PID控制技术在工业自动控制中的应用研究

摘 要：近年来，随着我国工业过程自动化发展水平的逐步提高，PID总线的技术水平似乎已开始成为衡量我国各相关行业技术现代化水平的主要判断标准，其相关控制的理论内容也逐渐经历了从经典工业控制技术理论到现代控制理论和现代智能生产控制理论的演变。目前，国内外市场上已经出现了一批基于PID控制的工业自动化仪表产品、控制器和工业智能控制器仪表产品，并在实践中得到了广泛的技术应用。本文介绍种PID的工作原理，分析了PID 控制技术在工业自动控制中的应用。

关键词：PID;控制技术;工业自动控制;应用

在机械工业自动化的许多生产加工环节工程中，自动测控技术有着非常广泛的技术应用、经济价值空间和影响。它是一种非常先进和有价值的高科技生产力，在一定程度上提高和发展了当代中国企业技术装备的现代制造水平。在现代工业自动化控制系统的发展中，PID自动过程控制技术的综合应用开发将显得尤为重要，并且成为重要的核心技术之一。目前其在我国的综合应用已较为成熟和普遍，相信未来可能具有更大的综合应用潜力和推广利用价值。

一、PID工作的原理

在各种工业自动化控制系统产品中，PID控制技术的综合应用是一个非常重要的部分，它往往是我们保持控制系统良好运行和稳定的核心关键。它具有一定独特的结构和工作原理，自然需要更多的专业人员在达到一定的专业水平后才能全面掌握，从而使我们对该技术有更深入的了解，且在工程应用开发中效果更好、更方便。其主要设计原则之一是合理协调受控工作对象的各个方面，如各种数据和组织结构，以满足人们实际工作的客观需要。这种控制技术通常被称为调节器或控制器，它的主要应用是在一些实际工程项目中的比例和微分控制，常规PID控制系统原理框图如图所示（图1）。PID回路是需要操作人员用量具和控制旋钮进行的工作，操作者会用量具测系统输出的结果，然后用控制旋钮来调整这个系统的输入;直到系统的输出在量具上显示稳定的需求的结果，在旧的控制文档里，这个过程叫做“复位”行为，量具被称为“测量”，需要的结果被称为“设定值”而设定值和测量之间的差别被称为“误差”。 一个控制回路包括三个部分：1、系统的传感器得到的测量结果;2、控制器作出决定;3、通过一个输出设备来作出反应，控制器从传感器得到测量结果，然后用需求结果减去测量结果来得到误差，再用误差来计算出一个对系统的纠正值来作为输入结果，这样系统就可以从它的输出结果中消除误差。在一个PID回路中，纠正值的方法有：消除目前的误差、平均过去的误差、和透过误差的改变来预测将来的误差这三种。

二、选定 PID 被控参数

受控系统参数的选择也是正确设计企业控制产品方案和控制系统开发过程设计的一个非常重要的部分。只有深入了解和分析实际生产过程中存在的各种特殊现象，才能合理选择最正确、最实用的最佳设计PID参数。各种常用的PID生产控制装置的参数选择最常用的参考原则总结如下：第一，在产品选择和制造过程的设计中，有必要注意可用于确定输出的各种控制参数的选择，产品的质量、安全和生产环境。同时，还要求具有这些关键参数的产品具有直接控制和测量操作的特性。第二，如果工程师和技术人员以前在直接参数转换选择方法的设计和验证过程中经过多次验证，但他们不能完整、准确地选择将一个受控直接参数直接转换为直接受控间接控制参数的问题，技术人员会认为在这个时候，我们可以直接选择转换另一个间接控制的间接控制参数，该参数只需要与直接控制的直接参数或单值函数之间的对应或映射关系具有线性关系，就可以直接用作控制PID。第三，当PID直接测量受控系统的参数时，首先必须考虑仪器的灵敏度，以获得足够或高精度的测量。第四，在测量仪器的设计选型和制造安装过程的工作设计中，必须充分考虑设计、生产目的和设计过程中考虑的一些工艺合理性问题。以及仪器的性能要求和测量仪器产品的一般用途。

三、选择控制器 P、I、D 项

当人们需要在特定的现场操作过程中进行各种控制过程活动时，确定目标并正确选择适当的、适当的，合理有效地控制各种现场过程控制参数组合或各种过程参数控制过程参数组合等方法，将更好地满足控制过程中，各种具体现场操作过程的实际需要。

3.1比例控制规律（P）

比例控制律（P）的一个重要优点是它可以在短时间内完全克服其他一些外部因素及其对整个过程的影响。其控制功能通常比控制输出快，然而，在任何理想范围内，通常不可能实现良好程度的稳定运行。比例控制律（P）也会对性能产生其他不利影响，即控制系统在有效克服干扰和影响参数的同时会产生残余误差，其也不适合被应用于某些控制信号通道的滞后量较大、负荷值变化率较大、控制参数要求达到较高以及一些允许受控的参数有余差的场合。

3.2比例积分控制规律（PI）

比例积分控制律（PI）实际上是指中国自动装配线生产和现代自动化工业过程的控制技术理论。目前认为，应用研究的范围也是最成熟、最深入、应用最广泛、最有效的，是比例积分控制的另一个基本通则，它还可以確保在一定比例的基础上同时消除所有残余误差，但它也有其主要缺点：比例控制的一般规律（P）的原理完全相同。相比之下，它只能应用于控制通道较小、负载变化系数相对较小的工作场所。

3.3比例微分控制规律（PD）

比例微分控制通道规律模型（PD）是比较普遍适用于对系统容量滞后量较大的或对时间常数偏差值较大的系统中的一个控制通道， 从比例微分项可以提前建立并实际满足的前提出发，在系统中引入比例微分律模型并有效参与其动态优化控制后，能够在很短的时间内保证有效性，促进整个控制系统动态性能指标效率水平的提高。比例微分动态控制律（PD）的研究方法也表明，它可以直接提高整个动态控制系统的总体稳定性，控制性能质量的快速和持续全面改善，以及影响动态系统和系统偏差的因素在短时间内逐渐和持续全面减少。

3.4比例积分微分控制规律（PID）

与上述三种基本控制律相比，比例积分微分控制律（PID）理论实际上应该是另一种结构相对成熟、简单、理想、实用、方便的基本控制律，应确保系统能有效保证系统给定比例值的相对稳定性，并以适当的方式引入比例积分，以实现并最终消除系统剩余问题的两个基本技术目标，同时，还应考虑添加其他能够显著提高整个受控系统稳定性和效率的比例微分函数。例如，积分微分控制律（PID）比较法特别适用于控制通道时间常数大或某些控制周期容量延迟大、控制过程质量要求系数高的典型工作场合控制，作为大量的温度控制过程分析，在各种工业过程中实现自动化和生产线的自动运行。

四、PID调节参数对自动控制过程造成的影响

在企业的整个生产经营环节体系中，新技术的应用将是必然的基本要求，能够有效地促进企业工作效率和经营质量的提高，促进整体经济收入的有效增长。因此，PID在工业自动化控制系统中的应用变得越来越关键和重要。在各个生产活动环节的自动控制和运行过程中，自动调节技术在PID控制技术中的作用开始显现，对整个企业的整体安全生产过程运行产生越来越重要和深远的影响。实际上，它的调节和控制功能主要体现在自动控制和调节其比例的过程曲线上。而对于自动比例控制和调整的过程曲线，一旦比例值的偏差度过小，振荡周期的周期时间长度可能会相对较短，曲线形状的波动会更加明显，衰减幅度的比较将在相对狭窄的方向上缓慢变化。就积分曲线系统的调节作用而言，积分时间段将特别重要。随着系统曲线积分时间段的逐渐和持续延长，积分效应将逐渐减弱。在现代工业设计和自动控制设备控制及自动化过程控制系统的设计和应用中，中介控制应用模式通常不会实现每种选型的最后一次选型应用，这主要与企业的实际工作条件和经营条件的变化有关。应注意的是，应根据设备的实际工作和应用情况，尽可能考虑技术模式的选择。只有真正选择合适的、自行设计的应用条件设备，控制效果真正达到标准，各企业才能更充分地选择各种自动化设备调控系统应用后的技术模式，最终结果通常在这两种技术方法的范围内。在使用该技术后，通过参数之间的微小变化和尺寸比较可以清楚地看到，调整参数的过程中需要遵循一定的数值规律，当用积分法无法调整和改变参数时，积分时间的设定值将是无限的;当不采用差动技术调整和改变参数时，差动时间的初始设定值只能变为零;此时，如果生产环节没有比例调节控制，PID的回路增益值可以自动设置为零。通过这些控制律，人们自然会实现对控制目标参数的最终精确比例控制，当然，人们可以利用这些PID来控制和调整目标参数，从而减少对控制参数自动调整实施的影响，这将更有利于在企业生产的各个环节进行更有效、合理、有效的过程控制，帮助企业人员进一步加快企业生产的阶段性速度，实现更经济意义上的更好的创收。

五、结束语

综合上述，要真正实现工业自动化控制系统的完美运行，就要重视PID技术的实际应用。这种控制技术有其独特的内部工作原理。只有运用这些技术原理，才能全面优化和控制各种生产活动。尽管这些创新技术在现阶段还远未普及，但它们仍具有巨大的实际应用技术价值空间和学术推广技术价值潜力。对相关科研开发人员来说，要加大对该技术本身的改进和开发力度，使其更适合当前人类科技生产过程的实际需要，为国内企业创造一定的经济效益，加快整个中国经济的现代工业化建设和进程。

参考文献：

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作者简介：

刘曦（1998），男，湖北孝感人，本科研究方向：自動化。