PID在工業自動控制中的應用

趙政

摘 要：作為工業生產中最常用的一個控制形式，PID技術在工業自動控制中發揮著至關重要的作用。隨著我國工業自動化水平的逐漸提高，PID技術也已經成為了衡量各個行業現代化水平高低的主要標準，其控制理論也歷經了古典控制理論、現代控制理論和智能控制理論。目前市場中已經出現了多款PID控制、控制器以及智能控制器儀表等工業自動化產品并都得到了廣泛的應用。筆者首先介紹了PID工作的原理，接著對PID在工業自動控制中的應用進行了分析。

關鍵詞：PID；工業自動控制

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

1 PID工作的原理

PID控制器發展至今已經走過了約70年的歷程，它之所以能夠成為工業自動控制的主要技術之一，主要在于其自身所具備的結構簡單、穩定性能強、調節方便、可靠等優點。在工業自動控制過程中，一旦出現無法完全掌控被控制對象的結構以及參數的情況，此時應用便利的PID控制技術可以對系統控制器的結構及參數進行判斷，而判斷的主要依據則是經驗和現場調解。PID控制和PID調節是目前國內外工業自動控制中使用最為普遍的調節器控制規律，它們也被稱之為比例、積分和微分控制。

2 選定PID被控參數

選擇被控參數在設計控制方案的過程中是尤為重要的一環，對于工業企業生產的穩定、產品產量與質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過程檢測控制設備，也不管構成哪一種控制系統，只要沒有正確選擇被控參數，控制方案中所提出的控制成果都無法得到實現。影響控制參數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在這一系列過程中至關重要。在選擇被控參數時，技術人員需深入分析生產工藝要求與過程，進而找出能夠決定產品質量、產量、安全生產并能夠將工藝生產狀態較好體現出來的參數，這些被控參數一般而言難以通過人工控制來滿足要求。在實際應用過程中，PID參數的選擇并不是唯一的，當然也不是任意的，只有對生產工藝過程的特殊性進行深入地分析，才能夠選定正確的PID參數。選定PID被控參數的普遍原則如下：

①在選擇過程中，需選擇能夠決定產品產量、質量、安全生產的參數，同時這些參數還需具備可直接測量的特點。②如果在選擇過程中出現無法將直接參數作為被控參數的情況，技術人員此時可選擇一個與直接參數有線性單值函數對應關系的間接參數作為PID被控參數。③PID被控參數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工藝過程的合理性和所用儀表的性能進行充分的考慮。

3 選擇控制器P、I、D項

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

3.1 比例控制規律（P）

比例控制規律（P）的優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，但無法很好地穩定在一個理想的數值。比例控制規律（P）也會造成一些不良的結果，即在有效克服擾動影響的同時會出現余差，正因為如此，其不適合應用于控制通道滯后較大、負荷變化較大、控制要求較高以及不允許被控參數有余差的場合。

3.2 比例積分控制規律（PI）

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

3.3 比例微分控制規律（PD）

比例微分控制規律（PD）比較適用于容量滯后或時間常數較大的控制通道，在微分項設置得到的情況下將微分引入并參與控制能夠有效促進系統動態性能指標的提高。比例微分控制規律（PD）還可以促進整個控制系統穩定性的提高與動態偏差的減小。

3.4 比例積分微分控制規律（PID）

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

4 PID調節參數對自動控制過程造成的影響

在使用比例調節進行控制時，曲線的變化會隨著不斷上升的調節比例值而逐漸遲緩，即調節作用在這一過程中呈現持續降低的狀態，曲線震蕩周期越長，其衰減也就越嚴重。如若此比例調節只是單純使用了比例的作用，那么該控制系統穩定之后也會產生較大的余差。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。

在使用積分調節進行控制時，我們需對積分時間的重要性加以了解，且積分時間越長，積分作用會隨之變弱。反之，積分時間縮短之后，積分作用也會逐漸變強，曲線震蕩也會愈發明顯，整個控制系統的震蕩周期逐漸降低。但這并不意味著積分時間越短越好，一旦積分時間出現過短的情況，愈加強烈的曲線正當會導致系統操作不再具備較強的穩定性。過長的積分時間則會導致調節器只能發揮比例調節的功能。

在使用微分調節進行控制時，微分時間較為重要。與積分調節不一樣的是，微分時間越長，其調節作用越發明顯，震蕩越發模糊，振蕩周期縮短。過長的微分時間則會導致曲線振幅過渡增大，調節器的作用則會在這一階段出現模糊的狀況。

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

5 選定PID的最佳整定參數

正確地選定PID的最佳整定參數決定著PID控制器能否發揮有效功用，而Kc、TI、TD是PID最佳整定參數所常用的三個控制參數，如何在實際生產中找到這些合適參數一直是國內外工業應用PID的關鍵問題。經歷過長期工作工程實踐的技術人員通過定性分析各種控制規律對系統控制質量的影響而得出來的現場經驗整定法在使用過程中十分有效，且已經得到了較為廣泛的應用。在進行現場整定時，需保持PID參數按先比例、后積分、最后微分的順序進行，在對現場過程值PV的趨勢曲線進行觀察的同時需對PID參數加以慢慢的改變，直到控制質量與生產要求相符為止。一般而言，需在具體整定中將積分項和微分項先行關閉，再將TI控制參數的數值設置為無窮大，同時將TD控制參數的數值設置為零，在這一過程中所使用的純粹是比例調節。在整定初期可按照經驗數據設定，之后再依據PV曲線的變化慢慢對比例及比例度進行整定與控制。當系統達到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由大到小進行調整。在必要的場合可能需要將微分作用引入，技術人員可將比例度調整至原來數值或更小，此時再將微分時間由小到大進行調整即可將PV的趨勢曲線變化至滿意狀態。

6 結束語

綜上，PID作為工業自動控制系統的基礎部分與關鍵部分，其工作原理與具體應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、選擇控制器P、I、D項、PID的最佳整定參數等方面出發分析了PID在工業自動控制中的應用，希望能夠為域內相關技術人員提供一些參考與啟示。

參 考 文 獻

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