基于PID技术的工业自动控制系统的优化改进研究

田苗，史玉琴

（1.海军装备部，陕西西安713106；2.中国空空导弹研究院，河南洛阳471009）

基于PID技术的工业自动控制系统的优化改进研究

田苗1，史玉琴2

（1.海军装备部，陕西西安713106；2.中国空空导弹研究院，河南洛阳471009）

随着我国计算机及电子技术的快速发展，使得工业自动控制水平得到大幅度提高。然而，在实际的自动控制中，由于受到多种因素的共同影响，限制了自动化控制的进一步发展。在此背景下，PID技术凭借结构简单、稳定性好及可靠性高的特点，在工业自动控制系统中得到广泛应用。在此对工业自动控制系统中PID技术的应用做详细探讨，重点分析PID控制规律特点及其被控参数，最后参数的选定。

PID；工业自动控制系统；优化改进；控制算法

0 引言

自动化水平已成为现代化水平的重要标志之一，同时也经历了古典控制、现代控制及其智能控制三大阶段，并形成了完整的理论内容。如：最为典型的实例即模糊全自动洗衣机，具有广泛的应用意义。就当前来看，自动控制系统有闭环及开环自动控制系统，已在实际的工程中得到广泛应用，并使其功能得到充分发挥。而PID技术是当前应用最为广泛的技术，可提高自动控制水平。下面重点分析PID技术的工作原理、特点，然后阐述其算法、P、I、D项的选择、被控参数与最后参数等。

1 PID技术的工作原理及其特点

根据调查发现，在自动控制中，由于受到外界各个因素的影响，使得部分产品的控制参数发生了改变。为了能够有效保证产品的质量，可将这些产品所改变的数据传送到PID控制器，经过其计算，调节相应的数据变量，可使控制参数与产品设定相符合，最终生产处符合规定的产品。如图1所示，PID控制器的调节方式可分为比例（P）、积分（I）控制及微分（D）控制。

图1 PID技术控制图

比例（P）、积分（I）控制及微分（D）控制中，所输入的误差与输出的误差信号均呈现正比例关系。其中比例（P）控制在所有控制方式中最为简单，而积分（I）控制中系统进入到稳态误差后，则该控制系统有稳态误差。为了进一步消除稳态误差，需要在控制器中引入相应的“积分项”。该积分项对误差的影响随着时间的变化而不断变化。当时间不断增加时，其积分项也会相应得到增加。这样一来，就能够推动控制器的输出增大，从而减小误差。将比例控制与积分控制两者联合起来，能够使系统进入到稳态后无稳态误差状态，在系统中有重要价值。微分（D）控制中自动控制系统在调节误差的过程中会出现振荡现象，甚至发生失稳问题，影响到控制系统的正常运行。因此，可采用“超前”的方式来抑制误差的变化。当误差越接近于0时，所抑制的作用也为0。也就表明：在自动化控制系统中将比例控制、微分控制两者联合起来，能够有效改善控制中的动态特性。

2 PID的算法及其P、I、D项的控制规律

在所有自动化控制系统中，PID控制器是应用最为广泛的一种控制方式，尤其在模拟量的控制过程之中。而PID算法中过程与输出值也有较为直接的函数关系。一般情况下，PID控制算法（即输出项为比例控制项、积分控制项与微分控制项三者的联合），公式如下：

式中：M(t)，Kc，Minitia，TD分别表示回路输出，即时间函数，PID回路增益，PID回路输出初始值，微分项的比例常数。通过这个数字偏差算式可看出比例（P）、积分（I）及微分（D）项分别为：当前误差采样的函数；从第一个到当前采样周期所有误差项的函数、当前到前一次的误差项的函数。通过计算可知工业自动控制系统，如图2所示。

图2 PID算法流程

根据以上PID控制算法可将比例控制、积分控制及其微分控制的规律加以总结，通过分析可得到以下规律：

（1）比例控制规律。通过采用比例控制能够快速的对扰动影响给予控制，具有较快的输出值，但缺陷在于并不能够较好的将其稳定在某一数值之上。尽管能够较好的克服扰动影响，当仍有余差问题。因此，使得比例控制具有较小的之后性，对控制要求不高，所被控的控制允许有一定余差。

（2）积分控制。在自动控制中积分控制是应用最为广泛的一种形式。能够弥补比例控制所带来的缺陷，可有效消除余差，特别适用于负荷变化较小且被控参数不允许有余差的情况。

（3）微分控制。相对前两者控制而言，微分控制是较为理想的控制方式，将比例控制与微分控制的作用综合起来，可在消除余差的基础之上，提高整个控制系统的稳定性。其适宜用于对控制要求较高且拥有较大滞后性的场合。

3 PID被控参数、最后参数的设定

在控制方案设计中PID被控参数是其最为重要的一环，尤其对于提高产品的产量、隐定生产有着重要意义。若所选被控参数不适合，无论选取的控制系统多优秀，所选取的检测设备有多先进，也不能达到预期的控制效果。就当前来看，影响控制参数值的变化比较多，应充分认识到并不是所有的扰动都是需要控制的，而是应正确选择被控的参数。另一方面，所选取的被控参数应符合生产工艺的相关要求，应对生产工艺的过程给予全面分析，最终找出产品的安全生产、质量等。对于工艺生产状态所变化的参数应该较好的反应出来，同时所选取的参数还应满足相关要求。另一方面，PID的参数选择并不是惟一的，同时也不是随意的，而是需要对其加以深入分析，进而科学合理给予选择。被控参数在选择时应坚持以下几方面原则：首先，不能将直接参数作为被控参数，可选择与直接参数相关的间接参数为被控参数；其次，被控参数的选取，还应符合工艺过程所用仪表的性能；再次，选择产品的质量、安全生产及其产量有决定性作用的参数，将其作为被控参数；最后，所选取的被控参数应拥有相当高的灵敏度。被控参数只有满足以上几点内容，才能很好地发挥其控制效果。

对于PID最后参数的选择应包括TD、Kc及其TI几方面的控制参数，并且能够准确地确定最佳整定参数。就当前来看，要想在实际的生产中找到相应的参数，其整定法应在长期的工作中得到应用。并从各种控制规律上，对系统控制质量影响给予相应分析。通过这种分析得到一种更为有效及其广泛应用的整定方法。这就要求在现场整定中，应按照比例控制、积分控制，最后微分控制的方式给予进行，对PV的趋势值给予详细分析，对PID参数给予改变，对其给予反复测试，最终符合其要求。从具体的整定方案中，应对微分项及积分项给予关闭，并可将TI项设置为最大。当TD项设置为0时，使整个比例调节给予完整化。在初期比例度调整时，应根据PV曲线，对比例控制度给予相应调节，然后给予加积分的作用。当然，在加积分之前，还应将比例度上调到原来的1.2倍以上。通过将积分时间TI由大到小的调整，进而使得系统再次升级。

4 结语

总而言之，伴随着我国科学技术的飞速发展，工业自动控制系统水平也日益得到提高。PID技术凭借着自身结构简单、安全性及稳定性高的特点，在自动控制系统中得到广泛应用。本文重点分析了PID控制规律特点及其被控参数、最后参数的选定，从选取中发现，PID自动控制技术有着较大的作用。在今后的发展过程中，应不断发展PID技术，逐渐缩短我国与国外的差距，进而推动我国社会经济的快速发展。

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Study on optimized improvement in industrial automatic control system based on PID technology

TIAN Miao1，SHI Yuqin2
（1.Navy Equipment Department，Xi’an 713106，China；2.China Air⁃Borne Missile Academy，Luoyang 471009，China）

Since the rapid development of computer and electronic technology in China，the level of industrial automatic control has been improved greatly.In actual automatic control，further development of automatic control is limited by the influence of multi⁃factor.In this situation，PID technology with the advantages of simple structure，good stability and high reliability，has been widely used in industrial automatic control system.The application of PID technology in industry automatic control system is discussed in detail.Characteristics of PID control rule，the controlled parameters and the parameters′selection are analyzed in emphasis.

PID；industrial automatic control system；optimized improvement；control algorithm

TN876⁃34

A

1004⁃373X（2015）13⁃0132⁃02

2014⁃12⁃21