PID控制技術在工業自動控制中的應用研究

摘 要：近年來，隨著我國工業過程自動化發展水平的逐步提高，PID總線的技術水平似乎已開始成為衡量我國各相關行業技術現代化水平的主要判斷標準，其相關控制的理論內容也逐漸經歷了從經典工業控制技術理論到現代控制理論和現代智能生產控制理論的演變。目前，國內外市場上已經出現了一批基于PID控制的工業自動化儀表產品、控制器和工業智能控制器儀表產品，并在實踐中得到了廣泛的技術應用。本文介紹種PID的工作原理，分析了PID 控制技術在工業自動控制中的應用。

關鍵詞：PID;控制技術;工業自動控制;應用

在機械工業自動化的許多生產加工環節工程中，自動測控技術有著非常廣泛的技術應用、經濟價值空間和影響。它是一種非常先進和有價值的高科技生產力，在一定程度上提高和發展了當代中國企業技術裝備的現代制造水平。在現代工業自動化控制系統的發展中，PID自動過程控制技術的綜合應用開發將顯得尤為重要，并且成為重要的核心技術之一。目前其在我國的綜合應用已較為成熟和普遍，相信未來可能具有更大的綜合應用潛力和推廣利用價值。

一、PID工作的原理

在各種工業自動化控制系統產品中，PID控制技術的綜合應用是一個非常重要的部分，它往往是我們保持控制系統良好運行和穩定的核心關鍵。它具有一定獨特的結構和工作原理，自然需要更多的專業人員在達到一定的專業水平后才能全面掌握，從而使我們對該技術有更深入的了解，且在工程應用開發中效果更好、更方便。其主要設計原則之一是合理協調受控工作對象的各個方面，如各種數據和組織結構，以滿足人們實際工作的客觀需要。這種控制技術通常被稱為調節器或控制器，它的主要應用是在一些實際工程項目中的比例和微分控制，常規PID控制系統原理框圖如圖所示（圖1）。PID回路是需要操作人員用量具和控制旋鈕進行的工作，操作者會用量具測系統輸出的結果，然后用控制旋鈕來調整這個系統的輸入;直到系統的輸出在量具上顯示穩定的需求的結果，在舊的控制文檔里，這個過程叫做“復位”行為，量具被稱為“測量”，需要的結果被稱為“設定值”而設定值和測量之間的差別被稱為“誤差”。 一個控制回路包括三個部分：1、系統的傳感器得到的測量結果;2、控制器作出決定;3、通過一個輸出設備來作出反應，控制器從傳感器得到測量結果，然后用需求結果減去測量結果來得到誤差，再用誤差來計算出一個對系統的糾正值來作為輸入結果，這樣系統就可以從它的輸出結果中消除誤差。在一個PID回路中，糾正值的方法有：消除目前的誤差、平均過去的誤差、和透過誤差的改變來預測將來的誤差這三種。

二、選定 PID 被控參數

受控系統參數的選擇也是正確設計企業控制產品方案和控制系統開發過程設計的一個非常重要的部分。只有深入了解和分析實際生產過程中存在的各種特殊現象，才能合理選擇最正確、最實用的最佳設計PID參數。各種常用的PID生產控制裝置的參數選擇最常用的參考原則總結如下：第一，在產品選擇和制造過程的設計中，有必要注意可用于確定輸出的各種控制參數的選擇，產品的質量、安全和生產環境。同時，還要求具有這些關鍵參數的產品具有直接控制和測量操作的特性。第二，如果工程師和技術人員以前在直接參數轉換選擇方法的設計和驗證過程中經過多次驗證，但他們不能完整、準確地選擇將一個受控直接參數直接轉換為直接受控間接控制參數的問題，技術人員會認為在這個時候，我們可以直接選擇轉換另一個間接控制的間接控制參數，該參數只需要與直接控制的直接參數或單值函數之間的對應或映射關系具有線性關系，就可以直接用作控制PID。第三，當PID直接測量受控系統的參數時，首先必須考慮儀器的靈敏度，以獲得足夠或高精度的測量。第四，在測量儀器的設計選型和制造安裝過程的工作設計中，必須充分考慮設計、生產目的和設計過程中考慮的一些工藝合理性問題。以及儀器的性能要求和測量儀器產品的一般用途。

三、選擇控制器 P、I、D 項

當人們需要在特定的現場操作過程中進行各種控制過程活動時，確定目標并正確選擇適當的、適當的，合理有效地控制各種現場過程控制參數組合或各種過程參數控制過程參數組合等方法，將更好地滿足控制過程中，各種具體現場操作過程的實際需要。

3.1比例控制規律（P）

比例控制律（P）的一個重要優點是它可以在短時間內完全克服其他一些外部因素及其對整個過程的影響。其控制功能通常比控制輸出快，然而，在任何理想范圍內，通常不可能實現良好程度的穩定運行。比例控制律（P）也會對性能產生其他不利影響，即控制系統在有效克服干擾和影響參數的同時會產生殘余誤差，其也不適合被應用于某些控制信號通道的滯后量較大、負荷值變化率較大、控制參數要求達到較高以及一些允許受控的參數有余差的場合。

3.2比例積分控制規律（PI）

比例積分控制律（PI）實際上是指中國自動裝配線生產和現代自動化工業過程的控制技術理論。目前認為，應用研究的范圍也是最成熟、最深入、應用最廣泛、最有效的，是比例積分控制的另一個基本通則，它還可以確保在一定比例的基礎上同時消除所有殘余誤差，但它也有其主要缺點：比例控制的一般規律（P）的原理完全相同。相比之下，它只能應用于控制通道較小、負載變化系數相對較小的工作場所。

3.3比例微分控制規律（PD）

比例微分控制通道規律模型（PD）是比較普遍適用于對系統容量滯后量較大的或對時間常數偏差值較大的系統中的一個控制通道， 從比例微分項可以提前建立并實際滿足的前提出發，在系統中引入比例微分律模型并有效參與其動態優化控制后，能夠在很短的時間內保證有效性，促進整個控制系統動態性能指標效率水平的提高。比例微分動態控制律（PD）的研究方法也表明，它可以直接提高整個動態控制系統的總體穩定性，控制性能質量的快速和持續全面改善，以及影響動態系統和系統偏差的因素在短時間內逐漸和持續全面減少。

3.4比例積分微分控制規律（PID）

與上述三種基本控制律相比，比例積分微分控制律（PID）理論實際上應該是另一種結構相對成熟、簡單、理想、實用、方便的基本控制律，應確保系統能有效保證系統給定比例值的相對穩定性，并以適當的方式引入比例積分，以實現并最終消除系統剩余問題的兩個基本技術目標，同時，還應考慮添加其他能夠顯著提高整個受控系統穩定性和效率的比例微分函數。例如，積分微分控制律（PID）比較法特別適用于控制通道時間常數大或某些控制周期容量延遲大、控制過程質量要求系數高的典型工作場合控制，作為大量的溫度控制過程分析，在各種工業過程中實現自動化和生產線的自動運行。

四、PID調節參數對自動控制過程造成的影響

在企業的整個生產經營環節體系中，新技術的應用將是必然的基本要求，能夠有效地促進企業工作效率和經營質量的提高，促進整體經濟收入的有效增長。因此，PID在工業自動化控制系統中的應用變得越來越關鍵和重要。在各個生產活動環節的自動控制和運行過程中，自動調節技術在PID控制技術中的作用開始顯現，對整個企業的整體安全生產過程運行產生越來越重要和深遠的影響。實際上，它的調節和控制功能主要體現在自動控制和調節其比例的過程曲線上。而對于自動比例控制和調整的過程曲線，一旦比例值的偏差度過小，振蕩周期的周期時間長度可能會相對較短，曲線形狀的波動會更加明顯，衰減幅度的比較將在相對狹窄的方向上緩慢變化。就積分曲線系統的調節作用而言，積分時間段將特別重要。隨著系統曲線積分時間段的逐漸和持續延長，積分效應將逐漸減弱。在現代工業設計和自動控制設備控制及自動化過程控制系統的設計和應用中，中介控制應用模式通常不會實現每種選型的最后一次選型應用，這主要與企業的實際工作條件和經營條件的變化有關。應注意的是，應根據設備的實際工作和應用情況，盡可能考慮技術模式的選擇。只有真正選擇合適的、自行設計的應用條件設備，控制效果真正達到標準，各企業才能更充分地選擇各種自動化設備調控系統應用后的技術模式，最終結果通常在這兩種技術方法的范圍內。在使用該技術后，通過參數之間的微小變化和尺寸比較可以清楚地看到，調整參數的過程中需要遵循一定的數值規律，當用積分法無法調整和改變參數時，積分時間的設定值將是無限的;當不采用差動技術調整和改變參數時，差動時間的初始設定值只能變為零;此時，如果生產環節沒有比例調節控制，PID的回路增益值可以自動設置為零。通過這些控制律，人們自然會實現對控制目標參數的最終精確比例控制，當然，人們可以利用這些PID來控制和調整目標參數，從而減少對控制參數自動調整實施的影響，這將更有利于在企業生產的各個環節進行更有效、合理、有效的過程控制，幫助企業人員進一步加快企業生產的階段性速度，實現更經濟意義上的更好的創收。

五、結束語

綜合上述，要真正實現工業自動化控制系統的完美運行，就要重視PID技術的實際應用。這種控制技術有其獨特的內部工作原理。只有運用這些技術原理，才能全面優化和控制各種生產活動。盡管這些創新技術在現階段還遠未普及，但它們仍具有巨大的實際應用技術價值空間和學術推廣技術價值潛力。對相關科研開發人員來說，要加大對該技術本身的改進和開發力度，使其更適合當前人類科技生產過程的實際需要，為國內企業創造一定的經濟效益，加快整個中國經濟的現代工業化建設和進程。

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作者簡介：

劉曦（1998），男，湖北孝感人，本科研究方向：自動化。