許瑞峰　劉康珍

摘要：文章介紹了PID在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的重要性，它是控制系統(tǒng)的基礎部分，也是關鍵部分，闡述了PID的工作原理和被控參數選定原則。

關鍵詞：PID調節(jié)；給定值；測量值；偏差值；工業(yè)自動控制

中圖分類號：TM715文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）02-0076-02

隨著電子、計算機、通訊、故障診斷、冗余校驗和圖形顯示等技術的高速發(fā)展，工業(yè)自動化水平也日益提高。但在生產過程中，產品的質量受多因素的干擾而使自動化水平的優(yōu)點遜色。PID控制理論從此應運而生。

一、PID的工作原理

由于來自外界的各種擾動不斷產生，要想達到現(xiàn)場控制參數值保持穩(wěn)定，控制作用就必須不斷地進行。若擾動出現(xiàn)使得現(xiàn)場控制參數值發(fā)生變化，現(xiàn)場檢測元件就會將這種變化記錄并傳送給PID控制器，改變過程變量值（以下簡稱PV值），經變送器送至PID控制器的輸入端，并與其給定值（以下簡稱SP值）進行比較得到偏差值（以下簡稱e值），調節(jié)器按此偏差并以我們預先設定的整定參數控制規(guī)律（將在第三節(jié)PID算法中詳細推導與分析）發(fā)出控制信號，去改變調節(jié)器的開度，使調節(jié)器的開度增加或減少，從而使現(xiàn)場控制參數值發(fā)生改變，并趨向于給定值（SP值），以達到控制目的。

二、PID被控參數的選定

選擇被控參數是控制方案設計中的重要一環(huán)，對于穩(wěn)定生產、提高產品的產量、質量等都具有決定性的意義。若被控參數選擇不當，則無論組成什么樣的控制系統(tǒng)，選用多么先進的過程檢測控制設備，均不會達到預期的控制效果。

因為影響控制參數值變化的擾動很多，并非所有擾動都必須加以控制，所以正確選定被控參數，顯得尤為重要。選擇被控參數要根據生產工藝要求，深入分析生產工藝過程，找出對產品的產量、質量、安全生產等具有決定性作用，能較好反映工藝生產狀態(tài)變化的參數，而這些參數又是人工控制難以滿足要求。

在實際應用中，PID參數的選擇并不是唯一的，更不是隨意的，要通過對過程特性進行深入分析，才能做出的正確選擇。

下面是選取被控參數的一般原則：

1.選擇對產品的產量、質量、安全生產等具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數作為被控參數。

2.當不能用直接參數作為被控參數時，應該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被控參數。

3.被控參數必須具有足夠高的靈敏度。

4.被控參數的選取，必須考慮工藝過程的合理性和所用儀表的性能。

三、PID算法

在過程控制中，PID控制器一直是應用最為廣泛的一種自動控制器，特別是在模擬量的控制應用中；PID控制也一直是眾多控制方法中應用最為普遍的控制算法，PID算法的計算過程與輸出值（OUT）有著直接函數關系。

PID控制器調節(jié)輸出，是為了保證偏差值（e值）為零，使系統(tǒng)達到一個預期穩(wěn)定狀態(tài)。這里的偏差（e）是給定值（SP）和過程變量值（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）

輸出=比例項+積分項+微分項

M(t) ：回路輸出（時間函數）

Mn ：第n次采樣時刻,PID回路輸出的計算值（OUT值）

T ：采樣周期（或控制周期）

Minitial ：PID回路輸出初始值

Kc ：PID回路增益

TI ：積分項的比例常數

TD ：微分項的比例常數

en ：在第n次采樣時刻的偏差值（en=SPn-PVn）

en-1：在第n-1次采樣時刻的偏差值（也稱偏差前項）

從這個數字偏差算式可以看出；

比例項是：當前誤差采樣的函數。

積分項是：從第一個采樣周期到當前采樣周期所有誤差項的函數。

微分項是：當前誤差采樣和前一次誤差采樣的函數。

四、控制器P、I、D項的選擇

在實際過程控制中，為使現(xiàn)場過程值在較理想的時間內跟定SP值，如何確定選用何種控制或控制組合來滿足現(xiàn)場控制的需要顯得十分重要。根據前面的對PID算法的分析，下面將常用的各種控制規(guī)律的控制特點簡單歸納一下：

1.比例控制規(guī)律P：采用P控制規(guī)律能較快地克服擾動的影響，它的作用于輸出值較快，但不能很好地穩(wěn)定在一個理想的數值，不良的結果是雖較能有效的克服擾動的影響，但有余差出現(xiàn)。它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、控制要求不高、被控參數允許在一定范圍內有余差的場合。

2.比例積分控制規(guī)律（PI）：在工程中比例積分控制規(guī)律是應用最廣泛的一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎上消除余差，它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、被控參數不允許有余差的場合。

3.比例微分控制規(guī)律（PD）：微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項設置得當的情況下，對于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標，有著顯著效果。因此，對于控制通道的時間常數或容量滯后較大的場合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。

4.例積分微分控制規(guī)律（PID）：PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它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。如溫度控制等。

五、利用整定參數來選擇PID控制規(guī)律

在前面講到PID控制規(guī)律的選擇，如何在中整定參數中關閉或打開PID控制規(guī)律成了我們應該了解的問題。在許多控制系統(tǒng)中，我們有時只需要一種或兩種回路控制規(guī)律就可以滿足生產工藝的需要，如P、PI、PD、PID等類型。根據我們推導的數字偏差算式（1-5），我們可以得出以下結論：

1.如果不要積分參與控制，可以把積分時間TI設為無窮大。但積分項還是不可能為零，這是因為還有初期Minitial的存在。

2.如果不要微分參與控制，可以把微分時間TD設為零。

3.如果不要比例參與控制，但需要積分或積分微分參與控制，可以把增益設為零。在增益為零的情況下，CPU在計算積分項和微分項的時候，會把增益置為1.0。

六、PID的最佳整定參數的選定

PID的最佳整定參數一般包括Kc、TI、TD等三個常用的控制參數，準確有效地選定PID的最佳整定參數是關于PID控制器是否有效的關鍵部分，如何在實際生產中找到這些合適的參數呢? 現(xiàn)場經驗整定法是人們在長期工作工程實踐中，從各種控制規(guī)律對系統(tǒng)控制質量影響的定性分析總結出來的一種行之有效、并得到廣泛應用的工程整定方法。在現(xiàn)場整定過程中，我們要保持PID參數按先比例，后積分，最后微分的順序進行，在觀察現(xiàn)場過程值PV的趨勢曲線的同時，慢慢的改變PID參數，進行反復湊試，直到控制質量符合要求為止。

在具體整定中，我們通常先關閉積分項和微分項，將TI設置為無窮大、TD設置為零，使其成為純比例調節(jié)。初期比例度按經驗數據設定，根據PV曲線，再慢慢地整定比例控制比例度，使系統(tǒng)達到4：1衰減振蕩的PV曲線，然后，再加積分作用。在加積分作用之前，應將比例度加大為原來的1.2倍左右。將積分時間TI由大到小的調整，真到系統(tǒng)再次得到4：1的衰減振蕩的PV曲線為止。若需引入微分作用，微分時間按TD=（1/3～1/4）TI計算，這時可將比例度調到原來數值或更小一些，再將微分時間由小到大調整，直到PV曲線達到滿意為止。有一點需要注意的是：在湊試過程中，若要改變TI、TD時，應保持的比值不變。

在找到最佳整定參數之前，要對PV值曲線進行走勢分析，判斷擾動存在的變化大小，再慢慢地進行湊試。如果經過多次仍找不到最佳整定參數或參數無法達到理想狀態(tài)，而生產工藝又必須要求較為準確，那就得考慮單回路PID控制的有效性，是否應該選用更復雜的PID控制。

參考文獻

[1]翁維勤,孫洪程．過程控制系統(tǒng)及工程（第二版）[M]．化學工業(yè)出版社．

[2]吳麒．自動控制原理[M]．清華大學出版社．

作者簡介：許瑞峰（1980- ），男，內蒙古喀什克旗人，供職于濟鋼設計院，研究方向：自動化儀表；劉康珍（1980- ），男，山東菏澤人，供職于山東省冶金建設開發(fā)公司，研究方向：電氣自動化。