摘 要： 隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)及電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得工業(yè)自動(dòng)控制水平得到大幅度提高。然而，在實(shí)際的自動(dòng)控制中，由于受到多種因素的共同影響，限制了自動(dòng)化控制的進(jìn)一步發(fā)展。在此背景下，PID技術(shù)憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好及可靠性高的特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。在此對(duì)工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中PID技術(shù)的應(yīng)用做詳細(xì)探討，重點(diǎn)分析PID控制規(guī)律特點(diǎn)及其被控參數(shù)，最后參數(shù)的選定。

關(guān)鍵詞： PID； 工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)； 優(yōu)化改進(jìn)； 控制算法

中圖分類號(hào)： TN876?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）13?0132?02

Abstract： 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.

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

0 引 言

自動(dòng)化水平已成為現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一，同時(shí)也經(jīng)歷了古典控制、現(xiàn)代控制及其智能控制三大階段，并形成了完整的理論內(nèi)容。如：最為典型的實(shí)例即模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)，具有廣泛的應(yīng)用意義。就當(dāng)前來看，自動(dòng)控制系統(tǒng)有閉環(huán)及開環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，已在實(shí)際的工程中得到廣泛應(yīng)用，并使其功能得到充分發(fā)揮。而PID技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，可提高自動(dòng)控制水平。下面重點(diǎn)分析PID技術(shù)的工作原理、特點(diǎn)，然后闡述其算法、P、I、D項(xiàng)的選擇、被控參數(shù)與最后參數(shù)等。

1 PID技術(shù)的工作原理及其特點(diǎn)

根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在自動(dòng)控制中，由于受到外界各個(gè)因素的影響，使得部分產(chǎn)品的控制參數(shù)發(fā)生了改變。為了能夠有效保證產(chǎn)品的質(zhì)量，可將這些產(chǎn)品所改變的數(shù)據(jù)傳送到PID控制器，經(jīng)過其計(jì)算，調(diào)節(jié)相應(yīng)的數(shù)據(jù)變量，可使控制參數(shù)與產(chǎn)品設(shè)定相符合，最終生產(chǎn)處符合規(guī)定的產(chǎn)品。如圖1所示，PID控制器的調(diào)節(jié)方式可分為比例（P）、積分（I）控制及微分（D）控制。

比例（P）、積分（I）控制及微分（D）控制中，所輸入的誤差與輸出的誤差信號(hào)均呈現(xiàn)正比例關(guān)系。其中比例（P）控制在所有控制方式中最為簡(jiǎn)單，而積分（I）控制中系統(tǒng)進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)誤差后，則該控制系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差。為了進(jìn)一步消除穩(wěn)態(tài)誤差，需要在控制器中引入相應(yīng)的“積分項(xiàng)”。該積分項(xiàng)對(duì)誤差的影響隨著時(shí)間的變化而不斷變化。當(dāng)時(shí)間不斷增加時(shí)，其積分項(xiàng)也會(huì)相應(yīng)得到增加。這樣一來，就能夠推動(dòng)控制器的輸出增大，從而減小誤差。將比例控制與積分控制兩者聯(lián)合起來，能夠使系統(tǒng)進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差狀態(tài)，在系統(tǒng)中有重要價(jià)值。微分（D）控制中自動(dòng)控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)誤差的過程中會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，甚至發(fā)生失穩(wěn)問題，影響到控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，可采用“超前”的方式來抑制誤差的變化。當(dāng)誤差越接近于0時(shí)，所抑制的作用也為0。也就表明：在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中將比例控制、微分控制兩者聯(lián)合起來，能夠有效改善控制中的動(dòng)態(tài)特性。

2 PID的算法及其P、I、D項(xiàng)的控制規(guī)律

在所有自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式，尤其在模擬量的控制過程之中。而PID算法中過程與輸出值也有較為直接的函數(shù)關(guān)系。一般情況下，PID控制算法（即輸出項(xiàng)為比例控制項(xiàng)、積分控制項(xiàng)與微分控制項(xiàng)三者的聯(lián)合），公式如下：

[M（t）=Kc*e+Kc*+Minitial+Kc*TD*]

式中：[M（t），][Kc，]Minitia，[TD]分別表示回路輸出，即時(shí)間函數(shù)，PID回路增益，PID回路輸出初始值，微分項(xiàng)的比例常數(shù)。通過這個(gè)數(shù)字偏差算式可看出比例（P）、積分（I）及微分（D）項(xiàng)分別為：當(dāng)前誤差采樣的函數(shù)；從第一個(gè)到當(dāng)前采樣周期所有誤差項(xiàng)的函數(shù)、當(dāng)前到前一次的誤差項(xiàng)的函數(shù)。通過計(jì)算可知工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

根據(jù)以上PID控制算法可將比例控制、積分控制及其微分控制的規(guī)律加以總結(jié)，通過分析可得到以下規(guī)律：

（1） 比例控制規(guī)律。通過采用比例控制能夠快速的對(duì)擾動(dòng)影響給予控制，具有較快的輸出值，但缺陷在于并不能夠較好的將其穩(wěn)定在某一數(shù)值之上。盡管能夠較好的克服擾動(dòng)影響，當(dāng)仍有余差問題。因此，使得比例控制具有較小的之后性，對(duì)控制要求不高，所被控的控制允許有一定余差。

（2） 積分控制。在自動(dòng)控制中積分控制是應(yīng)用最為廣泛的一種形式。能夠彌補(bǔ)比例控制所帶來的缺陷，可有效消除余差，特別適用于負(fù)荷變化較小且被控參數(shù)不允許有余差的情況。

（3） 微分控制。相對(duì)前兩者控制而言，微分控制是較為理想的控制方式，將比例控制與微分控制的作用綜合起來，可在消除余差的基礎(chǔ)之上，提高整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其適宜用于對(duì)控制要求較高且擁有較大滯后性的場(chǎng)合。

3 PID被控參數(shù)、最后參數(shù)的設(shè)定

在控制方案設(shè)計(jì)中PID被控參數(shù)是其最為重要的一環(huán)，尤其對(duì)于提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、隱定生產(chǎn)有著重要意義。若所選被控參數(shù)不適合，無論選取的控制系統(tǒng)多優(yōu)秀，所選取的檢測(cè)設(shè)備有多先進(jìn)，也不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。就當(dāng)前來看，影響控制參數(shù)值的變化比較多，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到并不是所有的擾動(dòng)都是需要控制的，而是應(yīng)正確選擇被控的參數(shù)。另一方面，所選取的被控參數(shù)應(yīng)符合生產(chǎn)工藝的相關(guān)要求，應(yīng)對(duì)生產(chǎn)工藝的過程給予全面分析，最終找出產(chǎn)品的安全生產(chǎn)、質(zhì)量等。對(duì)于工藝生產(chǎn)狀態(tài)所變化的參數(shù)應(yīng)該較好的反應(yīng)出來，同時(shí)所選取的參數(shù)還應(yīng)滿足相關(guān)要求。另一方面，PID的參數(shù)選擇并不是惟一的，同時(shí)也不是隨意的，而是需要對(duì)其加以深入分析，進(jìn)而科學(xué)合理給予選擇。被控參數(shù)在選擇時(shí)應(yīng)堅(jiān)持以下幾方面原則：首先，不能將直接參數(shù)作為被控參數(shù)，可選擇與直接參數(shù)相關(guān)的間接參數(shù)為被控參數(shù)；其次，被控參數(shù)的選取，還應(yīng)符合工藝過程所用儀表的性能；再次，選擇產(chǎn)品的質(zhì)量、安全生產(chǎn)及其產(chǎn)量有決定性作用的參數(shù)，將其作為被控參數(shù)；最后，所選取的被控參數(shù)應(yīng)擁有相當(dāng)高的靈敏度。被控參數(shù)只有滿足以上幾點(diǎn)內(nèi)容，才能很好地發(fā)揮其控制效果。

對(duì)于PID最后參數(shù)的選擇應(yīng)包括[TD、][Kc]及其[TI]幾方面的控制參數(shù)，并且能夠準(zhǔn)確地確定最佳整定參數(shù)。就當(dāng)前來看，要想在實(shí)際的生產(chǎn)中找到相應(yīng)的參數(shù)，其整定法應(yīng)在長(zhǎng)期的工作中得到應(yīng)用。并從各種控制規(guī)律上，對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量影響給予相應(yīng)分析。通過這種分析得到一種更為有效及其廣泛應(yīng)用的整定方法。這就要求在現(xiàn)場(chǎng)整定中，應(yīng)按照比例控制、積分控制，最后微分控制的方式給予進(jìn)行，對(duì)PV的趨勢(shì)值給予詳細(xì)分析，對(duì)PID參數(shù)給予改變，對(duì)其給予反復(fù)測(cè)試，最終符合其要求。從具體的整定方案中，應(yīng)對(duì)微分項(xiàng)及積分項(xiàng)給予關(guān)閉，并可將[TI]項(xiàng)設(shè)置為最大。當(dāng)[TD]項(xiàng)設(shè)置為0時(shí)，使整個(gè)比例調(diào)節(jié)給予完整化。在初期比例度調(diào)整時(shí)，應(yīng)根據(jù)PV 曲線，對(duì)比例控制度給予相應(yīng)調(diào)節(jié)，然后給予加積分的作用。當(dāng)然，在加積分之前，還應(yīng)將比例度上調(diào)到原來的1.2倍以上。通過將積分時(shí)間[TI]由大到小的調(diào)整，進(jìn)而使得系統(tǒng)再次升級(jí)。

4 結(jié) 語

總而言之，伴隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)水平也日益得到提高。PID技術(shù)憑借著自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性及穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。本文重點(diǎn)分析了PID控制規(guī)律特點(diǎn)及其被控參數(shù)、最后參數(shù)的選定，從選取中發(fā)現(xiàn)，PID自動(dòng)控制技術(shù)有著較大的作用。在今后的發(fā)展過程中，應(yīng)不斷發(fā)展PID技術(shù)，逐漸縮短我國(guó)與國(guó)外的差距，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

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