摘 要：PID是工業(yè)自動化水平，是目前衡量各行各業(yè)現代化水平的重要標志。PID控制器因其簡單的結構、平穩(wěn)的工作性能、高度的可靠性、簡便的調整程序，使得它發(fā)明至今七十余年仍然散發(fā)出耀眼的光芒，也因此，PID控制器成為當今工業(yè)計算機自動控制的主要技術之一。

關鍵詞：計算機；自動控制系統；參數

中圖分類號：TQ114

在實際計算機自動化控制中，有時候我們不能完全了解被控對象的結構參數，并且其數學模型也沒有精確的數據資料，此時傳統的控制方法無法實現或者操作復雜，因而PID控制技術就成為最佳的選擇，在操作過程中，系統控制器的結構參數在實際的操作過程中，通過操作經驗和現場調試進行確定。也就是說當我們要控制一個完全不了解的被控對象，并且常規(guī)化手段已經無法獲取被控對象的結構參數時，PID控制技術成為了應用最廣、最為便捷的方法。PID控制器因其簡單的結構、平穩(wěn)的工作性能、高度的可靠性、簡便的調整程序，使得它發(fā)明至今七十余年仍然散發(fā)出耀眼的光芒。

1 自動控制系統的分類

1.1 開環(huán)控制系統（open-loop control system）。開環(huán)控制系統是一個開放的系統，其輸入和輸出都是單向的，輸出的被控制量沒有對輸入和系統過程造成任何影響。在整個系統沒有任何過程需要依賴被控制量的反饋而進行。

1.2 閉環(huán)控制系統（closed-loop control system）。閉環(huán)控制系統與開環(huán)控制系統是相對的，閉環(huán)控制系統是一個閉合的系統，其被控對象的輸出會返過影響輸入或系統過程，形成一個或多個閉合回路。閉環(huán)控制系統由其反饋方式可以分為正反饋與負反饋。正反饋即反饋信號與原信號極性相同的反饋方式；負反饋為與原信號極性相反的反饋方式，在這指出的原信號指的是系統原給定的信號。在一般的閉環(huán)控制系統中，我們大都采用負反饋形式。在日常生活中，閉環(huán)控制系統的應用實例無處不在，例如空調的自動調溫系統，當環(huán)境溫度高于設定溫度時，空調就會自動開啟制冷系統，當環(huán)境溫度達到室溫設定值時，制冷系統又會自動關閉。與此相對，電風扇的轉速是由各檔位控制的，它不能根據環(huán)境溫度自動調節(jié)，這便是開環(huán)控制系統。由此可見，閉環(huán)控制系統在實際生活中的應用跟為方便。

1.3 階躍響應系統（step function system）。階躍響應是指系統根據階躍輸入而產生的反應輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指當系統從一個穩(wěn)態(tài)過度到新的穩(wěn)態(tài)，或系統受擾動作用又重新平衡后，系統所出現的偏差值。計算機自動控制系統的工作性能特點表現為穩(wěn)、準、快。其中“穩(wěn)”是指控制系統在工作時具有良好的穩(wěn)定性，要保證一個系統能進行正常工作，并且達到一定的技術要求，則該系統首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應上分析這一點應該是收斂性，即波動達到平穩(wěn)；“準”是指自動控制系統在加工時表現出的精準控制和準確性，穩(wěn)定誤差常用來表述這一只表，表示系統最終輸出的穩(wěn)態(tài)值與期望值的差值；“快”是指自動控制系統的響應快速性，通過上升時間來表達出控制系統的靈敏度。

2 PID控制原理

2.1 比例（P）控制。比例控制在所有的控制方式中是最為簡單的一種，因其控制器的輸出與輸入誤差信號成固定比例而命名。當系統中僅有比例控制時，系統的輸出會出現一定的穩(wěn)定誤差。

2.2積分（I）控制。在積分控制中，其控制的輸出與輸入誤差信號的積分表現為正比關系。在計算機自動控制系統中，當進入穩(wěn)態(tài)后仍然呈現出穩(wěn)態(tài)誤差，則這個控制系統是有穩(wěn)態(tài)誤差的或者將其稱之為有差系統。對此，我們在控制器中增加了“積分項”來消除穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差?！胺e分項”會隨著時間的增大而增大，即使誤差很小，它也會使控制器的輸出增大已達到穩(wěn)態(tài)誤差的減小，直到完全消除。因此，P與I即比例與積分控制器可以實現系統達到穩(wěn)態(tài)后不存在穩(wěn)態(tài)誤差。

2.3 微分（D）控制。在微分控制中，其控制的輸出與輸入誤差信號的微分表現為正比關系。計算機自動控制系統在調節(jié)誤差時有一定可能性會引起波動乃至失穩(wěn)現象。因為在控制中存在了較大比例的慣性環(huán)或者滯后環(huán)節(jié)，能夠抑制誤差，導致了系統的變化會落后于誤差，所以需要將抑制誤差這一作用進行提前。換言之，比例調節(jié)在計算機自動控制系統是遠遠不夠的，比例調節(jié)只能放大誤差值，并且需要加入微分調節(jié)，微分調節(jié)能夠準確的預測誤差的走向。因此，控制器才能避免被控對象的嚴重超調。故PID控制器能完善的在系統調控過程中表現出良好的動態(tài)特性。

3 PID參數的調整原則

P、I、D的參數設定是固定好的，自主控制運行過程，為了更好地實現加工效果，應該在運行前對控制系統參數進行適當調整，其具體調整原則是：若出現被控對象的物理量在目標值附近呈現出波動現象時，增大合適的積分時間，待變化穩(wěn)定后繼續(xù)觀察，如果波動仍存在，則可減小一定的比例增益，再進行精確的細調。若出現被控對象的物理量難以恢復初始值時，增大比例增益，等待穩(wěn)定進行觀察，如果恢復速度相對緩慢，可適當減小積分時間，或者增大微分時間。

4 計算機自控參數設定方法

計算機自動控制系統的核心內容就是PID控制器的參數設定，其設定方法至關重要。根據被控對象的控制過程，我們可以確定PID控制器在控制過程中的比例系數、積分時間和微分時間的大小。在眾多的參數設定方法中，我們可以分為兩類整定法，一是理論計算整定法。這是一種依據所選用系統的數學模型，經過精確的理論精算而形成的一種方法。這種方法所得到的數據不能夠直接使用，還需要工程中所涉及的實際情況進行微調。二是工程整定法，這是一種通過總結工作經驗，在試驗中進行得出數據的方法，這種方法簡單又方便掌握，被廣泛的采納與使用。而在工程整定法中，又可以分出三種主要方法，臨界比例法、反應曲線法和衰減法。兩大類方法各有特點，但都是由實驗和經驗公式得到實驗數據再對PID控制器參數進行整定。但無論采用何種方法，都需要針對工程實際情況進行微調與完善。在工程中采用最多的是臨界比例法，其整定步驟如下：（1）采用最短的工作周期使得系統進行采樣工作；（2）加入比例控制，進行觀察，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記錄比例放大系數及臨界振蕩周期；（3）通過工程經驗公式計算出PID控制器的理論參數。

5 計算機自控參數設定步驟

在這里，以PID調節(jié)器為例來探究自控參數設定方法，并且依據說明經驗法進行具體說明：（1）首先將調節(jié)器的積分系數S0調節(jié)至0，實際微分系數k調節(jié)至0，開啟閉環(huán)控制系統，一邊觀察控制輸出情況，一邊將比例系數逐漸調大使得擾動信號呈階躍變化，直至控制輸出達到預期效果；（2）將當前值乘上0.83作為比例系數S1，同時，通過增大積分系數，讓擾動信號再一次呈現出階躍變化，對控制輸出情況進仔細觀察，直到達到預期的輸出效果；（3）保持積分系數不變，調整比例系數，對控制輸出情況進仔細觀察來判斷是否繼續(xù)調整；（4）觀察控制輸出情況，適當增大比例系數S1和積分系數S2，在調整的同時，引入實際微分系數k和實際微分時間TD，然后像前面步驟一樣進行，同時，微分時間也需要進行反復調整，直到達到滿意的控制輸出效果。

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作者簡介：郭清民（1966-），男，陜西西安人，安全技術部工程師。

作者單位：中國航空油料有限責任公司西北公司，西安 710082