温度PID如何让调节

如何用PID参数精确调节温度
类别：传感与控制
一．PID各参数的作用

先谈谈比例作用P, 比例调节器实际上就是个放大倍数可调的放大器，即:

△P=Kce

式中:Kc---比例增益，Kc既可大于1，也可小于1；

e---调节器的输入，也就是测量值与给定值之差，又称为偏差。

要说明的是，对于大多数调节器而言，都不采用比例增益Kc作为刻度，而是用比例度来刻度，即δ=1／Kc100%. 也就是说比例度与调节器的放大倍数的倒数成比例；调节器的比例度越小，它的放大倍数越大，它把偏差放大的能力越大，反之亦然。

明白了上述关系，在参数整定中，就可知道比例度越大，调节器的放大倍数越小，被控温度曲线越平稳，比例度越小，调节器的放大倍数越大，被控温度曲线越波动。

比例调节有个缺点，就是会产生余差，要克服余差就必须引入积分作用。

再谈谈积分作用I，调节器的积分作用就是为了消除自控系统的余差而设置的。所谓积分，就是随时间进行累积的意思，即当有偏差输入e存在时，积分调节器就要将偏差随时间不断累积起来，也就是积分累积的快慢与偏差e的大小和积分速度成正比。只要有偏差e存在，积分调节器的输出就要改变，也就是说积分作用总是起作用的，只有偏差不存在时，积分才会停止。

积分时间Ti是积分速度I的倒数(Ti=1/I)，积分时间长，积分速度就小，即偏差随时间累积的速度就小。调节器的积分单位，有的是按“分／重复”刻度，称为积分时间；有的则用“次数／分”刻度，称为积分增益。它们互为倒数关系。要记住的是:增加积分时间或降低积分增益，会使积分作用强度降低，反之亦然。

积分调节很少单独使用，通常与比例调节一起使用。即调节器的输出如下:

△P=Ke+△Pi

式中:△P---调节器输出值的变化；

Ke---比例作用引起的输出；

△Pi--积分作用引起的输出。

最后dlr谈谈微分作用D，微分作用主要是用来克服被控对象的滞后，常用于温度控制系统。除采用微分作用外，在设计控制系统时还要注意到测量和传送的滞后问题，如温度测量元件的选择和安装位置等等。

为了认识微分作用，我们先来看看手动操作过程，假设有一工艺参数在变化，操作工dlr发现这个参数上升较快，估计很快就会有比较大的偏差，这时，操作工dlr就会过多的打开阀门来克服这个预期的偏差，这种估计及提前开大阀门的超前行为，就是微分动作。微分作用就是模仿了操作工dlr的这一操作，因此有人又称微分作用为“超前调节”。

自控中所指的微分与数学上的微分在概念上是有区别的，自控所指的微分实际上就是变化

率。在常规PID调节器中，微分作用的输出变化与微分时间和偏差变化的速度成比例，而与偏差的大小无关，偏差变化的速度越大，微分时间越长，则微分作用的输出变化越大。但如果微分作用过强，则可能由于变化太快而由其自身引起振荡，而使调节器输出中产生明显的“尖峰”或“突跳”。为了避免这一扰动，在数字调节器和DCS中可使用微分先行PID运算规律，即只对测量值PV进行微分，这样，当人工改变调节器的给定值SP时，不会造成调节器输出的突变，从而避免了改变SP的瞬间给控制系统带来的附加扰动。如TDC-3000, 则在常规PID算法中增加一个软开关，组态时供用户dlr选择调节器对偏差、还是测量值进行微分。

当输入阶跃信号后，微分器一开始输出的最大变化值与微分作用消失后的输出变化的比值就是微分放大倍数Kd，即微分增益,微分增益的单位是时间，设置微分时间(或者微分增益)为零会取消微分的功能。

为了方便记住比例、积分、微分三个作用，dlr抄录一个很流行的顺口溜如下：

[比 例］ [积 分］ [微 分］

比例调节器， 重定调节器， 说起微分器，

象个放大器。 累积有本领。 一点不神秘。

一个偏差来， 只要偏差在， 阶跃输入来，

放大送出去。 累积不停止。 输出跳上去，

放大是多少， 累积快与慢， 下降快与慢，

旋钮看仔细， 旋钮看仔细。 旋钮看仔细。

比例度旋大， 积分时间长， 微分时间长，

放大倍数低。 累积速度低。 下降就慢些。

重定调节器的说明:重定就是重新给定的意思，因为调节器中积分作用就是完成重定工作的。以前把比例积分调节器叫做重定调节器。

二．了解温度对象的特点

实践证明温度对象的特点是:时间常数大，滞后现象严重，反应在控制系统上，就是被控温度的变化滞后于调节器的输出。

我们知道热量的传递是需要一定时间的，温度上升的快慢与其热容量的大小有关，通常温度的上升与下降和时间的关系是一个指数曲线关系。而产生滞后则与热量的传递过程有关，再者测温元件也有一定的惯性，这些都会产生滞后现象。

由于上述二个特点，就给温度控制系统的控制质量带来一些困难，因此说要采取一定的措施来克服滞后现象。

三．关于温度PID参数的整定

当一个温度自动控制系统组成后，对象各通道的静态、动态特性就很难改变了，因此控制过程就取决于PID参数了。PID参数工程整定就是针对特定的控制回路，求取保证控制过程最好的参数值。如今，由于PID算法的变化层出不穷，当我们整定或者修改调节器的参数时，首先要确定这台PID调节器的类型。

对于PID参数的整定,主要有经验法、临界比例度法、衰减曲线法、参数自整定等。要整定好PID参数，由于控制的是温度，经验法提供了基本的凑试范围，即比例度δ20%～60%，积分时间Ti 3～10分，微分时间Td 0．5～3分。dlr建议试把δ放至50%左右，Ti调至6分，Td放至0。调整时先减小δ看变化如何? Ti从大往小调，视变化曲线再进行调整，基本差不多了再加Td。

整定效果如何?衡量一个PID控制系统质量的好坏，主要是看在外界干扰产生后，被控量偏离给定值的情况，假如偏离了以后能很快的平稳的回复到给定值，就认为是好的。

四．与精确控制温度有关的一些问题

要想用PID参数精确控制温度，除做好PID参数的整定工作外，影响精确控制温度的因素还有很多。应注意以下几点:

1．因为温度控制系统的控制精度，是组成该系统各环节(检测、调节仪表及部件)的误差的叠加，只要知道了测温元件、温度变送器、显示仪表、调节仪表、控制系统板卡的精度(或最大允许误差)，是可以用均方根方法来计算控制系统精度的。如果要达到精确控制温度的目的，在系统设计、选型时就要综合考虑选择精度较高的部件及仪表。而且系统在实际应用中，组成系统的各环节、各仪表的误差可能同方向，也可能反方向，因此在同一系统中所有仪表出现同向误差的可能性极小，故系统的误差比理论计算的要小些。再者调节器的测量、给定精度校好后，其它误差对系统影响不是太大，即对闭环控制主回路的影响不大，这也是闭环负反馈的优点。

“如何确定控制系统总精度?

2．再就是不能只片面的要求仪表的精度，如果工艺允许，适当改变测量仪表及控制仪表的量程范围，也是一种提高控制精度的手段。如温度变送器量程的选择，可直接影响到系统的控制精度和显示的分辩率。

3．我们对调节器的性能要求是:当测量值等于给定值时，调节器的输出应该能稳定在任一输出值上，调节器的这种性能，我们称它为控制点。调节器的输出稳定在任一值时，测量值与给定值之差就叫控制点偏差，控制点偏差就是调节精度。特别应指出的是，调节器积分增益的大小决定着调节精度的高低，而调节器的开环放大倍数又决定着积分增益的大小。要提高调节精度，就要认真做好调节器的校验工作。

4．PID工程整定的主要依据是4:1衰减比和各种不同的附加条件。在整定中如果只按衰减比进行整定，是可以得到许多对积分与放大倍数的数值，它们都能满足4:1的衰减比，只有增加另一个附加条件时，才能从许多对数值中选出一对适合的值，这一对适合的值常称为“最佳整定值”，但不

能理解成一组最好的数据，因为对于不同的控制系统，最佳的必要条件不一定相同，要对具体问题作具体分析。举个例子, 两个温度控制系统，一个系统的要求是温度稳定、其偏差不能太大，而另一个系统则要求被控制温度的数值恒定(就是提问网友说的精确调节温度)，对于这两个系统一般的整定方法是可以满足前者要求的，但用相同的整定方法，不一定能得到满足后者要求的数据。因此在要求较高时，对温度控制系统设计、组合、及PID参数的整定中都应引起足够的重视，否则很难达到预期的效果。

5．提问中提的“增加循环时间T的数值”，是否指的是数字PID的采集周期?通常的设定是1s。这与系统大小、运算速度、执行机构的动作时间等都是有关联的。