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看懂PID的ZN整定方法之PID參數(shù)影響分析

2024/3/22 9:18:28 人評論 次瀏覽 分類:過程控制  文章地址:http://prosperiteweb.com/tech/5435.html

1942年,在著名的論文“自動控制器的最佳設置”中,泰勒儀器公司銷售工程部的J. G. Ziegler和工程研究部的N. B. Nichols提出了兩個形成適當控制器參數(shù)的程序,開啟了現(xiàn)代PID工程整定之路。Ziegler比Nichols年長幾歲,兩位傳奇工程師1997年同一年離世。Nichols后來還在麻省理工學院從事過伺服控制的研究。為了紀念他,國際自控聯(lián)合會成立了一個Nichols獎。Nichols的確很N.B.。

ZN整定方法有開環(huán)和閉環(huán)兩種。閉環(huán)方法又稱為臨界比例度方法。分兩步:

1、純比例投用閉環(huán)控制回路,確定穩(wěn)定極限;
2、根據(jù)公式計算PID控制器參數(shù)。

根據(jù)公式計算PID控制器參數(shù)

由純比例控制下的等幅振蕩曲線,獲得臨界控制器增益Kcu與臨界振蕩周期Tu。并按上表得到正常工作下的PID控制器參數(shù)。


我們關于PID參數(shù)的定性知識和上面的整定公式有關。這些定性知識和理論分析大部分都吻合。基于上面的公式對PID參數(shù)可以得到如下結論。


PID參數(shù)影響分析

1、比例作用是PID最主要的控制作用,也是最早被應用最簡單的控制作用。純比例首先被用于確定引起等幅振蕩的比例增益邊界,PID的控制性能也主要由比例作用決定。先找到合適的比例增益再去確定配套的積分作用和微分作用,是PID參數(shù)整定工程方法的常用套路。這一點Lambda的理論思路不完全一樣。Lambda的理論基礎是直接綜合法,就是知道閉環(huán)性能和被控對象特性得到PID參數(shù)。

2、有純比例的控制器,但是純積分控制器或者純微分控制器很少用于實時控制。積分作用和微分作用常常和比例作用配合工作。


3、比例增益砍一半可以將閉環(huán)響應從等幅振蕩調整為4:1衰減振蕩。不合理的PID參數(shù)都應該翻一番乘2或者砍一半除2,小幅度的調整往往不奏效。


4、引入積分作用會引起控制作用的加強,有振蕩的風險需要適當降低比例作用。積分作用合適在比例作用基本不變的情況下可以改善閉環(huán)性能。從頻域分析積分作用引入了一個消除余差的極點和一個抵消主極點的零點,所以積分作用和比例作用組成了工程上最常用的PI控制器。


5、引入微分作用可以使用更強的比例作用和積分作用。從而在被控對象動態(tài)特性受限的情況進一步改善閉環(huán)性能。但是由于會放大噪聲的影響而且必須做不完全微分處理,除非被控對象特性和閉環(huán)要求矛盾很突出,而且通過工藝設備改進或者控制方案改進也不能解決,才會考慮使用微分。


6、一般情況下,純滯后主導微分作用有限,時間常數(shù)主導控制器輸出受限不需要微分。


7、微分時間設置為積分時間的四分之一。積分時間被用于抵消主極點,微分時間被用于抵消次極點。微分時間正常設置應該比積分時間小。


臨界比例度整定方法提供的某些信息,在使用中也要注意條件。例如:


1、當?shù)确袷幨潜壤鲆嬉饡r,萬老師有非常清晰的結論:振蕩周期在2倍純滯后和4倍純滯后之間。不宜作為積分時間設置的依據(jù)。做個階躍測試用Lambda整定方法簡單準確高效。


2、ZN整定方法是為串聯(lián)形式的PID準備的。這樣的微分作用只能消除一個實極點。這個四分之一和標準形式的四分之一不同。標準形式的四分之一是為了保證控制器有兩個實極點,防止控制器引入閉環(huán)振蕩。理論上使用標準形式的PID,微分作用可以和積分作用一起消除一對共軛虛根。工業(yè)上也常常用PI-PD串級的方式解決被控對象的非本質單調問題。

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