PID参数整定与抗积分饱和 谢磊 浙江大学智能系统与控制研究所
内 容 PID控制器类型的选择 控制器参数整定的一般方法 流量控制回路的PID参数整定方法 液位均匀控制系统的PID参数整定 积分饱和与防止 Summary
PID参数整定的概念
基于过程特性参数K, T,τ的 离线参数整定法 步骤 1：将控制器从“自动”模式切换至“手动”模式（此时控制器输出完全由人工控制），人为以阶跃方式增大或减少控制器输出，并记录控制器相关的输入输出动态响应数据。 步骤 2：由阶跃响应数据估计特性参数 K, T,τ。 步骤 3：按经验公式设定 PID参数 Kc、Ti、Td，并将控制器切换至“自动”模式。 步骤 4：根据系统闭环响应情况，增大或减少控制器增益Kc直至满意为止。
步骤 3：获取初始PID参数 (Ziegler-Nichols 方法) 控制器类型 Kc Ti Td P ∞ PI PID 注意：上述整定规则仅限于
步骤 3：获取初始PID参数 (Lambda 整定法) 控制器 Kc Ti Td P ∞ PI T PID τ/2 取值 注意：上述整定规则不受τ/T 取值的限制
PID参数在线整定法 步骤 1：将在线闭环运行的控制器，完全去除积分作用与微分作用（Ti =最大值，Td = 0）成为纯比例控制器，并设置较小的 Kc 值。 步骤 2：施加小幅度的设定值或扰动变化， 并观察CV的响应曲线。 步骤 3：若CV 的响应未达到等幅振荡，则增大Kc（减少比例带 PB）；若CV 响应为发散振荡，则减少Kc。重复步骤 2。 步骤 4：重复步骤 3，直至产生等幅振荡。
在线整定仿真举例
在线整定准则： Ziegler-Nichols 法 由纯比例控制下的等幅振荡曲线，获得临界控制器增益 Kcu与临界振荡周期 Tu，并按下表得到正常工作下的控制器参数。 控制器 Kc Ti Td P 0.5Kcu PI 0.45Kcu Tu /1.2 PID 0.65Kcu Tu /2 Tu /8
在线整定仿真举例
在线整定法的局限性分析
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流量回路的动态特性 动态响应的快速性 纯滞后时间接近零，即从理论上讲控制器增益可无限大 测量噪声大 为减少控制阀的频繁波动，宜采用PI控制器，而且控制增益应小、而积分作用应大（即接近纯积分控制器）（为什么？）
流量回路的控制参数选择 Kc 整定原则： 控制增益可人工调整，但对于设定值的阶跃变化，实际流量不应出现超调。.
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分析下列液位控制问题的不同点
液位回路的动态特性 不少液位对象为非自衡的积分过程，无法进行阶跃响应测试。 当进料流量变化为主要扰动时，对于液位控制回路，可能存在两种不同的控制目标 (1) 常规液位控制，也称“紧液位控制”； (2) 液位均匀控制，也称“平均液位控制”
常规液位控制 控制目标是使液位与其设定值的偏差尽可能小，而对MV（如输出流量）的波动无限制。 假设该液位过程为自衡过程，则可采用阶跃响应获取K、T、τ，并可采用常规的参数整定法 假设该液位过程为非自衡过程，常采用PI控制器，而且控制增益大、积分作用弱（即接近纯比例控制器）（为什么？）
液位均匀控制 控制目标是使操作变量（如储罐输出流量）尽可能平缓，以减少对下游装置的干扰，而允许贮罐液位在上下限之间波动。 液位均匀控制常采用比例控制器（在实际应用中，可采用PI控制器，并选择积分时间足够大，以减少积分作用）。 比例增益的整定原则：比例增益应尽可能小，只要液位的波动幅度不超过允许的上下限（对于可能的大幅度输入流量干扰）。
液位控制仿真举例
液位均匀控制系统的分析 假设被控过程的动态方程为 其中 A 为储罐的截面积。假设液位变送器LT 41与控制阀满足
液位均匀控制系统的分析（续） 对于某一纯比例控制器, Gc = －Kc, 试分析上述模型参数对动态特性的响应
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PID控制器的积分饱和问题 积分饱和问题的由来
单回路PID控制器的 积分饱和现象 讨论以下现象： （1）控制器的积分饱和现象 （2）控制阀全开或全关
单回路控制的抗积分饱和原理 原理：当控制器输出超出正常操作范围时，将积分作用切除。
抗积分饱和仿真举例
工业单回路PID控制器 PID1 PID2
串级控制中的积分饱和现象
串级控制中的抗积分饱和方法