自控调节及PID

1、开环控制系统开环控制系统(open-loop cont rol system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(cont rolle r)的 输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。2、闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop cont rol system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影 响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号 相反，则称为负反馈(Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负 反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼 睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有 了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗 净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。3、阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入(step function)加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响 应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是 指系统的稳定性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来(Steady-state error)描述，它表示系统输出 稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。4、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一个系统和被控对象，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。当仅有比例控制时 系统输出存在稳态误差(Steady-state 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（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。本文要点：自动控制PID PID控制积分by： , 自动化吧5、PID 控制器的参数整定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。3. PID控制器参数的工程整定，各种调节系统中PID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。4. 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，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1. PID 调试步骤没有一种控制算法比 PID 调节规律更有效、更方便的了。现在一些时髦点的 调节器基本源自PID。甚至可以这样说：PID调节器是其它控制调节算法的妈。为什么PID应用如此广泛、又长久不衰？因为 PID 解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、 快速性和准确性。调节 PID 的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的 带载能力和抗扰能力，同时，在PID调节器中引入积分项，系统增加了一个零 积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。由于自动控制系统被控对象的千差万别，PID的参数也必须随之变化，以满足 系统的性能要求。这就给使用者带来相当的麻烦，特别是对初学者。下面简单介 绍一下调试PID参数的一般步骤：1负反馈自动控制理论也被称为负反馈控制理论。首先检查系统接线，确定系统的反馈 为负反馈。例如电机调速系统，输入信号为正，要求电机正转时，反馈信号也为 正（PID算法时，误差=输入-反馈），同时电机转速越高，反馈信号越大。其余 系统同此方法。2PID 调试一般原则a.在输出不振荡时，增大比例增益P。b在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。c.在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。3一般步骤a.确定比例增益P确定比例增益P时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=O、Td=0 （具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许 的最大值的60%70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过 来,从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P， 设定PID的比例增益P为当前值的60%70%。比例增益P调试完成。b确定积分时间常数Ti比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小 Ti,直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti,直至系统振荡消失。记录 此时的Ti,设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%180%。积分时间常 数 Ti 调试完成。c确定积分时间常数Td积分时间常数Td 一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定P和Ti的方 法相同，取不振荡时的 30%。d系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。2.PID 控制简介 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控 制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。 智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统 和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入 输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统 的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统， 其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID 控制器(仪表)已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样 的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自 校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控 制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC 系统等等。可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可 编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有 可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix产品系列，它可以直接 与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。1、开环控制系统开环控制系统(ope n-loop con trol system)是指被控对象的输出(被控制量)对控 制器(co ntroller )的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来 以形成任何闭环回路。2、闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop con trol system)的特点是系统被控对象的输出(被 控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有 正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，贝V称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又 称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭 环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出 各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系 统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净 之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。3、阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入(step function)加到系统上时，系统的输出。 稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系 统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability)，一个 系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指 控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来(Steady-state error)描述，它 表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升 时间来定量描述。4、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一个系统和被控对象， 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。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state 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(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。5、PID 控制器的参数整定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。3.PID控制器参数的工程整定，各种调节系统中PID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。4. 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，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，调节质量不会低线路结构简单，变频器内不需加装内置输出扩展选件卡即能控制4 台泵，由于是在变频泵速 度下降时直接投入工频泵，因此在变频泵速度过低的情况下接通工频泵的话有时可能会产生 压力的波动（水锤效应），另外当电机功率较大而供电容量有限时会对电网造成影响8 小时 前在制造供/排水设备时选用三菱变频器后常会用到PID功能，技术使用手册中对其已有 较详细的说明而各人对该功能的理解有所不同，主要体现在：机型选用、功能选择、方向确 定、设定值定义、上/下限作用及PID参数的调整等这里从以往的实际应用中作些简单归纳，就算是产品资料的补充，以方便用户能在较短时间内理解并简便完成该功能的调试1、问：哪些三菱变频器具有PID控制功能，它们之间有何区别？答：目前所有三菱变频器均有PID （单泵）控制功能，产品系列有：A500、F500、F500J、 F700、V500、E500、S500其中F500J、F500和F700为风机水泵专用型产品，而F500和 F700 （0.75-55kW）还具先进PID控制功能，即有多泵切换功能（最多4台）电气原理图和 具体操作方法可参阅各产品所对应的使用手册2、 问：供测量用的传感器如何选用？答： 在 A500、F500L（55kw 以上）、F500J、E500、S500 中，只可选用电流型（4-20mA） 传感器；F700中可选用电流（4-20mA）及电压型（0-5V、0-10V）传感器；在F500（0.75-55kW） 中，若采用先进 PID 控制（多泵切换）功能的话，二种类型的传感器均可选用，区别是电 压型传感器的输出接至变频器的1号端子；而在V500中只能选用电压型传感器3、问：如何使变频器进入PID控制模式？答：该过程中的具体操作方法对应各系列产品有所差异：除E500外，以上其它系列变 频器中均可在未使用的输入端子中重新定义一个PID使能端，即该端子接通为PID控制方 式，而断开为普通的V/F控制方式,例如:RL输入端子未作他用时，可设其为X14,即P180=14（用于 A500、F500、F700 和 V500） 或P60=14 （用于 F500J 和 S500）；而在E500 中则通过 设定参数P128来确定运行模式，P128=0为普通的V/F控制方式，P128=20或21为PID控 制方式因此对需要经常进行二种模式切换的场合，建议选用E500以外的产品4、问：在 PID 控制模式中，有些变频器既有检测信号输入，也有偏差值的输入，该如 何区别和使用？答：由变频器完成偏差值 =设定值-测量值过程时应将测量传感器接于4号端子（A500、 F500、F500J、F700、E500和S500）；若该运算过程（虚线框）由变频器以外的专用设备完 成（设定值的设置和测量传感器的输入及偏差值运算结果）时，则只需将偏差值输出端接于 1号端子（A500、F500和F700）另外在V500中，无论测量信号还是偏差信号均接于1号 端子，仅以参数内容予以区别一般如无特别需要，为简化系统结构，用变频器完成偏差值运 算的做法居多5、问：怎样确定 PID 动作方向，换言之在哪些场合用正动作或反动作？答：这是整个调试过程的第一步，是非常关键的，必须根据所处行业的系统要求准确选 定一般来说，在供水、流量控制、加温时应为反作用，通俗讲，测量值（水压、液体流量、 温度）升高时，应减小执行量，反之则应增大执行量而在排水、降温时为正作用，测量值（水 压、温度）升高时，应增大执行量，反之则应减小执行量6、问：设定值应如何定义，其作用是否与调节电机速度有关？答：在该项目中，个别用户容易将其与V/F方式时的速度设定混淆，在PID方式中， 它指的是对测量值全范围中确定一个符合现场控制要求的一个数值，并以该数值为目标值， 使系统最终稳定在此值的水平上或范围内，并且越接近越好例如，在供水系统中所选用传感 器的测量范围是O-IMpa,而需保持0.7MPa的压力，因此0.7Mpa就是设定值，它可用模拟 量给定，即在外部操作模式时2、5号端子间施加对应的电压（5V*70%=3.5V）；也可在参 数中给定，令P133=70% （仅限于PU和PU/EXT模式下有效）当系统未达到设定压力时， 电机以上限速度（P1）运行，而达到或超过设定压力时，电机降速或停止运行，所以它与 电机运行速度的设定无关7、问： PID 参数究竟应如何确定，取什么值为恰当？答：因各系统结构特征不同，况且也很难计算出 PID 准确数值，故而需对变频器中默 认的PID参数进行再调整为调试简便起见，一般在供排水、流量控制中只需用P、I控制即 可，D参数较难确定，它容易和干扰因素混淆，在此类场合也无必要，通常用在温度控制场 合PI参数中，P是最为重要的，定性的讲，由于P=1/K，所以P越小系统的反应越快，但 过小的话会引起振荡而影响系统的稳定，它起到稳定测量值的作用而I是为了消除静差，即 使测量值接近设定值，原则上不宜过大试运行时可于在线条件下边观察测量值的变化边反复 调节P、I参数，直至测量值稳定并与设定值接近为止8、问：上/下限的设定究竟有何作用，它对系统的运行有无影响？答：该设置并非必需，它仅起到一种提示作用，对系统的运行并无影响，可根据实情决 定采用与否有些场合中，当测量值低于下限或高于上限时需报警及驱动其他相关设备配合运 行，可在测量范围内选定二点作为上/下限值，条件激活时作开关量输出9、问：多泵切换功能中的三种模式有何区别，在制作和使用中有哪些特点？答：在F500和F700产品中都具有多泵切换功能（先进PID控制功能，最多4台泵）， 可分别以三种模式工作：1）基本方式 固定一台电机由变频器驱动，而根据其输出频率并通过电磁接触器 切换来增减其它接于工频电源一端电机的台数2）交替方式 运行时与基本方式相同，而若用静止功能停止输出时，则通过电 磁接触器切换将原来工频电源一端的电机接至变频器上二台泵以上运行时须加装内置输出 扩展选件卡，其它运行时的情况与基本方式相似3）直接方式 启动时均由变频器驱动电机，当其它电机启动条件满足后，通过 电磁接触器切换将已完成启动的电机投至工频电源，而原工频电源一端的电机接至变频器并 启动多台电机运行并具备停止条件时， 从最先启动的电机（已在工频运行）开始停止线路 结构与交替方式相同，由于每台电机均由变频启动，所以运行时能较有效地改善水锤效应和 对电网的影响4）在 F7OO 产品中，除以上三种模式外，还增加了交替-直接方式 启动过程及线路 结构与直接方式相同，区别在于多电机运行后并满足停止条件时，变频泵减速后停止，而工 频泵经频率搜索后接入变频器成为变频泵应当说该方式比原来的直接方式能更好地提高压 力的稳定性