劉興興 鄧海棠 李婷婷

　　陜西黃河集團(tuán)有限公司陜西省西安市 710043

　　摘要：PID控制是經(jīng)典控制理論部分的典型代表，具有廣泛的應(yīng)用性。另外，PID控制有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)PID參數(shù)整定自動(dòng)化控制進(jìn)行了論述。

　　關(guān)鍵詞：PID控制;原理和特點(diǎn);PID參數(shù)整定

　　在工業(yè)過程控制中，大多數(shù)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)。科學(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)過大降低產(chǎn)品質(zhì)量。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。

　　一、PID控制發(fā)展歷程

　　PID控制是指對(duì)偏差的比例(Proponional)、積分(mtegral)和微分(Derivative)的綜合控制。PID控制技術(shù)的發(fā)展可分為兩個(gè)階段。20世紀(jì)30年代晚期微分控制的加入標(biāo)志著PID控制成為一種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，也是PID控制兩個(gè)發(fā)展階段的分水嶺。第一個(gè)階段為發(fā)明階段(1900～1940)。PID控制的思想逐漸明確，氣動(dòng)反饋放大器被發(fā)明，儀表工業(yè)的重心放在實(shí)際PID控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。l940年以后是第二階段--革新階段。在革新階段，PID控制器已發(fā)展成一種魯棒、可靠且易于應(yīng)用的控制器。儀表工業(yè)的重心是使PID控制技術(shù)能跟上工業(yè)技術(shù)的最新發(fā)展。從氣動(dòng)控制-電氣控制-電子控制-數(shù)字控制，PID控制器的體積逐漸縮小，性能不斷提高。一些處于世界領(lǐng)先地位的自動(dòng)化儀表公司對(duì)PID控制器的早期發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)，甚至可以說PID控制器完全是在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中被發(fā)明并逐步完善起來的。值得指出的是，1939年Taylor儀器公司推出的一款帶有“Pre-act”功能的名為“Fulscope”的氣動(dòng)控制器及同時(shí)期Foxboro儀器公司推出的帶有“Hyper-re-set”功能的“Stabilog”氣動(dòng)控制器都是最早出現(xiàn)的具有完整結(jié)構(gòu)的PID控制器�！癙re-act”與“Haper-re-set”功能實(shí)際都是在控制器中加入了微分控制。

　　PID控制至今仍是應(yīng)用最廣泛的一種實(shí)用控制器。各種現(xiàn)代控制技術(shù)的出現(xiàn)并未削弱PID控制器的應(yīng)用，相反，新技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)PID控制技術(shù)的發(fā)展起了很大的推動(dòng)作用。一方面，各種新的控制思想不斷被應(yīng)用于PID控制器的設(shè)計(jì)中，或使用新的控制思想設(shè)計(jì)出具有PID結(jié)構(gòu)的新控制器，PID控制技術(shù)被注入了新的活力。另一方面，某些新控制技術(shù)的發(fā)展要求更精確的PID控制，從而刺激了PID控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定技術(shù)的發(fā)展。

　　二、PID調(diào)節(jié)的原理和特點(diǎn)

　　在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例(P)、積分(I)、微分(D)控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。比例作用依據(jù)偏差的大小來動(dòng)作，在調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)中起著穩(wěn)定被調(diào)參數(shù)的作用;積分作用依據(jù)偏差是否存在來動(dòng)作，在系統(tǒng)中起著消除余差的作用;微分作用依據(jù)偏差變化速度來動(dòng)作，在系統(tǒng)中起著超前調(diào)節(jié)的作用。控制回路中調(diào)節(jié)質(zhì)量的好壞取決于控制規(guī)律的合理選取和參數(shù)的整定。日�？刂葡到y(tǒng)中總是希望把被控參數(shù)穩(wěn)定在工藝要求范圍內(nèi)，但在實(shí)際中被控參數(shù)總與設(shè)定值有一定的差別。

　　1、比例(P)控制。比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。比例調(diào)節(jié)作用的參數(shù)是放大系數(shù)，它決定比例作用的強(qiáng)弱。選擇比例帶P越小，比例作用越強(qiáng)，P越大，比例作用越弱。若P選擇過小，會(huì)造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)不穩(wěn)震蕩，P過大，比例作用小，靜差大。因此要根據(jù)靜差特點(diǎn)選取合適的P值。一般的說，若對(duì)象時(shí)間常數(shù)較大以及放大系數(shù)較小時(shí)，P值可選擇小一些，以提高整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度，時(shí)反應(yīng)加快一些，這樣可以得到較理想的控制過程。

　　2、積分(I)控制。一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，若在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分控制作用可消除靜差。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大，控制作用會(huì)緩慢。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強(qiáng)。反之，Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，在時(shí)間上總是落后于偏差信號(hào)的變化，不能及時(shí)控制。

　　3、微分(D)控制。在微分控制中，控制器輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還未形成前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。其解決辦法是使抑制誤差的作用變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)為零。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可減少超調(diào)和調(diào)節(jié)時(shí)間。

　　三、PID參數(shù)的整定方法

　　PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來包括：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例帶法、衰減曲線法和經(jīng)驗(yàn)試湊法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。

　　1、臨界比例帶法。①首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作。②僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期。③在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。

　　2、衰減曲線法。臨界比例帶法是要使系統(tǒng)產(chǎn)生等幅震蕩，還要多次試湊，而用衰減曲線法較為簡(jiǎn)單，并能直接求得比例帶。衰減曲線法分為4：1和10：1兩種。有的生產(chǎn)過程，由于采用4：1的衰減仍嫌震蕩太強(qiáng)，則可用10：1衰減曲線法。使系統(tǒng)處于純比例作用下，在達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，用改變給定值的方法加入階躍干擾，觀察被控變量記錄取線的衰減比，然后從大到小改變比例帶，使其出現(xiàn)10：1的衰減比。

　　3、經(jīng)驗(yàn)試湊法。經(jīng)驗(yàn)試湊法是根據(jù)參數(shù)整定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)生產(chǎn)上最常見的溫度、流量、壓力和液位等控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。將調(diào)節(jié)器參數(shù)預(yù)先放置在范圍的某些數(shù)值上，然后改變?cè)O(shè)定值，觀察控制系統(tǒng)的過渡過程曲線。若過程曲線不夠理想，則按一定的程序改變調(diào)節(jié)器參數(shù)，這樣反復(fù)試湊，直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止。

　　綜上所述，PID控制器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，并且具有較強(qiáng)的魯棒性，因而被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程控制中。盡管已出現(xiàn)多種先進(jìn)控制方法，PID控制仍在各種工業(yè)控制技術(shù)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

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