化工生產中PID參數整定方法淺析

張健

摘 要：文章對化工生產領域中的PID控制原理進行了詳細介紹，對PID參數對控制性能的影響進行了詳細解析，并就實際生產過程中參數整定方法進行了詳細介紹與分析。

關鍵詞：控制；PID參數；整定方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.031

PID控制是化工生產領域中應用最廣泛、控制效果最好的控制方案，深入理解并掌握控制系統的組成及PID控制參數對控制性能的影響對從事化工生產行業有重要意義，對PID控制參數進行科學合理的整定則是控制系統設計及投用的重要工作環節，將控制參數整定在恰當的數值上，對生產過程的安全、產品質量、能源消耗及現場儀表性能開發有重大積極意義。

1 控制系統組成及PID控制

1.1 控制系統組成

最簡單的控制系統的組成是指由一個被控對象、一個檢測元件及傳感器（或變送器）、一個調節器和一個執行器所構成的單閉環控制系統，也稱單回路控制系統。單回路控制系統在所有反饋控制系統中是最簡單、最基本的一種，因此也是在化工生產中使用最廣泛的控制系統。

1.2 PID控制

PID控制是控制系統中最基本的控制單元，表示比例-積分-微分控制，即將控制器反饋后得到的誤差信號分別進行比例、積分、微分運算后再疊加得到控制器的輸出信號。在標準的PID計算公式中，Kp為控制器增益，與控制器比例度P成倒數關系；Ti為積分時間，對輸入偏差進行積分計算；Td為微分時間，對輸入偏差進行微分計算。

2 PID參數對控制性能的影響

2.1 比例增益Kp

比例控制的控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。比例增益Kp值越大，比例作用越大，可以加快調節速度，減少誤差，但過大的比例增益Kp，會使系統穩定性下降。

2.2 積分時間Ti

積分控制的控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成比例關系。引入積分作用的目的是消除穩態誤差，積分時間Ti數值越小積分作用越強。Ti數值越大積分作用越弱。控制器中加入積分調節使系統穩定性下降，動態響應變慢。

2.3 微分時間Td

微分控制的控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（誤差變化率）成正比關系。微分時間Td數值越大，微分作用越強，可以減少超調，減少調節時間，但同時對噪聲干擾有放大作用，過大的Td數值對系統抗干擾不利。微分作用不能單獨使用，必須PD或PID控制。

3 PID參數整定方法

PID參數整定的方法有很多，本文主要介紹經驗湊試法、臨界比例度法、衰減振蕩法三種實際應用廣泛的方法。

3.1 經驗湊試法

經驗湊試法是根據經驗及對工藝的熟悉，先預設控制參數在一定數值上，參考測量值跟蹤與設定值曲線，調整P、I、D參數的大小。PID控制器參數的整定（以橫河CS3000系統為例），對于溫度控制對象，P=20～60%，Ti=180～600s，Td=3～180s；對于壓力控制對象，P=30～70%，Ti=24～180s；對于液位控制對象，P=20～80%，Ti=60～300s；對于流量控制對象，P=40～100%，Ti=6～60s。

在湊試時，可參考以上參數對系統控制過程的影響趨勢，對參數調整實行先比例、后積分，再微分的整定步驟。首先整定比例部分。將比例增益由小變大，并觀察相應的系統響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。

如果在比例調節的基礎上系統的靜差不能滿足設計要求，則必須加入積分環節。在整定時先將積分時間設定到一個比較大的值，然后將已經調節好的比例系數略為縮小，然后減小積分時間，使得系統在保持良好動態性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據系統的響應曲線的好壞反復改變比例系數和積分時間，以期得到滿意的控制過程和整定參數。

3.2 臨界比例度法

臨界比例閥是在整定時首先將控制器的積分和微分作用除去，即積分時間放最大，微分時間放到零，只使用控制器的比例作用。按照比例增益Kp數值由小到大的變化規律，對應于某一Kp值做小幅度的設定值階躍干擾，并觀察由此引起的測量值振蕩情況。如果測量值振蕩為衰減趨勢，則應將比例增益增大，如果測量值振蕩為發散趨勢，則應將比例增益減小，將此過程連續重復，直到所得測量值為臨界情況下的等幅振蕩。此時可獲得臨界振蕩周期Tk（峰-峰）和控制器臨界比例增益Kpb。對于純比例控制器Kp=0.5Kpb；對于比例積分控制器Kp=0.45Kpb，Ti=0.83Tk；對于比例積分微分控制器Kp=0.5Kpb，Ti=0.5Tk，Td=0.12Tk。

3.3 衰減振蕩法

在一些不允許或無法得到等幅振蕩的情況下，參數整定可以采用衰減振蕩法。衰減振蕩法通過系統產生衰減振蕩從而達到整定控制參數的目的，兩者的唯一區別在于衰減振蕩法以在純比例控制下獲取4：1振蕩曲線為參數整定的依據。整定過程中，記錄下出現4：1衰減比時的比例增益Kpb，并從振蕩曲線上得出衰減周期Tk（在4：1曲線中的峰-峰時間）。對于純比例控制器Kp=Kpb；對于比例積分控制器Kp=0.83Kpb，Ti=0.5Tk；對于比例積分微分控制器Kp=1.25Kpb，Ti=0.3Tk，Td=0.1Tk。

3.4 PID參數整定四原則

在PID參數整定過程中，有以下四項原則需遵守。首先，不同廠家的DCS系統PID默認控制計算方法不同，在使用參數整定方法之前，需了解系統自帶PID控制計算方法，然后才能正確使用整定方法，得到良好整定效果。第二，沒有任何一種PID參數算法適合于所有回路，使用前也需要對控制回路的特點進行了解。第三，隨著現場定位器和調節閥的狀態的改變，PID參數也需要及時調整，因此PID參數整定工作日常性、持續性的工作。最后，做參數整定時，要在保證安全的情況下選取工藝穩定的情況下做測試。

4 結束語

對PID控制的理解與對參數整定方法的掌握，有助于工藝及儀表人員在生產條件變化的情況下及時調整控制參數，對生產的安全穩定具有重要意義。

參考文獻：

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