曲线,经 反复凑试直到控制系统符合动态过程品质要求为止,这时的PB和Ti就 是最佳值。如果调节器是PID三作用式,那么要在整定好的PB和Ti 的基础上加进微分作用。由于微分作用有抵制偏差变化的能力,所以 确定一个Td值后,可把整定好的PB和Ti值减小一点再进行现场凑试, 直到PB、Ti和Td取得最佳值为止。显然用经验法整定的参数是准确 的。但花时间较多。为缩短整定时间,应注意以下几点:根据控制 对象特性确定好初始的参数值PB、Ti和Td。可参照在实际运行中的同 类控制系统的参数值,或参照表3-4-1所给的参
10、数值,使确定的初始 参数尽量接近整定的理想值。这样可大大减少现场凑试的次数。在 凑试过程中,若发现被控量变化缓慢,不能尽快达到稳定值,这是由 于PB过大或Ti过长弓I起的,但两者是有区别的:PB过大,曲线漂浮 较大,变化不规则,Ti过长,曲线带有振荡分量,接近给定值很缓慢。 这样可根据曲线形状来改变PB或Ti。PB过小,Ti过短,Td太长都 会导致振荡衰减得慢,甚至不衰减,其区别是PB过小,振荡周期较短; Ti过短,振荡周期较长;Td太长,振荡周期最短。如果在整定过程 中出现等幅振荡,并且通过改变调节器参数而不能消除这一现象时,可能是阀门定位器调校不准,调节阀传动部分有间隙(或调节阀尺寸 过大
11、)或控制对象受到等幅波动的干扰等,都会使被控量出现等幅振 荡。这时就不能只注意调节器参数的整定,而是要检查与调校其它仪 表和环节。(2)衰减曲线法是以4: 1衰减作为整定要求的,先切除调节器 的积分和微分作用,用凑试法整定纯比例控制作用的比例带PB (比同 时凑试二个或三个参数要简单得多),使之符合4 :1衰减比例的要求, 记下此时的比例带PBs和振荡周期Ts。如果加进积分和微分作用,可 按表3-4-2给出经验公式进行计算。若按这种方式整定的参数作适当 的调整。对有些控制对象,控制过程进行较快,难以从记录曲线上找出衰减比。这时,只要被控量波动2次就能达到稳定状态,可近似认 为是4 : 1的衰减
12、过程,其波动一次时间为TsKp = k/1.2 调节ki出现的第二个峰值和稳态值相切; kd=ki/3.5(3)临界比例带法,用临界比例带法整定调节器参数时,先要切 除积分和微分作用,让控制系统以较大的比例带,在纯比例控制作用 下运行,然后逐渐减小PB,每减小一次都要认真观察过程曲线,直到 达到等幅振荡时,记下此时的比例带PBk(称为临界比例带)和波动周期 Tk,然后按表3-4-3给出的经验公式求出调节器的参数值。按该表算 出参数值后,要把比例带放在比计算值稍大一点的值上,把Ti和Td放 在计算值上,进行现场观察,如果比例带可以减小,再将PB放在计算 值上。这种方法简单,应用比较广泛。但对PB
13、k很小的控制系统不适 用。(4)反应曲线法,前三种整定调节器参数的方法,都是在预先不 知道控制对象特性的情况下进行的。如果知道控制对象的特性参数, 即时间常数T、时间迟延和放大系数K,则可按经验公式计算出调节 器的参数。利用这种方法整定的结果可达到衰减率午0.75的要求。应用以上规则,对下图系统进行PID调整Kp增加则振荡周期减小,超调增加,上升时间减小,反之亦然; Ki增加则超调/回调比增加,稳定性下降,反之亦然;Kd增大则稳定性增加,反之亦然;当系统上升时间大于要求的上升时间时,增加Ki;在稳态时,系统输出产生波动现象,适当增加Kd ;系统输出对于干扰信号反映灵敏,适当减小Kd ;上升时间
14、过长,增加Kp ;系统输出发生振荡减小Kp。谈如何整定PID参数各种工艺装置采用DCS系统主要实现生产过程的自动化控制, DCS系统在各类生产装置工艺过程中占有举足轻重的地位,它指挥和 控制生产过程的大脑和神经中枢,是各类生产装置保证工艺指标、安 全稳定运转、节能降耗及优化操作和改善生产管理的关键,DCS能否 发挥应有的作用和取得用户满意的效果,其中自控率是一项很重要的 指标,调节系统能否投入自动,PID参数整定很关键。一调节器正/反作用的确定方法调节系统投自动:往往在控制方案确定好且判断出调节器的正/反 作用后,最关键的是P、I、D参数如何整定,根据多年的现场工作经 验,谈谈如何整定调节系统
15、的P、I、D参数,请大家在工程中参考。在整定调节系统的P、I、D参数前,要保证一个闭环调节系统必调节对象Ko :阀门、执行器开大,测量PV增加,则Ko0 ;反 之,则Ko0;阀门反作 用(气关、电关),则Kv 0,我们可以确定Kc的正负,调节器Kc:若Kc0,则调节器为反作用;若Kc0 )相当于主环的Kv,它始终为正。PID参数 整定的结果:观察曲线,一般为一阶特性即可(当然理论上为二阶衰 减特性)。三、自动回路投入注意事项1、基本原则:装置在运行时自动回路的投入应保证各工段的平稳运行,主要参 数不能出现较大的波动,其它辅助设备的压力、液位、温度等参数也 不能出现影响装置正常运行的过大波动。2
16、、同工艺操作人员的配合:自动回路的投入属于自动化改造工程调试工作。若是我方人员负 责投自动回路,在进行此项工作时,应先向用户操作人员讲清我方的 工作内容,需要工艺操作人员如何配合,有何影响及出现意外情况应 如何处理,调试结束后应通知工艺操作人员。自动回路首次投入前应 要求工艺操作人员将该部分工况尽量调至相对稳定状态。3、控制系统具体注意事项:(1)所有自动回路的组态在出所前都应经过严格测试。若其组态在现 场有改动,在投入自动前应仔细检查组态的信号流向及逻辑的正确性, 信号切换部分要注意切换逻辑的时序问题。组态应做到自动回路至现 场的出口有可做人工干预的简单逻辑部分,以便万一有组态错误可以 人工
17、停止自动回路对现场的作用。(2)投自动时可先将PID模块的比例带、积分时间的数值放大,将PID 模块输出上限、输出下限放至PID模块当前跟踪输出值附近的一个可 允许变动范围内,将PID模块输出变化率放小。投入自动后,观察PID 模块的动作方向是否正确,PID模块输入偏差的变化是否在正常范围 之内,确认后再将PID模块的几种输出限制相继放开,恢复其正常作 用,再根据调节品质调节PID模块各项的参数。四、PID参数整定方法1、基础知识在自动调节系统中,E=SP-PV。其中,E为偏差、SP为给定值、 PV为测量值。当SP大于PV时为正偏差,反之为负偏差。1)比例调节作用的动作与偏差的大小成正比;当比
18、例度为100时, 比例作用的输出与偏差按各自量程范围的1:1动作。当比例度为10 时,按10:1动作。即比例度越小,比例作用越强。比例作用太强会 引起振荡。太弱会造成比例欠调,造成系统收敛过程的波动周期太多, 衰减比太小。其作用是稳定被调参数。2)积分调节作用的动作与偏差对时间的积分成正比。即偏差存在积 分作用就会有输出。它起着消除余差的作用。积分作用太强也会引起 振荡,太弱会使系统存在余差。3)微分调节作用的动作与偏差的变化速度成正比。其效果是阻止被 调参数的一切变化,有超前调节的作用。对滞后大的对象有很好的效 果。但不能克服纯滞后。适用于温度调节。使用微分调节可使系统收 敛周期的时间缩短。
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