上海西门子数控系统一级供应商

　　　　　　　在某些应用场合，比如通用仪表行业，系统的工作对象是不确定的，不同的对象就得采用不同的参数值，没法为用户设定参数，就引入参数自整定的概念。实质就是在首　次使用时，通过Ｎ次测量为新的工作对象寻找一套参数，并记忆下来作为以后工作的依据。具体的整定方法有三种：临界比例度法、衰减曲线法、经验法。

１、临界比例度法（Ｚｉｅｇｌｅｒ－Ｎｉｃｈｏｌｓ）

　１．１　　在纯比例作用下，逐渐增加增益至产生等副震荡，根据临界增益和临界周期参数得出ＰＩＤ控制器参数，步骤如下：

（１）将纯比例控制器接入到闭环控制系统中（设置控制器参数积分时间常数Ｔｉ　＝∞，实际微分时间常数Ｔｄ　＝０）。

（２）控制器比例增益Ｋ设置为＊＊＊小，加入阶跃扰动（一般是改变控制器的给定值），观察被调量的阶跃响应曲线。

（３）由小到大改变比例增益Ｋ，直到闭环系统出现振荡。

（４）系统出现持续等幅振荡时，此时的增益为临界增益（Ｋｕ），振荡周期（波峰间的时间）为临界周期（Ｔｕ）。

　１．２　　采用临界比例度法整定时应注意以下几点：

（１）在采用这种方法获取等幅振荡曲线时，应使控制系统工作在线性区，不要使控制阀出现开、关的＊＊状态，否则得到的持续振荡曲线可能是“极限循环”，从线性系统概念上说系统早已处于发散振荡了。

（２）由于被控对象特性的不同，按上表求得的控制器参数不一定都能获得满意的结果。对于无自平衡特性的对象，用临界比例度法求得的控制器参数往住使系统响应的衰减率偏大（ψ＞０．７５　）。而对于有自平衡特性的高阶等容对象，用此法整定控制器参数时系统响应衰减率大多偏小（ψ＜０．７５　）。为此，上述求得的控制器参数，应针对具体系统在实际运行过程中进行在线校正。

（３）　临界比例度法适用于临界振幅不大、振荡周期较长的过程控制系统，但有些系统从安全性考虑不允许进行稳定边界试验，如锅炉汽包水位控制系统。还有某些时间常数较大的单容对象，用纯比例控制时系统始终是稳定的，对于这些系统也是无法用临界比例度法来进行参数整定的。

（４）只适用于二阶以上的高阶对象，或一阶加纯滞后的对象，否则，在纯比例控制情况下，系统不会出现等幅振荡。

１．３　　若求出被控对象的静态放大倍数ＫＰ＝△ｙ／△ｕ　，则增益乘积ＫｐＫｕ可视为系统的＊＊＊大开环增益。通常认为Ｚｉｅｇｌｅｒ－Ｎｉｃｈｏｌｓ闭环试验整定法的适用范围为：

（１）　当ＫｐＫｕ　＞　２０时，应采用更为复杂的控制算法，以求较好的调节效果。

（２）当ＫｐＫｕ　＜　２时，应使用一些能补偿传输迟延的控制策略。

（３）当１．５＜ｋｐｋｕ＜　２时，在对控制精度要求不高的场合仍可使用ｐｉｄ控制器，但需要对表１进行修正。在这种情况下，建议采用ｓｍｉｔｈ预估控制和ｉｍｃ控制策略。＜＝＂＂　ｓｐａｎ＝＂＂＞

（４）当ＫｐＫｕ＜　１．５时，在对控制精度要求不高的场合仍可使用ＰＩ控制器，在这种情况下，微分作用意义不大。

２、衰减曲线法

衰减曲线法与临界比例度法不同的是，闭环设定值扰动试验采用衰减振荡（通常为４：１或１０：ｌ），然后利用衰减振荡的试验数据，根据经验公式求取控制器的整定参数。整定步骤如下：

（１）在纯比例控制器下，置比例增益Ｋ为较小值，并将系统投入运行。

（２）系统稳定后，作设定值阶跃扰动，观察系统的响应，若系统响应衰减太快，则减小比例增益Ｋ；反之，应增大比例增益Ｋ。直到系统出现如图１　所示的４：１衰减振荡过程，记下此时的比例增益Ｋｓ及和振荡周期Ｔｓ数值。

（３）利用Ｋｓ和Ｔｓ值，按表２给出的经验公式，计算出控制器的参数整定值。

（４）１０：１衰减曲线法类似，只是用Ｔｒ带入计算。

采用衰减曲线法必须注意几点：

（１）加给定干扰不能太大，要根据生产操作要求来定，一般在５％左右，也有例外的情况。

（２）必须在工艺参数稳定的情况下才能加给定干扰，否则得不到正确的整定参数。

（３）对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位调节等，要得到严格的４：１衰减曲线较困难，一般以被调参数来回波动两次达到稳定，就近似地认为达到４：１衰减过程了。

（４）投运时，先将Ｋ放在较小的数值，把Ｔｉ减少到整定值，把Ｔｄ逐步放大到整定值，然后把Ｋ拉到整定值（如果在Ｋ＝整定值的条件下很快地把Ｔｄ放到整定值，控制器的输出会剧烈变化）。

３、经验整定法

３．１方法一Ａ

（１）确定比例增益

使ＰＩＤ为纯比例调节，输入设定为系统允许＊＊＊大值的６０％～７０％，由０逐渐加大比例增益至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益逐渐减小至系统振荡消失，记录此时的比例增益，设定ＰＩＤ的比例增益Ｐ为当前值的６０％～７０％。

（２）确定积分时间常数

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至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ｔｉ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％。

（３）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％。

（４）系统带载联调，再对ＰＩＤ参数进行微调，直至满足要求。

３．２方法一Ｂ

（１）ＰＩ调节

（ａ）纯比例作用下，把比例度从较大数值逐渐往下降，至开始产生周期振荡（测量值以给定值为中心作有规则的振荡），在产生周期性振荡的情况下，把此比例度逐渐加宽直至系统充分稳定。

（ｂ）接下来把积分时间逐渐缩短至产生振荡，此时表示积分时间过短，应把积分时间稍加延长，直至振荡停止。

（２）ＰＩＤ调节

（ａ）纯比例作用下寻求起振点。

（ｂ）加大微分时间使振荡停止，接着把比例度调得稍小一些，使振荡又产生，加大微分时间，使振荡再停止，来回这样操作，直至虽加大微分时间，但不能使振荡停止，求得微分时间的＊＊＊佳值，此时把比例度调得稍大一些直至振荡停止。

（ｃ）把积分时间调成和微分时间相同的数值，如果又产生振荡则加大积分时间直至振荡停止。

３．３方法二

另一种方法是先从表列范围内取Ｔｉ的某个数值，如果需要微分，则取Ｔｄ＝（１／３～１／４）Ｔｉ，然后对δ进行试凑，也能较快地达到要求。实践证明，在一定范围内适当地组合δ和Ｔｉ的数值，可以得到同样衰减比的曲线，就是说，δ的减少，可以用增加Ｔｉ的办法来补偿，而基本上不影响调节过程的质量。所以，这种情况，先确定Ｔｉ、Ｔｄ再确定δ的顺序也是可以的。而且可能更快些。如果曲线仍然不理想，可用Ｔｉ、Ｔｄ再加以适当调整。

３．４方法三

（１）在实际调试中，也可以先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。

　　流量系统：Ｐ（％）４０－－１００，Ｉ（分）０．１－－１

　　压力系统：Ｐ（％）３０－－７０，　　　Ｉ（分）０．４－－３

　　　　　　　液位系统：Ｐ（％）２０－－８０，　　　Ｉ（分）１—５

　　温度系统：Ｐ（％）２０－－６０，　　　Ｉ（分）３－－１０，Ｄ（分）０．５－－３

（２）以下整定的口诀：

阶跃扰动投闭环，参数整定看曲线；先投比例后积分，＊＊＊后再把微分加；

理想曲线两个波，振幅衰减４比１；比例太强要振荡，积分太强过程长；

动差太大加微分，频率太快微分降；偏离定值回复慢，积分作用再加强。

４、复杂调节系统的参数整定

以串级调节系统为例来说明复杂调节系统的参数整定方法。由于串级调节系统中，有主、副两组参数，各通道及回路间存在着相互联系和影响。改变主、副回路的任一参数，对整个系统都有影响。特别是主、副对象时间常数相差不大时，动态联系密切，整定参数的工作尤其困难。

在整定参数前，先要明确串级调节系统的设计目的。如果主要是保证主参数的调节质量，对副参数要求不高，则整定工作就比较容易；如果主、副参数都要求高，整定工作就比较复杂。