PID在工業(yè)自動(dòng)控制中的應(yīng)用.doc

1、PID 在工業(yè)自動(dòng)控制中的應(yīng)用摘 要：作為工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一個(gè)控制形式， PID 技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)控制中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平的逐漸提高， PID 技術(shù)也已經(jīng)成為了衡量各個(gè)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(chǎng)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(dòng)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(duì) PID 在工業(yè)自動(dòng)控制中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞： PID；工業(yè)自動(dòng)控制中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-1069（ 2016） 13-131-

2、21 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(dòng)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(jiǎn)單、穩(wěn)定性能強(qiáng)、調(diào)節(jié)方便、可靠等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)自動(dòng)控制過程中，一旦出現(xiàn)無法完全掌控被控制對(duì)象的結(jié)構(gòu)以及參數(shù)的情況，此時(shí)應(yīng)用便利的PID 控制技術(shù)可以對(duì)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(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)解。PID 控制和 PID 調(diào)節(jié)是目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)自動(dòng)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(jì)控制方案的過程中是尤為重要的一環(huán)，對(duì)于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定、產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量

3、的提升都起著決定性的作用，在自動(dòng)控制的過程中，不管選用哪一種先進(jìn)過程檢測(cè)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(shí)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(shí)，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(shí)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(duì)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

4、 參數(shù)。選定 PID 被控參數(shù)的普遍原則如下：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(shí)這些參數(shù)還需具備可直接測(cè)量的特點(diǎn)。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(shí)可選擇一個(gè)與直接參數(shù)有線性單值函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接參數(shù)作為PID 被控參數(shù)。 PID 被控參數(shù)一定要具備足夠高的靈敏度。在選取過程中一定要對(duì)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(xiàng)在進(jìn)行具體過程控制時(shí)，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(chǎng)控制的需要，同時(shí)也能夠讓現(xiàn)場(chǎng)過程值在較為理想的時(shí)間內(nèi)跟定SP值。下面筆者將對(duì)PID 各種控制規(guī)律的控

5、制特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)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(diǎn)在于能夠較快地克服其他因素對(duì)過程控制的影響，它的作用對(duì)于輸出值來說比較快，但無法很好地穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值。比例控制規(guī)律（P）也會(huì)造成一些不良的結(jié)果，即在有效克服擾動(dòng)影響的同時(shí)會(huì)出現(xiàn)余差，正因?yàn)槿绱?，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(chǎng)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(dòng)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(chǎng)合。3.3 比例微分控

6、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(shí)間常數(shù)較大的控制通道，在微分項(xiàng)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(dòng)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(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高與動(dòng)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(shí)現(xiàn)消除余差的目的，同時(shí)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(shí)間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場(chǎng)合，如工業(yè)生產(chǎn)中的溫度控制等。4 PID 調(diào)節(jié)參

7、數(shù)對(duì)自動(dòng)控制過程造成的影響在使用比例調(diào)節(jié)進(jìn)行控制時(shí)，曲線的變化會(huì)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(zhǎng)，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(huì)產(chǎn)生較大的余差。過小的比例值也會(huì)造成振蕩周期的縮短，曲線波動(dòng)愈加明顯，其衰減比則會(huì)朝更小的方向變動(dòng)。在使用積分調(diào)節(jié)進(jìn)行控制時(shí)，我們需對(duì)積分時(shí)間的重要性加以了解， 且積分時(shí)間越長(zhǎng)， 積分作用會(huì)隨之變?nèi)酢?反之，積分時(shí)間縮短之后，積分作用也會(huì)逐漸變強(qiáng)，曲線震蕩也會(huì)愈發(fā)明顯，整個(gè)控制系統(tǒng)的震蕩周期逐漸降低。但這并不意味著積分時(shí)間越短越好，一旦積分時(shí)間出現(xiàn)過短的

8、情況，愈加強(qiáng)烈的曲線正當(dāng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)操作不再具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性。過長(zhǎng)的積分時(shí)間則會(huì)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(shí)，微分時(shí)間較為重要。與積分調(diào)節(jié)不一樣的是，微分時(shí)間越長(zhǎng)，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(zhǎng)的微分時(shí)間則會(huì)導(dǎo)致曲線振幅過渡增大，調(diào)節(jié)器的作用則會(huì)在這一階段出現(xiàn)模糊的狀況。在工業(yè)自動(dòng)控制具體實(shí)踐過程中，控制系統(tǒng)不需要也不會(huì)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(shí)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(shí)間改成零；如果不使用比例調(diào)節(jié)， PI

9、D 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(gè)控制參數(shù)，如何在實(shí)際生產(chǎn)中找到這些合適參數(shù)一直是國(guó)內(nèi)外工業(yè)應(yīng)用PID 的關(guān)鍵問題。經(jīng)歷過長(zhǎng)期工作工程實(shí)踐的技術(shù)人員通過定性分析各種控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響而得出來的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)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(chǎng)整定時(shí)， 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(duì)現(xiàn)場(chǎng)過程值 PV 的趨勢(shì)曲線進(jìn)行觀察的同時(shí)需對(duì)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

10、為止。一般而言，需在具體整定中將積分項(xiàng)和微分項(xiàng)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(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定，之后再依據(jù)PV 曲線的變化慢慢對(duì)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(shí)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(chǎng)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(shí)再將微分時(shí)間由小到大進(jìn)行調(diào)整即可將PV的趨勢(shì)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(dòng)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(xiàng)、 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(dòng)控制中的應(yīng)用，希望能夠?yàn)橛騼?nèi)相關(guān)技術(shù)人員