基于PID 控制技術的工業(yè)自動控制研究

李 毅

（昆明煤炭設計研究院有限公司，云南 昆明 650051）

引言

隨著科技的不斷進步，自動化已經由古典控制發(fā)展為現代智能控制，具備較為健全的理論及應用體系。自動控制系統(tǒng)包含開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)，基于PID 控制技術的工業(yè)自動控制，將控制水平全面提升。

1 控制技術概述

1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)是指一個輸出只受系統(tǒng)輸入控制的沒有反饋回路的系統(tǒng)。與閉環(huán)控制相比，該系統(tǒng)較為簡單，并且經濟性也較為良好。比如，一般排水泵電動機的啟動、單驅帶式輸送機的運行等就是較為常見開環(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，構成一個或者是多個閉環(huán)。反饋信號和給定值信號的極性相同，則為正反饋，反之則是負反饋。大多數閉環(huán)控制系統(tǒng)都運用的是負反饋，因而也被叫做負反饋控制系統(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，大腦進行判斷后指揮軀體進行準確的動作，倘若失明了，就缺少了圖像反饋回路，視覺這一環(huán)變?yōu)榱碎_環(huán)控制系統(tǒng)。對煤礦來說，智能化排水系統(tǒng)、智能化帶式輸送機系統(tǒng)、多機驅動帶式輸送機、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，但其成本也相對較高。

在有一定要求的自動控制系統(tǒng)中，閉環(huán)控制被廣泛使用，但一個完美的閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要建立復雜的數學模型，甚至使用大型計算機仿真才能取得比較好的效果，比如天氣預報，目前由于技術的發(fā)展，預報準確度和精度都已經非常高。但對于一般工業(yè)控制系統(tǒng)（如選煤廠浮選參數控制、重介旋流參數控制以及多機驅動帶式輸送機的力矩平衡等），要建立精準數學模型，投資大、性價比極低，因此，通常采用PID 調節(jié)控制技術來實現。

2 PID 技術原理與特點

在自動控制中，因諸多外界因素影響，會導致一些產品控制參數有一定的變化。想要確保產品質量，應把產品數據傳輸至PID 控制器，并展開計算，對數據變量加以調節(jié)，確保其控制參數能夠符合相關設定，確保產品合規(guī)。PID 控制器有三種調節(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系。在這些控制方法中，比例控制最簡單，但無法避免控制系統(tǒng)積累的穩(wěn)態(tài)誤差，想要消除影響，須在控制器內加入“積分項”，如果時間持續(xù)增加，積分項也會增加。受時間因素影響，增大控制器實際輸出，將縮減誤差[1]。恰當設置比例及積分參數，可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

自動控制系統(tǒng)在對穩(wěn)態(tài)誤差進行快速跟蹤時會出現過沖現象，控制不好甚至會產生失穩(wěn)，即振蕩，使系統(tǒng)不能正常運行。因而應提前對誤差變化加以抑制，這就是微分控制。在誤差接近零的時候，減少甚至取消抑制作用，也就是說，必須有效確定比例、積分及微分控制參數，方能將系統(tǒng)動態(tài)特性優(yōu)化[2]。

3 PID 算法

PID 控制器被廣泛運用于自動化控制系統(tǒng)，PID算法中的計算過程與輸出值存在一定的函數關系，通常情況下，PID 算法公式為：

式中：TD為微分項比例函數；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）為時間函數。

4 P、I、D 在PID 控制技術中的選擇以及運用

在PID 控制技術中選擇運用P、I、D 時，應注重比例、比例積分以及比例積分微分方面控制規(guī)律的運用。

4.1 比例控制規(guī)律

對于快速擾動因素的消除，比例控制規(guī)律具備良好效果。基于此規(guī)律控制，能夠迅速響應并且輸出控制參數值，然而在控制系統(tǒng)運行過程中，該數值難以保持相對穩(wěn)定的理想狀態(tài)。結合規(guī)律特征綜合分析，該規(guī)律有局限性，在對干擾因素造成的影響加以消除時，控制系統(tǒng)也會將對應的余差值輸出，該余差值將會影響運用控制技術的效果，進而降低了控制系統(tǒng)的精度。基于此，比例控制規(guī)律通常可以用在控制要求較低、具備滯后性的控制通道等特點的工業(yè)自動控制之中，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；e（t）為控制器輸入與設定值之間的誤差；Td為微分時間常數；Ti為積分時間常數。

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)律能夠將系統(tǒng)參數變化產生的余差有效消除，因而該規(guī)律具有更加廣泛的運用范圍。在PID 控制技術中，也具備最高的運用頻率。基于環(huán)境適應視角，該規(guī)律可以用于生產過程不會產生明顯容量變化、具備滯后性控制通道，然而被控參數不可在參數余差的環(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間常數的控制通道，通過在控制中引入微分，可以將系統(tǒng)的動態(tài)性能指標全面提升上去。除此之外，該規(guī)律還可以降低動態(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，進一步添加積分控制條件以及參數，不僅能夠將參數余差有效去除，還可以全面提升系統(tǒng)運行效能。在具體加工環(huán)節(jié)，具有鮮明的提升效果。基于環(huán)境適應層面，該規(guī)律對于加工環(huán)境有著較高的要求，具備相對較好的適應性，參數計算以及選擇的公式為：

式中：G（s）為傳遞函數；Ti為微分時間常數；Kp為比例系數。

5 PID 被控參數的選定

被控參數的選定對于控制方案制定至關重要，與工業(yè)企業(yè)穩(wěn)定生產、提高產品質量與產量也息息相關。在自動控制中，無論選擇何種檢測控制設備以及控制系統(tǒng)，如果不能確保被控參數的正確性，都將難以實現控制方案中預期的控制效果。諸多因素都會影響控制參數值變化，并非全部影響因素都要加以控制，精確選擇被控參數，就能確保控制效果良好。在選擇過程中，技術人員應對生產過程、工藝等方面加以全面考慮，挖掘出對生產產量、質量以及安全有決定性作用，并可以展示出良好生產狀態(tài)的相關參數。在運用環(huán)節(jié)，PID 參數并不具備唯一性，然而也并非任意性的，應全面透徹分析生產工藝的特殊性，進而將正確參數確定下來[4]。

在被控參數選取過程中，應秉持以下原則。一是在選擇環(huán)節(jié)，選取的參數應對產品安全、質量以及產量具備決定性作用，同時，還應確保能夠直接進行測量。二是在選擇環(huán)節(jié)，難以把直接參數用作被動參數時，技術人員可以選取和直接參數存在線性單值函數關系的參數為被控參數。三是要確保被動參數靈敏度較高。四是在選擇時，應全面分析儀表性能以及生產工藝等各個方面[5]。

6 PID 調節(jié)參數給自動控制帶來的影響

由于PID 控制器具備多種調節(jié)方式，每種方法給生產過程帶來的影響也并不相同。對于比例調節(jié)而言，調節(jié)比例提高也會導致曲線變化逐漸趨于緩慢，也就是意味著調節(jié)作用在不斷降低，其振蕩周期越長也會導致衰減更嚴重，如果比例調節(jié)只用純比例作用，在系統(tǒng)穩(wěn)定后會導致余差相對較大。與之相反，比例值相對較小，具備較短的振蕩周期，曲線波動大，衰減也會逐漸減小。

對于積分調節(jié)而言，積分時間有著關鍵性作用，積分時間與積分作用呈現反比關系。也就是積分時間長，積分作用就弱。積分時間短，就具備越強的積分作用，曲線也會振蕩得更強烈，振蕩周期反而會縮減。然而如果積分時間過小，會導致曲線振蕩過于劇烈，系統(tǒng)操作缺少穩(wěn)定性，如果將積分時間無限延長，會導致調節(jié)器僅僅存在比例調節(jié)的功能[6]。

對于微分調節(jié)來說，微分時間具有決定性的作用，微分時間長，就具備較強的調節(jié)作用，振蕩會逐漸變得弱，周期也會逐漸縮短，然而如果微分時間過長，會導致振幅過大，進而對調節(jié)作用產生影響。

在工業(yè)自動控制中并非全部的控制系統(tǒng)都要用調節(jié)方式，在一些情況之下，一兩種能夠達到工藝要求即可。根據上述各調節(jié)方法帶來的影響可知，如果不用比例調節(jié)，應將PID 回路增益設置成零。無需積分調節(jié)，可以將積分時間設定成無窮大。如果不用微分調節(jié)，應將微分時間調整為零[7]。

7 設定PID 最后參數

想要確保PID 能夠實現最佳的調節(jié)作用，應確保積分時間、微分時間以及PID 回力增益設定的最佳性。想要在生產環(huán)節(jié)將這些參數最佳值挖掘出來，可以通過經驗整定法。現階段，現場經驗整定法應用范圍廣泛，按照比例、積分以及微分調節(jié)順利展開整體調節(jié)，在調節(jié)的時候，應對曲線變化情況加以觀察，并對參數取值加以更改，直到使得產品質量與設計標準相符。

機體調節(jié)是先將微分調節(jié)與積分調節(jié)關閉，即：將微分時間調整為零，且積分時間設定為無窮大。在比例參數運用的過程中，應先根據經驗決定，再結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，再將積分比例調節(jié)添加進去。在添加前需要把比例值調整成原來的1.2 倍，再調節(jié)積分時間，積分時間值會逐漸減小，在衰減過程變量值是之前的時，將微分調節(jié)加入。應將微分時間初始值設置為積分時間的，根據控制比例將其調整回原本的數值，再調節(jié)微分時間，其數值會逐漸增大，直到曲線為滿意值即可。

8 結語

隨著科技的迅猛發(fā)展，工業(yè)自動控制系統(tǒng)的水平也在不斷提高。PID 控制技術具備諸多優(yōu)勢，如穩(wěn)定性強、安全性高以及結構簡單等，被廣泛應用于自動控制系統(tǒng)之中。在運用控制系統(tǒng)的過程中，應全面了解PID 技術的特點以及工作原理等相關內容，注重相關參數的設定，進而將PID 控制技術的價值充分發(fā)揮出來。同時，應加強PID 控制的運用以及推廣力度，提高工業(yè)自動控制的水平，促進經濟長久穩(wěn)定發(fā)展。