李 毅

（昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051）

引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，自動(dòng)化已經(jīng)由古典控制發(fā)展為現(xiàn)代智能控制，具備較為健全的理論及應(yīng)用體系。自動(dòng)控制系統(tǒng)包含開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)，基于PID 控制技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)控制，將控制水平全面提升。

1 控制技術(shù)概述

1.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指一個(gè)輸出只受系統(tǒng)輸入控制的沒(méi)有反饋回路的系統(tǒng)。與閉環(huán)控制相比，該系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，并且經(jīng)濟(jì)性也較為良好。比如，一般排水泵電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、單驅(qū)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行等就是較為常見(jiàn)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。

1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)是將被控制量送回到控制器，構(gòu)成一個(gè)或者是多個(gè)閉環(huán)。反饋信號(hào)和給定值信號(hào)的極性相同，則為正反饋，反之則是負(fù)反饋。大多數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)都運(yùn)用的是負(fù)反饋，因而也被叫做負(fù)反饋控制系統(tǒng)。人體就是典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛、鼻子、耳朵、皮膚均為傳感器，大腦就是控制器，獲得的感知用于反饋，大腦進(jìn)行判斷后指揮軀體進(jìn)行準(zhǔn)確的動(dòng)作，倘若失明了，就缺少了圖像反饋回路，視覺(jué)這一環(huán)變?yōu)榱碎_(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。對(duì)煤礦來(lái)說(shuō)，智能化排水系統(tǒng)、智能化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)、多機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)、選煤廠浮選控制系統(tǒng)和重介旋流系統(tǒng)等都屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)。相比于開(kāi)環(huán)控制，閉環(huán)控制具備較高的控制效果及精度，但其成本也相對(duì)較高。

在有一定要求的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，閉環(huán)控制被廣泛使用，但一個(gè)完美的閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，甚至使用大型計(jì)算機(jī)仿真才能取得比較好的效果，比如天氣預(yù)報(bào)，目前由于技術(shù)的發(fā)展，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度和精度都已經(jīng)非常高。但對(duì)于一般工業(yè)控制系統(tǒng)（如選煤廠浮選參數(shù)控制、重介旋流參數(shù)控制以及多機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的力矩平衡等），要建立精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，投資大、性價(jià)比極低，因此，通常采用PID 調(diào)節(jié)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 PID 技術(shù)原理與特點(diǎn)

在自動(dòng)控制中，因諸多外界因素影響，會(huì)導(dǎo)致一些產(chǎn)品控制參數(shù)有一定的變化。想要確保產(chǎn)品質(zhì)量，應(yīng)把產(chǎn)品數(shù)據(jù)傳輸至PID 控制器，并展開(kāi)計(jì)算，對(duì)數(shù)據(jù)變量加以調(diào)節(jié)，確保其控制參數(shù)能夠符合相關(guān)設(shè)定，確保產(chǎn)品合規(guī)。PID 控制器有三種調(diào)節(jié)方法，分別是比例（P）控制、積分（I）控制和微分（D）控制，如圖1所示。

在比例控制、積分控制以及微分控制之中，輸入誤差和輸出誤差為正比關(guān)系。在這些控制方法中，比例控制最簡(jiǎn)單，但無(wú)法避免控制系統(tǒng)積累的穩(wěn)態(tài)誤差，想要消除影響，須在控制器內(nèi)加入“積分項(xiàng)”，如果時(shí)間持續(xù)增加，積分項(xiàng)也會(huì)增加。受時(shí)間因素影響，增大控制器實(shí)際輸出，將縮減誤差[1]。恰當(dāng)設(shè)置比例及積分參數(shù)，可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

自動(dòng)控制系統(tǒng)在對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行快速跟蹤時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，控制不好甚至?xí)a(chǎn)生失穩(wěn)，即振蕩，使系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。因而應(yīng)提前對(duì)誤差變化加以抑制，這就是微分控制。在誤差接近零的時(shí)候，減少甚至取消抑制作用，也就是說(shuō)，必須有效確定比例、積分及微分控制參數(shù)，方能將系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化[2]。

3 PID 算法

PID 控制器被廣泛運(yùn)用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)，PID算法中的計(jì)算過(guò)程與輸出值存在一定的函數(shù)關(guān)系，通常情況下，PID 算法公式為：

式中：TD為微分項(xiàng)比例函數(shù)；Minitial 為PID 回路輸出的初始值；Kc為PID 回路的增益；e 為偏差；M（t）為時(shí)間函數(shù)。

4 P、I、D 在PID 控制技術(shù)中的選擇以及運(yùn)用

在PID 控制技術(shù)中選擇運(yùn)用P、I、D 時(shí)，應(yīng)注重比例、比例積分以及比例積分微分方面控制規(guī)律的運(yùn)用。

4.1 比例控制規(guī)律

對(duì)于快速擾動(dòng)因素的消除，比例控制規(guī)律具備良好效果?；诖艘?guī)律控制，能夠迅速響應(yīng)并且輸出控制參數(shù)值，然而在控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，該數(shù)值難以保持相對(duì)穩(wěn)定的理想狀態(tài)。結(jié)合規(guī)律特征綜合分析，該規(guī)律有局限性，在對(duì)干擾因素造成的影響加以消除時(shí)，控制系統(tǒng)也會(huì)將對(duì)應(yīng)的余差值輸出，該余差值將會(huì)影響運(yùn)用控制技術(shù)的效果，進(jìn)而降低了控制系統(tǒng)的精度?；诖?，比例控制規(guī)律通?？梢杂迷诳刂埔筝^低、具備滯后性的控制通道等特點(diǎn)的工業(yè)自動(dòng)控制之中，通常情況下能夠允許余差值的存在，PID 控制微分方程為：

式中：u（t）為控制器的輸出值；Kp為比例控制系數(shù)；e（t）為控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差；Td為微分時(shí)間常數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)。

4.2 比例積分控制規(guī)律

與比例控制規(guī)律相比，在一定程度上，比例積分控制規(guī)律能夠?qū)⑾到y(tǒng)參數(shù)變化產(chǎn)生的余差有效消除，因而該規(guī)律具有更加廣泛的運(yùn)用范圍。在PID 控制技術(shù)中，也具備最高的運(yùn)用頻率?；诃h(huán)境適應(yīng)視角，該規(guī)律可以用于生產(chǎn)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生明顯容量變化、具備滯后性控制通道，然而被控參數(shù)不可在參數(shù)余差的環(huán)境中存在[3]。

4.3 比例微分控制規(guī)律

該規(guī)律可以用在容量滯后或者是具備較大時(shí)間常數(shù)的控制通道，通過(guò)在控制中引入微分，可以將系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)全面提升上去。除此之外，該規(guī)律還可以降低動(dòng)態(tài)偏差以及提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4.4 比例積分微分控制規(guī)律

該規(guī)律是在比例微分控制規(guī)律上，進(jìn)一步添加積分控制條件以及參數(shù)，不僅能夠?qū)?shù)余差有效去除，還可以全面提升系統(tǒng)運(yùn)行效能。在具體加工環(huán)節(jié)，具有鮮明的提升效果?；诃h(huán)境適應(yīng)層面，該規(guī)律對(duì)于加工環(huán)境有著較高的要求，具備相對(duì)較好的適應(yīng)性，參數(shù)計(jì)算以及選擇的公式為：

式中：G（s）為傳遞函數(shù)；Ti為微分時(shí)間常數(shù)；Kp為比例系數(shù)。

5 PID 被控參數(shù)的選定

被控參數(shù)的選定對(duì)于控制方案制定至關(guān)重要，與工業(yè)企業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量也息息相關(guān)。在自動(dòng)控制中，無(wú)論選擇何種檢測(cè)控制設(shè)備以及控制系統(tǒng)，如果不能確保被控參數(shù)的正確性，都將難以實(shí)現(xiàn)控制方案中預(yù)期的控制效果。諸多因素都會(huì)影響控制參數(shù)值變化，并非全部影響因素都要加以控制，精確選擇被控參數(shù)，就能確?？刂菩Ч己?。在選擇過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程、工藝等方面加以全面考慮，挖掘出對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)量、質(zhì)量以及安全有決定性作用，并可以展示出良好生產(chǎn)狀態(tài)的相關(guān)參數(shù)。在運(yùn)用環(huán)節(jié)，PID 參數(shù)并不具備唯一性，然而也并非任意性的，應(yīng)全面透徹分析生產(chǎn)工藝的特殊性，進(jìn)而將正確參數(shù)確定下來(lái)[4]。

在被控參數(shù)選取過(guò)程中，應(yīng)秉持以下原則。一是在選擇環(huán)節(jié)，選取的參數(shù)應(yīng)對(duì)產(chǎn)品安全、質(zhì)量以及產(chǎn)量具備決定性作用，同時(shí)，還應(yīng)確保能夠直接進(jìn)行測(cè)量。二是在選擇環(huán)節(jié)，難以把直接參數(shù)用作被動(dòng)參數(shù)時(shí)，技術(shù)人員可以選取和直接參數(shù)存在線性單值函數(shù)關(guān)系的參數(shù)為被控參數(shù)。三是要確保被動(dòng)參數(shù)靈敏度較高。四是在選擇時(shí)，應(yīng)全面分析儀表性能以及生產(chǎn)工藝等各個(gè)方面[5]。

6 PID 調(diào)節(jié)參數(shù)給自動(dòng)控制帶來(lái)的影響

由于PID 控制器具備多種調(diào)節(jié)方式，每種方法給生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)的影響也并不相同。對(duì)于比例調(diào)節(jié)而言，調(diào)節(jié)比例提高也會(huì)導(dǎo)致曲線變化逐漸趨于緩慢，也就是意味著調(diào)節(jié)作用在不斷降低，其振蕩周期越長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致衰減更嚴(yán)重，如果比例調(diào)節(jié)只用純比例作用，在系統(tǒng)穩(wěn)定后會(huì)導(dǎo)致余差相對(duì)較大。與之相反，比例值相對(duì)較小，具備較短的振蕩周期，曲線波動(dòng)大，衰減也會(huì)逐漸減小。

對(duì)于積分調(diào)節(jié)而言，積分時(shí)間有著關(guān)鍵性作用，積分時(shí)間與積分作用呈現(xiàn)反比關(guān)系。也就是積分時(shí)間長(zhǎng)，積分作用就弱。積分時(shí)間短，就具備越強(qiáng)的積分作用，曲線也會(huì)振蕩得更強(qiáng)烈，振蕩周期反而會(huì)縮減。然而如果積分時(shí)間過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致曲線振蕩過(guò)于劇烈，系統(tǒng)操作缺少穩(wěn)定性，如果將積分時(shí)間無(wú)限延長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)器僅僅存在比例調(diào)節(jié)的功能[6]。

對(duì)于微分調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)，微分時(shí)間具有決定性的作用，微分時(shí)間長(zhǎng)，就具備較強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用，振蕩會(huì)逐漸變得弱，周期也會(huì)逐漸縮短，然而如果微分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致振幅過(guò)大，進(jìn)而對(duì)調(diào)節(jié)作用產(chǎn)生影響。

在工業(yè)自動(dòng)控制中并非全部的控制系統(tǒng)都要用調(diào)節(jié)方式，在一些情況之下，一兩種能夠達(dá)到工藝要求即可。根據(jù)上述各調(diào)節(jié)方法帶來(lái)的影響可知，如果不用比例調(diào)節(jié)，應(yīng)將PID 回路增益設(shè)置成零。無(wú)需積分調(diào)節(jié)，可以將積分時(shí)間設(shè)定成無(wú)窮大。如果不用微分調(diào)節(jié)，應(yīng)將微分時(shí)間調(diào)整為零[7]。

7 設(shè)定PID 最后參數(shù)

想要確保PID 能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的調(diào)節(jié)作用，應(yīng)確保積分時(shí)間、微分時(shí)間以及PID 回力增益設(shè)定的最佳性。想要在生產(chǎn)環(huán)節(jié)將這些參數(shù)最佳值挖掘出來(lái)，可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)整定法。現(xiàn)階段，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法應(yīng)用范圍廣泛，按照比例、積分以及微分調(diào)節(jié)順利展開(kāi)整體調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)的時(shí)候，應(yīng)對(duì)曲線變化情況加以觀察，并對(duì)參數(shù)取值加以更改，直到使得產(chǎn)品質(zhì)量與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相符。

機(jī)體調(diào)節(jié)是先將微分調(diào)節(jié)與積分調(diào)節(jié)關(guān)閉，即：將微分時(shí)間調(diào)整為零，且積分時(shí)間設(shè)定為無(wú)窮大。在比例參數(shù)運(yùn)用的過(guò)程中，應(yīng)先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定，再結(jié)合變量值具體的曲線變化，明確控制比例程度，直到變量值成為之前的時(shí)，再將積分比例調(diào)節(jié)添加進(jìn)去。在添加前需要把比例值調(diào)整成原來(lái)的1.2 倍，再調(diào)節(jié)積分時(shí)間，積分時(shí)間值會(huì)逐漸減小，在衰減過(guò)程變量值是之前的時(shí)，將微分調(diào)節(jié)加入。應(yīng)將微分時(shí)間初始值設(shè)置為積分時(shí)間的，根據(jù)控制比例將其調(diào)整回原本的數(shù)值，再調(diào)節(jié)微分時(shí)間，其數(shù)值會(huì)逐漸增大，直到曲線為滿意值即可。

8 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的迅猛發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的水平也在不斷提高。PID 控制技術(shù)具備諸多優(yōu)勢(shì)，如穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性高以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)之中。在運(yùn)用控制系統(tǒng)的過(guò)程中，應(yīng)全面了解PID 技術(shù)的特點(diǎn)以及工作原理等相關(guān)內(nèi)容，注重相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，進(jìn)而將PID 控制技術(shù)的價(jià)值充分發(fā)揮出來(lái)。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)PID 控制的運(yùn)用以及推廣力度，提高工業(yè)自動(dòng)控制的水平，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)久穩(wěn)定發(fā)展。