3.1.3 PID参数的整定
1. PID控制参数的作用
比例调节可以减小静差，但不能消除静差；比例系数越大，比例作用越强，系统响应越快，但比例系数过大，会使超调量过大，甚至使系统不稳定。积分调节主要用于消除静差；但积分作用的加入，会是系统动态响应变慢，积分时间越小，积分作用越强，但积分作用太强会使系统超调加大，使系统振荡加剧。微分调节可以改善系统的动态响应，减小调节时间，但当系统存在高频干扰时不宜加入微分调节；微分时间越大，微分作用越强。
2. PID校正方法
对于一个给定的控制系统，要实现预定的控制过程，必须通过选择合适的P、I、D控制参数来实现。整定控制器的参数，是提高控制质量的主要途径。当控制器的参数整定好并且投入运行系统之后，被调参数可以稳定在工艺要求的范围之内，就可以认为控制器的参数整定好了。
PID的校正方法有很多，概括起来说可以分为三类，即理论计算整定法、工程整定法和自整定法。在这里只简单的介绍三种常用的方法。
(1) 临界比例度法
1) 临界比例度法是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性，其方法简单、使用方便，因而获得了广泛应用。具体整定步骤如下：
先将调节器的积分时间Ti置于最大（Ki?0），微分时间Td置零（Kd?0），比例度?置为较大的数值（Kp置为较小值）使系统投入闭环运行。
2) 等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小?，直到系统出现如图2-1所示的等幅振荡为止。记录下此时的?k（临界比例度）和等幅振荡周期Tk。
3) 根据所记录的?k和Tk，按表2-1给出的经验公式计算出调节器的?、Ti及Td参数。
y(t)TKO图2-1 临界比例度下的等幅振荡曲线 表2-1 临界比例度法的参数计算表 t
整定参数 调节规律 P PI PID ? 2?k 2.2?k Ti Td 0.8Tk 0.5Tk 1.7?k 0.13Tk (2) 衰减曲线法 衰减比例法与临界比例法相类似，所不同的是无需出现等幅振荡过程，具体方法如下：
1) 先置调节器积分时间Ti=?，微分时间Td=0，比例度?置于较大数值，将系统投入运行。
2) 等系统运行稳定后，对设定值作阶跃变化，然后观察系统的响应。若系统振荡衰减太快，则减小比例度；反之，则增大比例度。如
y(t)TSy(t)?=0.75衰减比4:1?=0.9衰减比10:1Ot
Otpta）4:1衰减曲线 b）10:1衰减曲线
图2-2 系统衰减振荡曲线
此反复，直到出现如图2-2a所示的衰减比为4:1的振荡过程，或者如图2-2b所示的衰减比为10:1的振荡过程时，记录下此时的?值（设为?S）以及Ts值（如图2-2a），或者tp值（如图2-2b所示）。图中，Ts为衰减振荡周期，tp为输出响应的峰值时间。
3) 按表2-2中所给出的经验公式计算?、Ti及Td。
表2-2
衰减曲线法参数计算公式表
整定参数 衰减率ψ 调节规律 P 0.75 PI PID P 0.90 PI PID ? Ti Td ?S 1.2?S 0.8?S 0.5TS 0.3TS 0.1TS ?S 1.2?S 0.8?S 2tp 1.2tp 0.4tp (3) 经验法 需要指出的是，无论采用哪一种工程整定方法所得到的调节器参数，都需要在系统的实际运行中，针对实际的过渡过程曲线进行适当的调整与完善。其调整的经验准则是“看曲线，调参数”：
1) 比例度?越大，放大系数Kc越小，过渡过程越平缓，稳态误差越大；反之，过渡过程振荡越激烈，稳态误差越小；若?过小，则可能导致发散振荡。
2) 积分时间Ti越大，积分作用越弱，过渡过程越平缓，消除稳态误差越慢；反之，过渡过程振荡越激烈，消除稳态误差越快。
3) 微分时间Td越大，微分作用越强，过渡过程趋于稳定，最大偏差越小；但Td过大，则会增加过渡过程的波动程度。
3. PID调节控制面板
S7-200 PLC的PID回路表起初只有36字节，在增加了PID自动调谐后，回路表扩展到了80字节。STEP 7-Micro/WIN中的PID调节控制面板可以帮助用户设置PID回路表中的参数，以实现对PID参数的自动调谐，使PID参数的整定过程更加简便。但需要注意的是，使用自动调谐有一定的前提条件：
(1) PID回路必须处于自动模式；如果回路处于手动模式，自动调谐将会失败。
(2) 在启动自动调谐之前，检测值必须达到某一稳态，即PV应经达到稳态，并且输出没有不规律地变化。
(3) 开始自动调谐时，回路输出值最好能够在控制范围中点附近；因为自动调谐过程会通过在回路输出中做出小步长改变，在进程中建立一个振荡。若回路输出太过于接近控制范围边缘，有可能在自动调谐时因为引进的小步长改变而试图超出控制范围。 PID调节控制面板也可进行手动设置PID参数，使用之前介绍的PID校正方法同样可以较快的配置好参数。