PID在工業(yè)自動控制中的應(yīng)用

趙政

摘 要：作為工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一個控制形式，PID技術(shù)在工業(yè)自動控制中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著我國工業(yè)自動化水平的逐漸提高，PID技術(shù)也已經(jīng)成為了衡量各個行業(yè)現(xiàn)代化水平高低的主要標(biāo)準(zhǔn)，其控制理論也歷經(jīng)了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。目前市場中已經(jīng)出現(xiàn)了多款PID控制、控制器以及智能控制器儀表等工業(yè)自動化產(chǎn)品并都得到了廣泛的應(yīng)用。筆者首先介紹了PID工作的原理，接著對PID在工業(yè)自動控制中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：PID；工業(yè)自動控制

中圖分類號： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）13-131-2

1 PID工作的原理

PID控制器發(fā)展至今已經(jīng)走過了約70年的歷程，它之所以能夠成為工業(yè)自動控制的主要技術(shù)之一，主要在于其自身所具備的結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能強、調(diào)節(jié)方便、可靠等優(yōu)點。在工業(yè)自動控制過程中，一旦出現(xiàn)無法完全掌控被控制對象的結(jié)構(gòu)以及參數(shù)的情況，此時應(yīng)用便利的PID控制技術(shù)可以對系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行判斷，而判斷的主要依據(jù)則是經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)解。PID控制和PID調(diào)節(jié)是目前國內(nèi)外工業(yè)自動控制中使用最為普遍的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，它們也被稱之為比例、積分和微分控制。

2 選定PID被控參數(shù)

選擇被控參數(shù)在設(shè)計控制方案的過程中是尤為重要的一環(huán)，對于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定、產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量的提升都起著決定性的作用，在自動控制的過程中，不管選用哪一種先進(jìn)過程檢測控制設(shè)備，也不管構(gòu)成哪一種控制系統(tǒng)，只要沒有正確選擇被控參數(shù)，控制方案中所提出的控制成果都無法得到實現(xiàn)。影響控制參數(shù)值變化的因素比較多，但并不需要控制所有影響因素，精確地選定被控參數(shù)在這一系列過程中至關(guān)重要。在選擇被控參數(shù)時，技術(shù)人員需深入分析生產(chǎn)工藝要求與過程，進(jìn)而找出能夠決定產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、安全生產(chǎn)并能夠?qū)⒐に嚿a(chǎn)狀態(tài)較好體現(xiàn)出來的參數(shù)，這些被控參數(shù)一般而言難以通過人工控制來滿足要求。在實際應(yīng)用過程中，PID參數(shù)的選擇并不是唯一的，當(dāng)然也不是任意的，只有對生產(chǎn)工藝過程的特殊性進(jìn)行深入地分析，才能夠選定正確的PID參數(shù)。選定PID被控參數(shù)的普遍原則如下：

①在選擇過程中，需選擇能夠決定產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、安全生產(chǎn)的參數(shù)，同時這些參數(shù)還需具備可直接測量的特點。②如果在選擇過程中出現(xiàn)無法將直接參數(shù)作為被控參數(shù)的情況，技術(shù)人員此時可選擇一個與直接參數(shù)有線性單值函數(shù)對應(yīng)關(guān)系的間接參數(shù)作為PID被控參數(shù)。③PID被控參數(shù)一定要具備足夠高的靈敏度。④在選取過程中一定要對生產(chǎn)工藝過程的合理性和所用儀表的性能進(jìn)行充分的考慮。

3 選擇控制器P、I、D項

在進(jìn)行具體過程控制時，確定并選用恰當(dāng)合理的控制或控制組合能夠滿足現(xiàn)場控制的需要，同時也能夠讓現(xiàn)場過程值在較為理想的時間內(nèi)跟定SP值。下面筆者將對PID各種控制規(guī)律的控制特點進(jìn)行簡單的歸納與總結(jié)。

3.1 比例控制規(guī)律（P）

比例控制規(guī)律（P）的優(yōu)點在于能夠較快地克服其他因素對過程控制的影響，它的作用對于輸出值來說比較快，但無法很好地穩(wěn)定在一個理想的數(shù)值。比例控制規(guī)律（P）也會造成一些不良的結(jié)果，即在有效克服擾動影響的同時會出現(xiàn)余差，正因為如此，其不適合應(yīng)用于控制通道滯后較大、負(fù)荷變化較大、控制要求較高以及不允許被控參數(shù)有余差的場合。

3.2 比例積分控制規(guī)律（PI）

比例積分控制規(guī)律（PI）是目前工業(yè)自動控制中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律，它能夠在比例的基礎(chǔ)上將余差消除，但其與比例控制規(guī)律（P）一樣，比較適用于控制通道之后較小、負(fù)荷變化不大的場合。

3.3 比例微分控制規(guī)律（PD）

比例微分控制規(guī)律（PD）比較適用于容量滯后或時間常數(shù)較大的控制通道，在微分項設(shè)置得到的情況下將微分引入并參與控制能夠有效促進(jìn)系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的提高。比例微分控制規(guī)律（PD）還可以促進(jìn)整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高與動態(tài)偏差的減小。

3.4 比例積分微分控制規(guī)律（PID）

相較于以上三種控制規(guī)律，比例積分微分控制規(guī)律（PID）是一種較為理想的控制規(guī)律，它既能夠在比例的基礎(chǔ)上引入積分，進(jìn)而實現(xiàn)消除余差的目的，同時還能夠加入能夠促進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性提高的微分作用。例積分微分控制規(guī)律（PID）比較適用于控制通道時間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場合，如工業(yè)生產(chǎn)中的溫度控制等。

4 PID調(diào)節(jié)參數(shù)對自動控制過程造成的影響

在使用比例調(diào)節(jié)進(jìn)行控制時，曲線的變化會隨著不斷上升的調(diào)節(jié)比例值而逐漸遲緩，即調(diào)節(jié)作用在這一過程中呈現(xiàn)持續(xù)降低的狀態(tài)，曲線震蕩周期越長，其衰減也就越嚴(yán)重。如若此比例調(diào)節(jié)只是單純使用了比例的作用，那么該控制系統(tǒng)穩(wěn)定之后也會產(chǎn)生較大的余差。過小的比例值也會造成振蕩周期的縮短，曲線波動愈加明顯，其衰減比則會朝更小的方向變動。

在使用積分調(diào)節(jié)進(jìn)行控制時，我們需對積分時間的重要性加以了解，且積分時間越長，積分作用會隨之變?nèi)?。反之，積分時間縮短之后，積分作用也會逐漸變強，曲線震蕩也會愈發(fā)明顯，整個控制系統(tǒng)的震蕩周期逐漸降低。但這并不意味著積分時間越短越好，一旦積分時間出現(xiàn)過短的情況，愈加強烈的曲線正當(dāng)會導(dǎo)致系統(tǒng)操作不再具備較強的穩(wěn)定性。過長的積分時間則會導(dǎo)致調(diào)節(jié)器只能發(fā)揮比例調(diào)節(jié)的功能。

在使用微分調(diào)節(jié)進(jìn)行控制時，微分時間較為重要。與積分調(diào)節(jié)不一樣的是，微分時間越長，其調(diào)節(jié)作用越發(fā)明顯，震蕩越發(fā)模糊，振蕩周期縮短。過長的微分時間則會導(dǎo)致曲線振幅過渡增大，調(diào)節(jié)器的作用則會在這一階段出現(xiàn)模糊的狀況。

在工業(yè)自動控制具體實踐過程中，控制系統(tǒng)不需要也不會應(yīng)用到所有調(diào)節(jié)方式，大部分情況下只需要使用其中一到兩種就能夠達(dá)到控制要求。通過參數(shù)影響我們可以看出，如果不在調(diào)節(jié)過程中使用積分調(diào)節(jié)，就可以積分時間設(shè)定為無限大；如果不使用微分調(diào)節(jié)，則可將微分時間改成零；如果不使用比例調(diào)節(jié)，PID回路增益就可隨之改設(shè)為零。

5 選定PID的最佳整定參數(shù)

正確地選定PID的最佳整定參數(shù)決定著PID控制器能否發(fā)揮有效功用，而Kc、TI、TD是PID最佳整定參數(shù)所常用的三個控制參數(shù)，如何在實際生產(chǎn)中找到這些合適參數(shù)一直是國內(nèi)外工業(yè)應(yīng)用PID的關(guān)鍵問題。經(jīng)歷過長期工作工程實踐的技術(shù)人員通過定性分析各種控制規(guī)律對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響而得出來的現(xiàn)場經(jīng)驗整定法在使用過程中十分有效，且已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。在進(jìn)行現(xiàn)場整定時，需保持PID參數(shù)按先比例、后積分、最后微分的順序進(jìn)行，在對現(xiàn)場過程值PV的趨勢曲線進(jìn)行觀察的同時需對PID參數(shù)加以慢慢的改變，直到控制質(zhì)量與生產(chǎn)要求相符為止。一般而言，需在具體整定中將積分項和微分項先行關(guān)閉，再將TI控制參數(shù)的數(shù)值設(shè)置為無窮大，同時將TD控制參數(shù)的數(shù)值設(shè)置為零，在這一過程中所使用的純粹是比例調(diào)節(jié)。在整定初期可按照經(jīng)驗數(shù)據(jù)設(shè)定，之后再依據(jù)PV曲線的變化慢慢對比例及比例度進(jìn)行整定與控制。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到4：1衰減震蕩的PV曲線時可先將比例度加大為原來的1.2倍左右之后再加積分作用，主要操作手段就是將TI由大到小進(jìn)行調(diào)整。在必要的場合可能需要將微分作用引入，技術(shù)人員可將比例度調(diào)整至原來數(shù)值或更小，此時再將微分時間由小到大進(jìn)行調(diào)整即可將PV的趨勢曲線變化至滿意狀態(tài)。

6 結(jié)束語

綜上，PID作為工業(yè)自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分與關(guān)鍵部分，其工作原理與具體應(yīng)用值得深入分析與研究。筆者闡釋了PID的工作原理，并從選定PID被控參數(shù)、選擇控制器P、I、D項、PID的最佳整定參數(shù)等方面出發(fā)分析了PID在工業(yè)自動控制中的應(yīng)用，希望能夠為域內(nèi)相關(guān)技術(shù)人員提供一些參考與啟示。

參 考 文 獻(xiàn)

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