化工生產(chǎn)中PID參數(shù)整定方法淺析

張健

摘 要：文章對(duì)化工生產(chǎn)領(lǐng)域中的PID控制原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)PID參數(shù)對(duì)控制性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)解析，并就實(shí)際生產(chǎn)過程中參數(shù)整定方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹與分析。

關(guān)鍵詞：控制；PID參數(shù)；整定方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.031

PID控制是化工生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛、控制效果最好的控制方案，深入理解并掌握控制系統(tǒng)的組成及PID控制參數(shù)對(duì)控制性能的影響對(duì)從事化工生產(chǎn)行業(yè)有重要意義，對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行科學(xué)合理的整定則是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及投用的重要工作環(huán)節(jié)，將控制參數(shù)整定在恰當(dāng)?shù)臄?shù)值上，對(duì)生產(chǎn)過程的安全、產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗及現(xiàn)場(chǎng)儀表性能開發(fā)有重大積極意義。

1 控制系統(tǒng)組成及PID控制

1.1 控制系統(tǒng)組成

最簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)的組成是指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)元件及傳感器（或變送器）、一個(gè)調(diào)節(jié)器和一個(gè)執(zhí)行器所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，也稱單回路控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)在所有反饋控制系統(tǒng)中是最簡(jiǎn)單、最基本的一種，因此也是在化工生產(chǎn)中使用最廣泛的控制系統(tǒng)。

1.2 PID控制

PID控制是控制系統(tǒng)中最基本的控制單元，表示比例-積分-微分控制，即將控制器反饋后得到的誤差信號(hào)分別進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算后再疊加得到控制器的輸出信號(hào)。在標(biāo)準(zhǔn)的PID計(jì)算公式中，Kp為控制器增益，與控制器比例度P成倒數(shù)關(guān)系；Ti為積分時(shí)間，對(duì)輸入偏差進(jìn)行積分計(jì)算；Td為微分時(shí)間，對(duì)輸入偏差進(jìn)行微分計(jì)算。

2 PID參數(shù)對(duì)控制性能的影響

2.1 比例增益Kp

比例控制的控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。比例增益Kp值越大，比例作用越大，可以加快調(diào)節(jié)速度，減少誤差，但過大的比例增益Kp，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。

2.2 積分時(shí)間Ti

積分控制的控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成比例關(guān)系。引入積分作用的目的是消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分時(shí)間Ti數(shù)值越小積分作用越強(qiáng)。Ti數(shù)值越大積分作用越弱?？刂破髦屑尤敕e分調(diào)節(jié)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。

2.3 微分時(shí)間Td

微分控制的控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（誤差變化率）成正比關(guān)系。微分時(shí)間Td數(shù)值越大，微分作用越強(qiáng)，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間，但同時(shí)對(duì)噪聲干擾有放大作用，過大的Td數(shù)值對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。微分作用不能單獨(dú)使用，必須PD或PID控制。

3 PID參數(shù)整定方法

PID參數(shù)整定的方法有很多，本文主要介紹經(jīng)驗(yàn)湊試法、臨界比例度法、衰減振蕩法三種實(shí)際應(yīng)用廣泛的方法。

3.1 經(jīng)驗(yàn)湊試法

經(jīng)驗(yàn)湊試法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及對(duì)工藝的熟悉，先預(yù)設(shè)控制參數(shù)在一定數(shù)值上，參考測(cè)量值跟蹤與設(shè)定值曲線，調(diào)整P、I、D參數(shù)的大小。PID控制器參數(shù)的整定（以橫河CS3000系統(tǒng)為例），對(duì)于溫度控制對(duì)象，P=20～60%，Ti=180～600s，Td=3～180s；對(duì)于壓力控制對(duì)象，P=30～70%，Ti=24～180s；對(duì)于液位控制對(duì)象，P=20～80%，Ti=60～300s；對(duì)于流量控制對(duì)象，P=40～100%，Ti=6～60s。

在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制過程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)調(diào)整實(shí)行先比例、后積分，再微分的整定步驟。首先整定比例部分。將比例增益由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。

如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)先將積分時(shí)間設(shè)定到一個(gè)比較大的值，然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略為縮小，然后減小積分時(shí)間，使得系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，以期得到滿意的控制過程和整定參數(shù)。

3.2 臨界比例度法

臨界比例閥是在整定時(shí)首先將控制器的積分和微分作用除去，即積分時(shí)間放最大，微分時(shí)間放到零，只使用控制器的比例作用。按照比例增益Kp數(shù)值由小到大的變化規(guī)律，對(duì)應(yīng)于某一Kp值做小幅度的設(shè)定值階躍干擾，并觀察由此引起的測(cè)量值振蕩情況。如果測(cè)量值振蕩為衰減趨勢(shì)，則應(yīng)將比例增益增大，如果測(cè)量值振蕩為發(fā)散趨勢(shì)，則應(yīng)將比例增益減小，將此過程連續(xù)重復(fù)，直到所得測(cè)量值為臨界情況下的等幅振蕩。此時(shí)可獲得臨界振蕩周期Tk（峰-峰）和控制器臨界比例增益Kpb。對(duì)于純比例控制器Kp=0.5Kpb；對(duì)于比例積分控制器Kp=0.45Kpb，Ti=0.83Tk；對(duì)于比例積分微分控制器Kp=0.5Kpb，Ti=0.5Tk，Td=0.12Tk。

3.3 衰減振蕩法

在一些不允許或無法得到等幅振蕩的情況下，參數(shù)整定可以采用衰減振蕩法。衰減振蕩法通過系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩從而達(dá)到整定控制參數(shù)的目的，兩者的唯一區(qū)別在于衰減振蕩法以在純比例控制下獲取4：1振蕩曲線為參數(shù)整定的依據(jù)。整定過程中，記錄下出現(xiàn)4：1衰減比時(shí)的比例增益Kpb，并從振蕩曲線上得出衰減周期Tk（在4：1曲線中的峰-峰時(shí)間）。對(duì)于純比例控制器Kp=Kpb；對(duì)于比例積分控制器Kp=0.83Kpb，Ti=0.5Tk；對(duì)于比例積分微分控制器Kp=1.25Kpb，Ti=0.3Tk，Td=0.1Tk。

3.4 PID參數(shù)整定四原則

在PID參數(shù)整定過程中，有以下四項(xiàng)原則需遵守。首先，不同廠家的DCS系統(tǒng)PID默認(rèn)控制計(jì)算方法不同，在使用參數(shù)整定方法之前，需了解系統(tǒng)自帶PID控制計(jì)算方法，然后才能正確使用整定方法，得到良好整定效果。第二，沒有任何一種PID參數(shù)算法適合于所有回路，使用前也需要對(duì)控制回路的特點(diǎn)進(jìn)行了解。第三，隨著現(xiàn)場(chǎng)定位器和調(diào)節(jié)閥的狀態(tài)的改變，PID參數(shù)也需要及時(shí)調(diào)整，因此PID參數(shù)整定工作日常性、持續(xù)性的工作。最后，做參數(shù)整定時(shí)，要在保證安全的情況下選取工藝穩(wěn)定的情況下做測(cè)試。

4 結(jié)束語

對(duì)PID控制的理解與對(duì)參數(shù)整定方法的掌握，有助于工藝及儀表人員在生產(chǎn)條件變化的情況下及時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定具有重要意義。

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