ＰＩＤ在工業(yè)自動(dòng)控制中的運(yùn)用

許瑞峰　劉康珍

摘要：文章介紹了PID在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要性，它是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，也是關(guān)鍵部分，闡述了PID的工作原理和被控參數(shù)選定原則。

關(guān)鍵詞：PID調(diào)節(jié)；給定值；測(cè)量值；偏差值；工業(yè)自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TM715文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）02-0076-02

隨著電子、計(jì)算機(jī)、通訊、故障診斷、冗余校驗(yàn)和圖形顯示等技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化水平也日益提高。但在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品的質(zhì)量受多因素的干擾而使自動(dòng)化水平的優(yōu)點(diǎn)遜色。PID控制理論從此應(yīng)運(yùn)而生。

一、PID的工作原理

由于來(lái)自外界的各種擾動(dòng)不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制參數(shù)值保持穩(wěn)定，控制作用就必須不斷地進(jìn)行。若擾動(dòng)出現(xiàn)使得現(xiàn)場(chǎng)控制參數(shù)值發(fā)生變化，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件就會(huì)將這種變化記錄并傳送給PID控制器，改變過程變量值（以下簡(jiǎn)稱PV值），經(jīng)變送器送至PID控制器的輸入端，并與其給定值（以下簡(jiǎn)稱SP值）進(jìn)行比較得到偏差值（以下簡(jiǎn)稱e值），調(diào)節(jié)器按此偏差并以我們預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律（將在第三節(jié)PID算法中詳細(xì)推導(dǎo)與分析）發(fā)出控制信號(hào)，去改變調(diào)節(jié)器的開度，使調(diào)節(jié)器的開度增加或減少，從而使現(xiàn)場(chǎng)控制參數(shù)值發(fā)生改變，并趨向于給定值（SP值），以達(dá)到控制目的。

二、PID被控參數(shù)的選定

選擇被控參數(shù)是控制方案設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，對(duì)于穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量等都具有決定性的意義。若被控參數(shù)選擇不當(dāng)，則無(wú)論組成什么樣的控制系統(tǒng)，選用多么先進(jìn)的過程檢測(cè)控制設(shè)備，均不會(huì)達(dá)到預(yù)期的控制效果。

因?yàn)橛绊懣刂茀?shù)值變化的擾動(dòng)很多，并非所有擾動(dòng)都必須加以控制，所以正確選定被控參數(shù)，顯得尤為重要。選擇被控參數(shù)要根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，深入分析生產(chǎn)工藝過程，找出對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量、安全生產(chǎn)等具有決定性作用，能較好反映工藝生產(chǎn)狀態(tài)變化的參數(shù)，而這些參數(shù)又是人工控制難以滿足要求。

在實(shí)際應(yīng)用中，PID參數(shù)的選擇并不是唯一的，更不是隨意的，要通過對(duì)過程特性進(jìn)行深入分析，才能做出的正確選擇。

下面是選取被控參數(shù)的一般原則：

1.選擇對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量、安全生產(chǎn)等具有決定性作用的、可直接測(cè)量的工藝參數(shù)作為被控參數(shù)。

2.當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時(shí)，應(yīng)該選擇一個(gè)與直接參數(shù)有線性單值函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接參數(shù)作為被控參數(shù)。

3.被控參數(shù)必須具有足夠高的靈敏度。

4.被控參數(shù)的選取，必須考慮工藝過程的合理性和所用儀表的性能。

三、PID算法

在過程控制中，PID控制器一直是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器，特別是在模擬量的控制應(yīng)用中；PID控制也一直是眾多控制方法中應(yīng)用最為普遍的控制算法，PID算法的計(jì)算過程與輸出值（OUT）有著直接函數(shù)關(guān)系。

PID控制器調(diào)節(jié)輸出，是為了保證偏差值（e值）為零，使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)預(yù)期穩(wěn)定狀態(tài)。這里的偏差（e）是給定值（SP）和過程變量值（PV）的差。PID控制原理基于下面的算式：

M(t)=KC*e+ KC* +Minitial+ KC*TD* 或者

Mn=KC*en+KC* +Minitial+ KC* *（en-en-1）

輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)

M(t) ：回路輸出（時(shí)間函數(shù)）

Mn ：第n次采樣時(shí)刻,PID回路輸出的計(jì)算值（OUT值）

T ：采樣周期（或控制周期）

Minitial ：PID回路輸出初始值

Kc ：PID回路增益

TI ：積分項(xiàng)的比例常數(shù)

TD ：微分項(xiàng)的比例常數(shù)

en ：在第n次采樣時(shí)刻的偏差值（en=SPn-PVn）

en-1：在第n-1次采樣時(shí)刻的偏差值（也稱偏差前項(xiàng)）

從這個(gè)數(shù)字偏差算式可以看出；

比例項(xiàng)是：當(dāng)前誤差采樣的函數(shù)。

積分項(xiàng)是：從第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期所有誤差項(xiàng)的函數(shù)。

微分項(xiàng)是：當(dāng)前誤差采樣和前一次誤差采樣的函數(shù)。

四、控制器P、I、D項(xiàng)的選擇

在實(shí)際過程控制中，為使現(xiàn)場(chǎng)過程值在較理想的時(shí)間內(nèi)跟定SP值，如何確定選用何種控制或控制組合來(lái)滿足現(xiàn)場(chǎng)控制的需要顯得十分重要。根據(jù)前面的對(duì)PID算法的分析，下面將常用的各種控制規(guī)律的控制特點(diǎn)簡(jiǎn)單歸納一下：

1.比例控制規(guī)律P：采用P控制規(guī)律能較快地克服擾動(dòng)的影響，它的作用于輸出值較快，但不能很好地穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動(dòng)的影響，但有余差出現(xiàn)。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場(chǎng)合。

2.比例積分控制規(guī)律（PI）：在工程中比例積分控制規(guī)律是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場(chǎng)合。

3.比例微分控制規(guī)律（PD）：微分具有超前作用，對(duì)于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果。因此，對(duì)于控制通道的時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大的場(chǎng)合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。

4.例積分微分控制規(guī)律（PID）：PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場(chǎng)合。如溫度控制等。

五、利用整定參數(shù)來(lái)選擇PID控制規(guī)律

在前面講到PID控制規(guī)律的選擇，如何在中整定參數(shù)中關(guān)閉或打開PID控制規(guī)律成了我們應(yīng)該了解的問題。在許多控制系統(tǒng)中，我們有時(shí)只需要一種或兩種回路控制規(guī)律就可以滿足生產(chǎn)工藝的需要，如P、PI、PD、PID等類型。根據(jù)我們推導(dǎo)的數(shù)字偏差算式（1-5），我們可以得出以下結(jié)論：

1.如果不要積分參與控制，可以把積分時(shí)間TI設(shè)為無(wú)窮大。但積分項(xiàng)還是不可能為零，這是因?yàn)檫€有初期Minitial的存在。

2.如果不要微分參與控制，可以把微分時(shí)間TD設(shè)為零。

3.如果不要比例參與控制，但需要積分或積分微分參與控制，可以把增益設(shè)為零。在增益為零的情況下，CPU在計(jì)算積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的時(shí)候，會(huì)把增益置為1.0。

六、PID的最佳整定參數(shù)的選定

PID的最佳整定參數(shù)一般包括Kc、TI、TD等三個(gè)常用的控制參數(shù)，準(zhǔn)確有效地選定PID的最佳整定參數(shù)是關(guān)于PID控制器是否有效的關(guān)鍵部分，如何在實(shí)際生產(chǎn)中找到這些合適的參數(shù)呢? 現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法是人們?cè)陂L(zhǎng)期工作工程實(shí)踐中，從各種控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量影響的定性分析總結(jié)出來(lái)的一種行之有效、并得到廣泛應(yīng)用的工程整定方法。在現(xiàn)場(chǎng)整定過程中，我們要保持PID參數(shù)按先比例，后積分，最后微分的順序進(jìn)行，在觀察現(xiàn)場(chǎng)過程值PV的趨勢(shì)曲線的同時(shí)，慢慢的改變PID參數(shù)，進(jìn)行反復(fù)湊試，直到控制質(zhì)量符合要求為止。

在具體整定中，我們通常先關(guān)閉積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，將TI設(shè)置為無(wú)窮大、TD設(shè)置為零，使其成為純比例調(diào)節(jié)。初期比例度按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定，根據(jù)PV曲線，再慢慢地整定比例控制比例度，使系統(tǒng)達(dá)到4：1衰減振蕩的PV曲線，然后，再加積分作用。在加積分作用之前，應(yīng)將比例度加大為原來(lái)的1.2倍左右。將積分時(shí)間TI由大到小的調(diào)整，真到系統(tǒng)再次得到4：1的衰減振蕩的PV曲線為止。若需引入微分作用，微分時(shí)間按TD=（1/3～1/4）TI計(jì)算，這時(shí)可將比例度調(diào)到原來(lái)數(shù)值或更小一些，再將微分時(shí)間由小到大調(diào)整，直到PV曲線達(dá)到滿意為止。有一點(diǎn)需要注意的是：在湊試過程中，若要改變TI、TD時(shí)，應(yīng)保持的比值不變。

在找到最佳整定參數(shù)之前，要對(duì)PV值曲線進(jìn)行走勢(shì)分析，判斷擾動(dòng)存在的變化大小，再慢慢地進(jìn)行湊試。如果經(jīng)過多次仍找不到最佳整定參數(shù)或參數(shù)無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)，而生產(chǎn)工藝又必須要求較為準(zhǔn)確，那就得考慮單回路PID控制的有效性，是否應(yīng)該選用更復(fù)雜的PID控制。

參考文獻(xiàn)

[1]翁維勤,孫洪程．過程控制系統(tǒng)及工程（第二版）[M]．化學(xué)工業(yè)出版社．

[2]吳麒．自動(dòng)控制原理[M]．清華大學(xué)出版社．

作者簡(jiǎn)介：許瑞峰（1980- ），男，內(nèi)蒙古喀什克旗人，供職于濟(jì)鋼設(shè)計(jì)院，研究方向：自動(dòng)化儀表；劉康珍（1980- ），男，山東菏澤人，供職于山東省冶金建設(shè)開發(fā)公司，研究方向：電氣自動(dòng)化。