計算機(jī)自控參數(shù)設(shè)定的實用方法研究

摘 要：PID是工業(yè)自動化水平，是目前衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。PID控制器因其簡單的結(jié)構(gòu)、平穩(wěn)的工作性能、高度的可靠性、簡便的調(diào)整程序，使得它發(fā)明至今七十余年仍然散發(fā)出耀眼的光芒，也因此，PID控制器成為當(dāng)今工業(yè)計算機(jī)自動控制的主要技術(shù)之一。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)；自動控制系統(tǒng)；參數(shù)

中圖分類號：TQ114

在實際計算機(jī)自動化控制中，有時候我們不能完全了解被控對象的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且其數(shù)學(xué)模型也沒有精確的數(shù)據(jù)資料，此時傳統(tǒng)的控制方法無法實現(xiàn)或者操作復(fù)雜，因而PID控制技術(shù)就成為最佳的選擇，在操作過程中，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)參數(shù)在實際的操作過程中，通過操作經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試進(jìn)行確定。也就是說當(dāng)我們要控制一個完全不了解的被控對象，并且常規(guī)化手段已經(jīng)無法獲取被控對象的結(jié)構(gòu)參數(shù)時，PID控制技術(shù)成為了應(yīng)用最廣、最為便捷的方法。PID控制器因其簡單的結(jié)構(gòu)、平穩(wěn)的工作性能、高度的可靠性、簡便的調(diào)整程序，使得它發(fā)明至今七十余年仍然散發(fā)出耀眼的光芒。

1 自動控制系統(tǒng)的分類

1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)（open-loop control system）。開環(huán)控制系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)，其輸入和輸出都是單向的，輸出的被控制量沒有對輸入和系統(tǒng)過程造成任何影響。在整個系統(tǒng)沒有任何過程需要依賴被控制量的反饋而進(jìn)行。

1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)（closed-loop control system）。閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)是相對的，閉環(huán)控制系統(tǒng)是一個閉合的系統(tǒng)，其被控對象的輸出會返過影響輸入或系統(tǒng)過程，形成一個或多個閉合回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)由其反饋方式可以分為正反饋與負(fù)反饋。正反饋即反饋信號與原信號極性相同的反饋方式；負(fù)反饋為與原信號極性相反的反饋方式，在這指出的原信號指的是系統(tǒng)原給定的信號。在一般的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，我們大都采用負(fù)反饋形式。在日常生活中，閉環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例無處不在，例如空調(diào)的自動調(diào)溫系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定溫度時，空調(diào)就會自動開啟制冷系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到室溫設(shè)定值時，制冷系統(tǒng)又會自動關(guān)閉。與此相對，電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速是由各檔位控制的，它不能根據(jù)環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)，這便是開環(huán)控制系統(tǒng)。由此可見，閉環(huán)控制系統(tǒng)在實際生活中的應(yīng)用跟為方便。

1.3 階躍響應(yīng)系統(tǒng)（step function system）。階躍響應(yīng)是指系統(tǒng)根據(jù)階躍輸入而產(chǎn)生的反應(yīng)輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指當(dāng)系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過度到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動作用又重新平衡后，系統(tǒng)所出現(xiàn)的偏差值。計算機(jī)自動控制系統(tǒng)的工作性能特點(diǎn)表現(xiàn)為穩(wěn)、準(zhǔn)、快。其中“穩(wěn)”是指控制系統(tǒng)在工作時具有良好的穩(wěn)定性，要保證一個系統(tǒng)能進(jìn)行正常工作，并且達(dá)到一定的技術(shù)要求，則該系統(tǒng)首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上分析這一點(diǎn)應(yīng)該是收斂性，即波動達(dá)到平穩(wěn)；“準(zhǔn)”是指自動控制系統(tǒng)在加工時表現(xiàn)出的精準(zhǔn)控制和準(zhǔn)確性，穩(wěn)定誤差常用來表述這一只表，表示系統(tǒng)最終輸出的穩(wěn)態(tài)值與期望值的差值；“快”是指自動控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性，通過上升時間來表達(dá)出控制系統(tǒng)的靈敏度。

2 PID控制原理

2.1 比例（P）控制。比例控制在所有的控制方式中是最為簡單的一種，因其控制器的輸出與輸入誤差信號成固定比例而命名。當(dāng)系統(tǒng)中僅有比例控制時，系統(tǒng)的輸出會出現(xiàn)一定的穩(wěn)定誤差。

2.2積分（I）控制。在積分控制中，其控制的輸出與輸入誤差信號的積分表現(xiàn)為正比關(guān)系。在計算機(jī)自動控制系統(tǒng)中，當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后仍然呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)誤差，則這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或者將其稱之為有差系統(tǒng)。對此，我們在控制器中增加了“積分項”來消除穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差。“積分項”會隨著時間的增大而增大，即使誤差很小，它也會使控制器的輸出增大已達(dá)到穩(wěn)態(tài)誤差的減小，直到完全消除。因此，P與I即比例與積分控制器可以實現(xiàn)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后不存在穩(wěn)態(tài)誤差。

2.3 微分（D）控制。在微分控制中，其控制的輸出與輸入誤差信號的微分表現(xiàn)為正比關(guān)系。計算機(jī)自動控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)誤差時有一定可能性會引起波動乃至失穩(wěn)現(xiàn)象。因為在控制中存在了較大比例的慣性環(huán)或者滯后環(huán)節(jié)，能夠抑制誤差，導(dǎo)致了系統(tǒng)的變化會落后于誤差，所以需要將抑制誤差這一作用進(jìn)行提前。換言之，比例調(diào)節(jié)在計算機(jī)自動控制系統(tǒng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，比例調(diào)節(jié)只能放大誤差值，并且需要加入微分調(diào)節(jié)，微分調(diào)節(jié)能夠準(zhǔn)確的預(yù)測誤差的走向。因此，控制器才能避免被控對象的嚴(yán)重超調(diào)。故PID控制器能完善的在系統(tǒng)調(diào)控過程中表現(xiàn)出良好的動態(tài)特性。

3 PID參數(shù)的調(diào)整原則

P、I、D的參數(shù)設(shè)定是固定好的，自主控制運(yùn)行過程，為了更好地實現(xiàn)加工效果，應(yīng)該在運(yùn)行前對控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，其具體調(diào)整原則是：若出現(xiàn)被控對象的物理量在目標(biāo)值附近呈現(xiàn)出波動現(xiàn)象時，增大合適的積分時間，待變化穩(wěn)定后繼續(xù)觀察，如果波動仍存在，則可減小一定的比例增益，再進(jìn)行精確的細(xì)調(diào)。若出現(xiàn)被控對象的物理量難以恢復(fù)初始值時，增大比例增益，等待穩(wěn)定進(jìn)行觀察，如果恢復(fù)速度相對緩慢，可適當(dāng)減小積分時間，或者增大微分時間。

4 計算機(jī)自控參數(shù)設(shè)定方法

計算機(jī)自動控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容就是PID控制器的參數(shù)設(shè)定，其設(shè)定方法至關(guān)重要。根據(jù)被控對象的控制過程，我們可以確定PID控制器在控制過程中的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。在眾多的參數(shù)設(shè)定方法中，我們可以分為兩類整定法，一是理論計算整定法。這是一種依據(jù)所選用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過精確的理論精算而形成的一種方法。這種方法所得到的數(shù)據(jù)不能夠直接使用，還需要工程中所涉及的實際情況進(jìn)行微調(diào)。二是工程整定法，這是一種通過總結(jié)工作經(jīng)驗，在試驗中進(jìn)行得出數(shù)據(jù)的方法，這種方法簡單又方便掌握，被廣泛的采納與使用。而在工程整定法中，又可以分出三種主要方法，臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。兩大類方法各有特點(diǎn)，但都是由實驗和經(jīng)驗公式得到實驗數(shù)據(jù)再對PID控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用何種方法，都需要針對工程實際情況進(jìn)行微調(diào)與完善。在工程中采用最多的是臨界比例法，其整定步驟如下：（1）采用最短的工作周期使得系統(tǒng)進(jìn)行采樣工作；（2）加入比例控制，進(jìn)行觀察，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記錄比例放大系數(shù)及臨界振蕩周期；（3）通過工程經(jīng)驗公式計算出PID控制器的理論參數(shù)。

5 計算機(jī)自控參數(shù)設(shè)定步驟

在這里，以PID調(diào)節(jié)器為例來探究自控參數(shù)設(shè)定方法，并且依據(jù)說明經(jīng)驗法進(jìn)行具體說明：（1）首先將調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)S0調(diào)節(jié)至0，實際微分系數(shù)k調(diào)節(jié)至0，開啟閉環(huán)控制系統(tǒng)，一邊觀察控制輸出情況，一邊將比例系數(shù)逐漸調(diào)大使得擾動信號呈階躍變化，直至控制輸出達(dá)到預(yù)期效果；（2）將當(dāng)前值乘上0.83作為比例系數(shù)S1，同時，通過增大積分系數(shù)，讓擾動信號再一次呈現(xiàn)出階躍變化，對控制輸出情況進(jìn)仔細(xì)觀察，直到達(dá)到預(yù)期的輸出效果；（3）保持積分系數(shù)不變，調(diào)整比例系數(shù)，對控制輸出情況進(jìn)仔細(xì)觀察來判斷是否繼續(xù)調(diào)整；（4）觀察控制輸出情況，適當(dāng)增大比例系數(shù)S1和積分系數(shù)S2，在調(diào)整的同時，引入實際微分系數(shù)k和實際微分時間TD，然后像前面步驟一樣進(jìn)行，同時，微分時間也需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，直到達(dá)到滿意的控制輸出效果。

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作者簡介：郭清民（1966-），男，陜西西安人，安全技術(shù)部工程師。

作者單位：中國航空油料有限責(zé)任公司西北公司，西安 710082