ＰＩＤ在工业自动控制中的运用

许瑞峰　刘康珍

摘要：文章介绍了PID在工业自动化控制系统的重要性，它是控制系统的基础部分，也是关键部分，阐述了PID的工作原理和被控参数选定原则。

关键词：PID调节；给定值；测量值；偏差值；工业自动控制

中图分类号：TM715文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）02-0076-02

随着电子、计算机、通讯、故障诊断、冗余校验和图形显示等技术的高速发展，工业自动化水平也日益提高。但在生产过程中，产品的质量受多因素的干扰而使自动化水平的优点逊色。PID控制理论从此应运而生。

一、PID的工作原理

由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制参数值保持稳定，控制作用就必须不断地进行。若扰动出现使得现场控制参数值发生变化，现场检测元件就会将这种变化记录并传送给PID控制器，改变过程变量值（以下简称PV值），经变送器送至PID控制器的输入端，并与其给定值（以下简称SP值）进行比较得到偏差值（以下简称e值），调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律（将在第三节PID算法中详细推导与分析）发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使现场控制参数值发生改变，并趋向于给定值（SP值），以达到控制目的。

二、PID被控参数的选定

选择被控参数是控制方案设计中的重要一环，对于稳定生产、提高产品的产量、质量等都具有决定性的意义。若被控参数选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选用多么先进的过程检测控制设备，均不会达到预期的控制效果。

因为影响控制参数值变化的扰动很多，并非所有扰动都必须加以控制，所以正确选定被控参数，显得尤为重要。选择被控参数要根据生产工艺要求，深入分析生产工艺过程，找出对产品的产量、质量、安全生产等具有决定性作用，能较好反映工艺生产状态变化的参数，而这些参数又是人工控制难以满足要求。

在实际应用中，PID参数的选择并不是唯一的，更不是随意的，要通过对过程特性进行深入分析，才能做出的正确选择。

下面是选取被控参数的一般原则：

1.选择对产品的产量、质量、安全生产等具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数作为被控参数。

2.当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有线性单值函数对应关系的间接参数作为被控参数。

3.被控参数必须具有足够高的灵敏度。

4.被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。

三、PID算法

在过程控制中，PID控制器一直是应用最为广泛的一种自动控制器，特别是在模拟量的控制应用中；PID控制也一直是众多控制方法中应用最为普遍的控制算法，PID算法的计算过程与输出值（OUT）有着直接函数关系。

PID控制器调节输出，是为了保证偏差值（e值）为零，使系统达到一个预期稳定状态。这里的偏差（e）是给定值（SP）和过程变量值（PV）的差。PID控制原理基于下面的算式：

M(t)=KC*e+ KC* +Minitial+ KC*TD* 或者

Mn=KC*en+KC* +Minitial+ KC* *（en-en-1）

输出=比例项+积分项+微分项

M(t) ：回路输出（时间函数）

Mn ：第n次采样时刻,PID回路输出的计算值（OUT值）

T ：采样周期（或控制周期）

Minitial ：PID回路输出初始值

Kc ：PID回路增益

TI ：积分项的比例常数

TD ：微分项的比例常数

en ：在第n次采样时刻的偏差值（en=SPn-PVn）

en-1：在第n-1次采样时刻的偏差值（也称偏差前项）

从这个数字偏差算式可以看出；

比例项是：当前误差采样的函数。

积分项是：从第一个采样周期到当前采样周期所有误差项的函数。

微分项是：当前误差采样和前一次误差采样的函数。

四、控制器P、I、D项的选择

在实际过程控制中，为使现场过程值在较理想的时间内跟定SP值，如何确定选用何种控制或控制组合来满足现场控制的需要显得十分重要。根据前面的对PID算法的分析，下面将常用的各种控制规律的控制特点简单归纳一下：

1.比例控制规律P：采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好地稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。

2.比例积分控制规律（PI）：在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。

3.比例微分控制规律（PD）：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。

4.例积分微分控制规律（PID）：PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制等。

五、利用整定参数来选择PID控制规律

在前面讲到PID控制规律的选择，如何在中整定参数中关闭或打开PID控制规律成了我们应该了解的问题。在许多控制系统中，我们有时只需要一种或两种回路控制规律就可以满足生产工艺的需要，如P、PI、PD、PID等类型。根据我们推导的数字偏差算式（1-5），我们可以得出以下结论：

1.如果不要积分参与控制，可以把积分时间TI设为无穷大。但积分项还是不可能为零，这是因为还有初期Minitial的存在。

2.如果不要微分参与控制，可以把微分时间TD设为零。

3.如果不要比例参与控制，但需要积分或积分微分参与控制，可以把增益设为零。在增益为零的情况下，CPU在计算积分项和微分项的时候，会把增益置为1.0。

六、PID的最佳整定参数的选定

PID的最佳整定参数一般包括Kc、TI、TD等三个常用的控制参数，准确有效地选定PID的最佳整定参数是关于PID控制器是否有效的关键部分，如何在实际生产中找到这些合适的参数呢? 现场经验整定法是人们在长期工作工程实践中，从各种控制规律对系统控制质量影响的定性分析总结出来的一种行之有效、并得到广泛应用的工程整定方法。在现场整定过程中，我们要保持PID参数按先比例，后积分，最后微分的顺序进行，在观察现场过程值PV的趋势曲线的同时，慢慢的改变PID参数，进行反复凑试，直到控制质量符合要求为止。

在具体整定中，我们通常先关闭积分项和微分项，将TI设置为无穷大、TD设置为零，使其成为纯比例调节。初期比例度按经验数据设定，根据PV曲线，再慢慢地整定比例控制比例度，使系统达到4：1衰减振荡的PV曲线，然后，再加积分作用。在加积分作用之前，应将比例度加大为原来的1.2倍左右。将积分时间TI由大到小的调整，真到系统再次得到4：1的衰减振荡的PV曲线为止。若需引入微分作用，微分时间按TD=（1/3～1/4）TI计算，这时可将比例度调到原来数值或更小一些，再将微分时间由小到大调整，直到PV曲线达到满意为止。有一点需要注意的是：在凑试过程中，若要改变TI、TD时，应保持的比值不变。

在找到最佳整定参数之前，要对PV值曲线进行走势分析，判断扰动存在的变化大小，再慢慢地进行凑试。如果经过多次仍找不到最佳整定参数或参数无法达到理想状态，而生产工艺又必须要求较为准确，那就得考虑单回路PID控制的有效性，是否应该选用更复杂的PID控制。

参考文献

[1]翁维勤,孙洪程．过程控制系统及工程（第二版）[M]．化学工业出版社．

[2]吴麒．自动控制原理[M]．清华大学出版社．

作者简介：许瑞峰（1980- ），男，内蒙古喀什克旗人，供职于济钢设计院，研究方向：自动化仪表；刘康珍（1980- ），男，山东菏泽人，供职于山东省冶金建设开发公司，研究方向：电气自动化。