西門子S7-300系列PLC的PID功能塊應(yīng)用經(jīng)驗
發(fā)布時間:2023/8/18
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內(nèi)容摘要:
自動整定的PID參數(shù)可能對于系統(tǒng)來說不是最好的,就需要手動憑經(jīng)驗來進行整定。P參數(shù)過小,達(dá)到動態(tài)平衡的時間就會太長;P參數(shù)過大,就容易產(chǎn)生超調(diào)。
PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。
PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來有兩大類:
一是理論計算整定法。
它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用,還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。
二是工程整定方法。
它主要依賴工程經(jīng)驗,直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行,且方法簡單、易于掌握,在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法,主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點,其共同點都是通過試驗,然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。
但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù),都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下:
(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作;
(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期;
(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。
PID參數(shù)的設(shè)定:是靠經(jīng)驗及工藝的熟悉,參考測量值跟蹤與設(shè)定值曲線,從而調(diào)整P\I\D的大小。
比例I/微分D=2,具體值可根據(jù)儀表定,再調(diào)整比例帶P,P過頭,到達(dá)穩(wěn)定的時間長,P太短,會震蕩,永遠(yuǎn)也打不到設(shè)定要求。
PID控制器參數(shù)的工程整定,各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中P.I.D參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)以下可參照:
溫度T:P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s;
壓力P:P=30~70%,T=24~180s;
液位L:P=20~80%,T=60~300s;
流量L:P=40~100%,T=6~60s。
書上的常用口訣:
參數(shù)整定找最佳,從小到大順序查;
先是比例后積分,最后再把微分加;
曲線振蕩很頻繁,比例度盤要放大;
曲線漂浮繞大灣,比例度盤往小扳;
曲線偏離回復(fù)慢,積分時間往下降;
曲線波動周期長,積分時間再加長;
曲線振蕩頻率快,先把微分降下來;
動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長;
理想曲線兩個波,前高后低4比1;
一看二調(diào)多分析,調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低。
PID參數(shù)的設(shè)置的大小,一方面是要根據(jù)控制對象的具體情況而定;另一方面是經(jīng)驗。P是解決幅值震蕩,P大了會出現(xiàn)幅值震蕩的幅度大,但震蕩頻率小,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時間長;I是解決動作響應(yīng)的速度快慢的,I大了響應(yīng)速度慢,反之則快;D是消除靜態(tài)誤差的,一般D設(shè)置都比較小,而且對系統(tǒng)影響比較小。對于溫度控制系統(tǒng)P在5-10%之間;I在180-240s之間;D在30以下。對于壓力控制系統(tǒng)P在30-60%之間;I在30-90s之間;D在30以下。
這里介紹一種經(jīng)驗法。這種方法實質(zhì)上是一種試湊法,它是在生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的行之有效的方法,并在現(xiàn)場中得到了廣泛的應(yīng)用。
這種方法的基本程序是先根據(jù)運行經(jīng)驗,確定一組調(diào)節(jié)器參數(shù),并將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行,然后人為地加入階躍擾動(如改變調(diào)節(jié)器的給定值),觀察被調(diào)量或調(diào)節(jié)器輸出的階躍響應(yīng)曲線。若認(rèn)為控制質(zhì)量不滿意,則根據(jù)各整定參數(shù)對控制過程的影響改變調(diào)節(jié)器參數(shù)。這樣反復(fù)試驗,直到滿意為止。
經(jīng)驗法簡單可靠,但需要有一定現(xiàn)場運行經(jīng)驗,整定時易帶有主觀片面性。當(dāng)采用PID調(diào)節(jié)器時,有多個整定參數(shù),反復(fù)試湊的次數(shù)增多,不易得到最佳整定參數(shù)。
下面以PID調(diào)節(jié)器為例,具體說明經(jīng)驗法的整定步驟:
A.讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)S0=0,實際微分系數(shù)k=0,控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行,由小到大改變比例系數(shù)S1,讓擾動信號作階躍變化,觀察控制過程,直到獲得滿意的控制過程為止。
B.取比例系數(shù)S1為當(dāng)前的值乘以0.83,由小到大增加積分系數(shù)S0,同樣讓擾動信號作階躍變化,直至求得滿意的控制過程。
C.積分系數(shù)S0保持不變,改變比例系數(shù)S1,觀察控制過程有無改善,如有改善則繼續(xù)調(diào)整,直到滿意為止。否則,將原比例系數(shù)S1增大一些,再調(diào)整積分系數(shù)S0,力求改善控制過程。如此反復(fù)試湊,直到找到滿意的比例系數(shù)S1和積分系數(shù)S0為止。
D.引入適當(dāng)?shù)膶嶋H微分系數(shù)k和實際微分時間TD,此時可適當(dāng)增大比例系數(shù)S1和積分系數(shù)S0。和前述步驟相同,微分時間的整定也需反復(fù)調(diào)整,直到控制過程滿意為止。
PID參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。大慣量如:大烘房的溫度控制,一般P可在10以上,I=3-10,D=1左右。小慣量如:一個小電機帶一臺水泵進行壓力閉環(huán)控制,一般只用PI控制。P=1-10,I=0.1-1,D=0,這些要在現(xiàn)場調(diào)試時進行修正的。
PID控制說明:
在工程實際中,應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制,簡稱PID控制,又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史,它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。
當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時,控制理論的其它技術(shù)難以采用時,系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定,這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即 當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象,或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時,最適合用PID控制技術(shù)。
PID控制,實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。
比例(P)控制:比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。
積分(I)控制:在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng),如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分,隨著時間的增加,積分項會增大。這樣,即便誤差很小,積分項也會隨著時間的增加而加大,它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小,直到等于零。因此,比例+積分(PI)控制器,可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。
微分(D)控制:在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后組件,具有抑制誤差的作用,其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,即在誤差接近零時,抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。
這就是說,在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的,比例項的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項”,它能預(yù)測誤差變化的趨勢,這樣,具有比例+微分的控制器,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零,甚至為負(fù)值,從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。