自動化過程控制對PID控制方法的應用及其參數整定策略

劉曉霞，孫康波

(沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧 沈陽 110000)

1 引言

在工業過程控制中，大于95%的控制回路有PID結構，PID這種控制方法之所以得以廣泛使用在于其結構簡單，在具體應用過程中已被理解、實現，很多高級控制均將PID控制當作基礎。科學設計PID參數能讓工藝參數控制的更加平穩，預防液位控制系統抽空、壓力控制系統安全閥起跳、溫度控制系統過大降低產品質量[1]。同時，在確保生產安全、產品質量的條件下還可起到節約能耗的效果。

2 PID控制方法的應用

PID控制實質上包括PI控制與PD控制兩部分，PID控制器主要依照系統誤差，借助微分、積分及比例計算所得控制量實施控制，確保自動控制體系在受到干擾情況下也可平穩運行。在連續一段時間內PID控制系統情況如圖1所示。

圖1 PID控制系統

在具體應用過程中，可依照受控對象的特點、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，數值為100/P，T1表示積分時間，TD表示微分時間。比例控制可以快速反映誤差，進一步縮小穩態誤差，但其不能從根本上消除穩態誤差。若比例放大系數增大，可導致系統不穩定。積分控制主要作用在于若系統存在誤差，積分控制器不斷積累，輸出控制量，進一步消除誤差。故只要時間充足，積分控制會徹底消除誤差，促使系統誤差變成0，進一步消除穩態誤差[2]。若積分作用過于強大將加大系統超調，重則導致系統發生振蕩。相比之下，微分控制能夠縮小超調量，有效改變振蕩，提升系統穩定性能，同時提升系統的動態響應速度，減少調整時間，從整體改善系統動態作用。

2 PID參數整定策略

2.1 衰減曲線方法

這種方法主要通過系統產生衰減振蕩進一步整定控制器參數數值的，在閉環控制體系中，需將控制器轉變成純比例功能，將比例度預置為較大數值。當維持穩定以后，用改變給定數值的辦法添加階躍干擾，并認真觀察被控制變量記錄曲線的衰減比例，從大至小逐漸改變比例程度，直到變成4∶1的衰減比例，記錄下此時比例度，即可從曲線上得出衰減周期[3]。參照下表1的經驗公式，可得出控制器參數整定數值。(注釋:部分過程依照4∶1衰減比例振蕩太強，故可依照10∶1衰減曲線方法)。

表1

2.2 臨界比例度方法

這種方法依據試驗取得臨界比例度、臨界周期，再憑借經驗總結出的關系得出控制器各項參數數值。具體操作步驟:在閉環控制體系中，先把控制器轉變成純比例功能，把積分時間變為無限大，微分時間定為0，在干擾條件下，從大至小一步一步改變控制器比例度，直到系統發生臨界振蕩，將此時的比例度稱作臨界比例度，記作δk，臨界振蕩周期記作Tk，參照表2得出控制器參數整定各項數值。

表2

2.3 經驗試湊方法

這種方法是在長時間生產實踐過程中形成的整定方法，依照經驗先把控制器參數放在一個數值中，然后在閉環控制體系中，促使給定數值發生一定改變而產生干擾，在記錄觀察所得過渡過程曲線的基礎上，將δ、T1、TD對于過渡過程的影響當作指導，依據規定流程，分別整定比例度、積分時間與微分時間，直至達到理想的過渡過程[4，5]。具體整定步驟有兩種:①憑借存比例功能實施試湊、若過渡過程保持大體穩定且符合相關要求，通過積分功能消除余差，再添加微分功能提升控制質量，依照此流程仔細觀察過渡過程曲線后開始整定;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，再對實施試湊。(注釋:溫度對象容量滯后很大，當參數受到干擾以后變化速度越來越慢，δ變小，T1增長，通常需加入微分)。

表3

經驗試湊方法十分簡單，適合用在各種控制體系內，其應用領域十分廣泛，但是這種方法主要憑借經驗，若缺乏豐富的經驗或者過渡過程速度緩慢時，比較浪費時間，可用優選方法，但確保每次參數改變的大小、方向均有一定目的性。需要特別注意的一點:在同一個系統中，不同人用經驗試湊法整定，得出的參數數值不同，這是因為每個人對每條曲線的看法存在很大差異，且無一個確切的評定標準，不同的參數進行匹配可能導致過渡過程衰減情形非常相近。

3 參數整定比較

衰減曲線方法對干擾平十分頻繁，且記錄曲線不規范，時常出現小擺動，加之很難得出準確的衰減比例度、衰減周期，故這種方法很難廣泛應用。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生較大變化，被調參數極易超出規定范圍，對正常生產運行帶來一定的影響[6]。臨界比例度方法需要確保系統處于等幅度振蕩狀態，才能得出δk、Tk，針對工藝方面不能形成等幅度振蕩的系統，這種方法不適宜用。經驗試湊方法在外界干擾功能較頻繁，記錄曲線不規范的控制體系中應用十分合適。先用存比例實施試湊，若P=15，則提示過渡過程大體穩定且符合相關要求，若將比例控制在合適范圍內，則可以進一步消除余差，因是溫度控制參數，當加入一定參數后即可取得平穩的控制曲線。因流量對象特征對象的時間參數較小，且參數有一定波動，δ大則T1短，故不必微分。

4 結束語

通過分析PID控制方法的應用，重點介紹了幾種PID參數整定策略，提出了行之有效的參數整定方法。當一個制動控制體系投入運營時，必須先整定控制器參數，才可取得理想的控制質量。而在具體生產過程中，若工藝操作條件或者負荷發生較大改變，則被控對象特點也需作出相應改變，并重新整定控制器參數。總之，PID控制是一種簡單、有效的過程控制辦法，在未來現代工業控制體系中所起的作用必將越來越重要。

[1]胡壽松.自動控制原理[M].北京:科學出版社，2002.

[2]廖常初.PID參數的意義與整定方法[J].自動化應用，2010，6(5):143－145.

[3]徐璟.PID 參數整定分析[J].廣西電業，2010，7(4):196 －199.

[4]杜云超.PID過程控制及其參數整定策略淺析[J].化學工程與裝備，2010，6(9):152 －155.

[5]王孫安，任華.工業系統的測量、驅動與控制[M].西安:西安交通大學出版社，2003.

[6]牟金善.分數階PID控制器參數整定研究[D].華東理工大學，2013.