自動(dòng)化過(guò)程控制對(duì)PID控制方法的應(yīng)用及其參數(shù)整定策略

劉曉霞，孫康波

(沈陽(yáng)理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

1 引言

在工業(yè)過(guò)程控制中，大于95%的控制回路有PID結(jié)構(gòu)，PID這種控制方法之所以得以廣泛使用在于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在具體應(yīng)用過(guò)程中已被理解、實(shí)現(xiàn)，很多高級(jí)控制均將PID控制當(dāng)作基礎(chǔ)?？茖W(xué)設(shè)計(jì)PID參數(shù)能讓工藝參數(shù)控制的更加平穩(wěn)，預(yù)防液位控制系統(tǒng)抽空、壓力控制系統(tǒng)安全閥起跳、溫度控制系統(tǒng)過(guò)大降低產(chǎn)品質(zhì)量[1]。同時(shí)，在確保生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量的條件下還可起到節(jié)約能耗的效果。

2 PID控制方法的應(yīng)用

PID控制實(shí)質(zhì)上包括PI控制與PD控制兩部分，PID控制器主要依照系統(tǒng)誤差，借助微分、積分及比例計(jì)算所得控制量實(shí)施控制，確保自動(dòng)控制體系在受到干擾情況下也可平穩(wěn)運(yùn)行。在連續(xù)一段時(shí)間內(nèi)PID控制系統(tǒng)情況如圖1所示。

圖1 PID控制系統(tǒng)

在具體應(yīng)用過(guò)程中，可依照受控對(duì)象的特點(diǎn)、控制功用要求而選用合適的控制組合，形成①比例(P)控制器:u(t)=Kpe(t);②比例+積分(PI)控制器:u(t)③ 比例 +積分 +微分(PID)控制器:

在上述公式中，KP表示比例放大系數(shù)，數(shù)值為100/P，T1表示積分時(shí)間，TD表示微分時(shí)間。比例控制可以快速反映誤差，進(jìn)一步縮小穩(wěn)態(tài)誤差，但其不能從根本上消除穩(wěn)態(tài)誤差。若比例放大系數(shù)增大，可導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分控制主要作用在于若系統(tǒng)存在誤差，積分控制器不斷積累，輸出控制量，進(jìn)一步消除誤差。故只要時(shí)間充足，積分控制會(huì)徹底消除誤差，促使系統(tǒng)誤差變成0，進(jìn)一步消除穩(wěn)態(tài)誤差[2]。若積分作用過(guò)于強(qiáng)大將加大系統(tǒng)超調(diào)，重則導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生振蕩。相比之下，微分控制能夠縮小超調(diào)量，有效改變振蕩，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性能，同時(shí)提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間，從整體改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)作用。

2 PID參數(shù)整定策略

2.1 衰減曲線(xiàn)方法

這種方法主要通過(guò)系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩進(jìn)一步整定控制器參數(shù)數(shù)值的，在閉環(huán)控制體系中，需將控制器轉(zhuǎn)變成純比例功能，將比例度預(yù)置為較大數(shù)值。當(dāng)維持穩(wěn)定以后，用改變給定數(shù)值的辦法添加階躍干擾，并認(rèn)真觀(guān)察被控制變量記錄曲線(xiàn)的衰減比例，從大至小逐漸改變比例程度，直到變成4∶1的衰減比例，記錄下此時(shí)比例度，即可從曲線(xiàn)上得出衰減周期[3]。參照下表1的經(jīng)驗(yàn)公式，可得出控制器參數(shù)整定數(shù)值。(注釋:部分過(guò)程依照4∶1衰減比例振蕩太強(qiáng)，故可依照10∶1衰減曲線(xiàn)方法)。

表1

2.2 臨界比例度方法

這種方法依據(jù)試驗(yàn)取得臨界比例度、臨界周期，再憑借經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的關(guān)系得出控制器各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值。具體操作步驟:在閉環(huán)控制體系中，先把控制器轉(zhuǎn)變成純比例功能，把積分時(shí)間變?yōu)闊o(wú)限大，微分時(shí)間定為0，在干擾條件下，從大至小一步一步改變控制器比例度，直到系統(tǒng)發(fā)生臨界振蕩，將此時(shí)的比例度稱(chēng)作臨界比例度，記作δk，臨界振蕩周期記作Tk，參照表2得出控制器參數(shù)整定各項(xiàng)數(shù)值。

表2

2.3 經(jīng)驗(yàn)試湊方法

這種方法是在長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中形成的整定方法，依照經(jīng)驗(yàn)先把控制器參數(shù)放在一個(gè)數(shù)值中，然后在閉環(huán)控制體系中，促使給定數(shù)值發(fā)生一定改變而產(chǎn)生干擾，在記錄觀(guān)察所得過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)的基礎(chǔ)上，將δ、T1、TD對(duì)于過(guò)渡過(guò)程的影響當(dāng)作指導(dǎo)，依據(jù)規(guī)定流程，分別整定比例度、積分時(shí)間與微分時(shí)間，直至達(dá)到理想的過(guò)渡過(guò)程[4，5]。具體整定步驟有兩種:①憑借存比例功能實(shí)施試湊、若過(guò)渡過(guò)程保持大體穩(wěn)定且符合相關(guān)要求，通過(guò)積分功能消除余差，再添加微分功能提升控制質(zhì)量，依照此流程仔細(xì)觀(guān)察過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)后開(kāi)始整定;②依照下表中給定范圍確定T1，若引入微分功能，則TD定義在(1/3～1/4)T1范圍內(nèi)，再對(duì)實(shí)施試湊。(注釋:溫度對(duì)象容量滯后很大，當(dāng)參數(shù)受到干擾以后變化速度越來(lái)越慢，δ變小，T1增長(zhǎng)，通常需加入微分)。

表3

經(jīng)驗(yàn)試湊方法十分簡(jiǎn)單，適合用在各種控制體系內(nèi)，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，但是這種方法主要憑借經(jīng)驗(yàn)，若缺乏豐富的經(jīng)驗(yàn)或者過(guò)渡過(guò)程速度緩慢時(shí)，比較浪費(fèi)時(shí)間，可用優(yōu)選方法，但確保每次參數(shù)改變的大小、方向均有一定目的性。需要特別注意的一點(diǎn):在同一個(gè)系統(tǒng)中，不同人用經(jīng)驗(yàn)試湊法整定，得出的參數(shù)數(shù)值不同，這是因?yàn)槊總€(gè)人對(duì)每條曲線(xiàn)的看法存在很大差異，且無(wú)一個(gè)確切的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，不同的參數(shù)進(jìn)行匹配可能導(dǎo)致過(guò)渡過(guò)程衰減情形非常相近。

3 參數(shù)整定比較

衰減曲線(xiàn)方法對(duì)干擾平十分頻繁，且記錄曲線(xiàn)不規(guī)范，時(shí)常出現(xiàn)小擺動(dòng)，加之很難得出準(zhǔn)確的衰減比例度、衰減周期，故這種方法很難廣泛應(yīng)用。臨界比例度方法不適宜用在臨界比例度較小的體系中，由于臨界比例度較小，控制器輸出情況可能發(fā)生較大變化，被調(diào)參數(shù)極易超出規(guī)定范圍，對(duì)正常生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)一定的影響[6]。臨界比例度方法需要確保系統(tǒng)處于等幅度振蕩狀態(tài)，才能得出δk、Tk，針對(duì)工藝方面不能形成等幅度振蕩的系統(tǒng)，這種方法不適宜用。經(jīng)驗(yàn)試湊方法在外界干擾功能較頻繁，記錄曲線(xiàn)不規(guī)范的控制體系中應(yīng)用十分合適。先用存比例實(shí)施試湊，若P=15，則提示過(guò)渡過(guò)程大體穩(wěn)定且符合相關(guān)要求，若將比例控制在合適范圍內(nèi)，則可以進(jìn)一步消除余差，因是溫度控制參數(shù)，當(dāng)加入一定參數(shù)后即可取得平穩(wěn)的控制曲線(xiàn)。因流量對(duì)象特征對(duì)象的時(shí)間參數(shù)較小，且參數(shù)有一定波動(dòng)，δ大則T1短，故不必微分。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析PID控制方法的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了幾種PID參數(shù)整定策略，提出了行之有效的參數(shù)整定方法。當(dāng)一個(gè)制動(dòng)控制體系投入運(yùn)營(yíng)時(shí)，必須先整定控制器參數(shù)，才可取得理想的控制質(zhì)量。而在具體生產(chǎn)過(guò)程中，若工藝操作條件或者負(fù)荷發(fā)生較大改變，則被控對(duì)象特點(diǎn)也需作出相應(yīng)改變，并重新整定控制器參數(shù)。總之，PID控制是一種簡(jiǎn)單、有效的過(guò)程控制辦法，在未來(lái)現(xiàn)代工業(yè)控制體系中所起的作用必將越來(lái)越重要。

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