PID在工业自动控制中的应用

PID在工业自动控制中的应用

作为工业生产中最常用的一个控制形式，PID技术在工业自动控制中发挥着至关重要的作用。随着我国工业自动化水平的逐渐提高，PID技术也已经成为了衡量各个行业现代化水平高低的主要标准，其控制理论也历经了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。目前市场中已经出现了多款PID控制、控制器以及智能控制器仪表等工业自动化产品并都得到了广泛的应用。笔者首先介绍了PID工作的原理，接着对PID在工业自动控制中的应用进行了分析。

标签：PID；工业自动控制

1 PID工作的原理

PID控制器发展至今已经走过了约70年的历程，它之所以能够成为工业自动控制的主要技术之一，主要在于其自身所具备的结构简单、稳定性能强、调节方便、可靠等优点。在工业自动控制过程中，一旦出现无法完全掌控被控制对象的结构以及参数的情况，此时应用便利的PID控制技术可以对系统控制器的结构及参数进行判断，而判断的主要依据则是经验和现场调解。PID控制和PID调节是目前国内外工业自动控制中使用最为普遍的调节器控制规律，它们也被称之为比例、积分和微分控制。

2 选定PID被控参数

选择被控参数在设计控制方案的过程中是尤为重要的一环，对于工业企业生产的稳定、产品产量与质量的提升都起着决定性的作用，在自动控制的过程中，不管选用哪一种先进过程检测控制设备，也不管构成哪一种控制系统，只要没有正确选择被控参数，控制方案中所提出的控制成果都无法得到实现。影响控制参数值变化的因素比较多，但并不需要控制所有影响因素，精确地选定被控参数在这一系列过程中至关重要。在选择被控参数时，技术人员需深入分析生产工艺要求与过程，进而找出能够决定产品质量、产量、安全生产并能够将工艺生产状态较好体现出来的参数，这些被控参数一般而言难以通过人工控制来满足要求。在实际应用过程中，PID参数的选择并不是唯一的，当然也不是任意的，只有对生产工艺过程的特殊性进行深入地分析，才能够选定正确的PID参数。选定PID 被控参数的普遍原则如下：

①在选择过程中，需选择能够决定产品产量、质量、安全生产的参数，同时这些参数还需具备可直接测量的特点。②如果在选择过程中出现无法将直接参数作为被控参数的情况，技术人员此时可选择一个与直接参数有线性单值函数对应关系的间接参数作为PID被控参数。③PID被控参数一定要具备足够高的灵敏度。

④在选取过程中一定要对生产工艺过程的合理性和所用仪表的性能进行充分的考虑。

3 选择控制器P、I、D项

在进行具体过程控制时，确定并选用恰当合理的控制或控制组合能够满足现场控制的需要，同时也能够让现场过程值在较为理想的时间内跟定SP值。下面笔者将对PID各种控制规律的控制特点进行简单的归纳与总结。

3.1 比例控制规律（P）

比例控制规律（P）的优点在于能够较快地克服其他因素对过程控制的影响，它的作用对于输出值来说比较快，但无法很好地稳定在一个理想的数值。比例控制规律（P）也会造成一些不良的结果，即在有效克服扰动影响的同时会出现余差，正因为如此，其不适合应用于控制通道滞后较大、负荷变化较大、控制要求较高以及不允许被控参数有余差的场合。

3.2 比例积分控制规律（PI）

比例积分控制规律（PI）是目前工业自动控制中应用最为广泛的一种控制规律，它能够在比例的基础上将余差消除，但其与比例控制规律（P）一样，比较适用于控制通道之后较小、负荷变化不大的场合。

3.3 比例微分控制规律（PD）

比例微分控制规律（PD）比较适用于容量滞后或时间常数较大的控制通道，在微分项设置得到的情况下将微分引入并参与控制能够有效促进系统动态性能指标的提高。比例微分控制规律（PD）还可以促进整个控制系统稳定性的提高与动态偏差的减小。

3.4 比例积分微分控制规律（PID）

相较于以上三种控制规律，比例积分微分控制规律（PID）是一种较为理想的控制规律，它既能够在比例的基础上引入积分，进而实现消除余差的目的，同时还能够加入能够促进系统稳定性提高的微分作用。例积分微分控制规律（PID）比较适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合，如工业生产中的温度控制等。

4 PID调节参数对自动控制过程造成的影响

在使用比例调节进行控制时，曲线的变化会随着不断上升的调节比例值而逐渐迟缓，即调节作用在这一过程中呈现持续降低的状态，曲线震荡周期越长，其衰减也就越严重。如若此比例调节只是单纯使用了比例的作用，那么该控制系统稳定之后也会产生较大的余差。过小的比例值也会造成振荡周期的缩短，曲线波动愈加明显，其衰减比则会朝更小的方向变动。

在使用积分调节进行控制时，我们需对积分时间的重要性加以了解，且积分时间越长，积分作用会随之变弱。反之，积分时间缩短之后，积分作用也会逐渐

变强，曲线震荡也会愈发明显，整个控制系统的震荡周期逐渐降低。但这并不意味着积分时间越短越好，一旦积分时间出现过短的情况，愈加强烈的曲线正当会导致系统操作不再具备较强的稳定性。过长的积分时间则会导致调节器只能发挥比例调节的功能。

在使用微分调节进行控制时，微分时间较为重要。与积分调节不一样的是，微分时间越长，其调节作用越发明显，震荡越发模糊，振荡周期缩短。过长的微分时间则会导致曲线振幅过渡增大，调节器的作用则会在这一阶段出现模糊的状况。

在工业自动控制具体实践过程中，控制系统不需要也不会应用到所有调节方式，大部分情况下只需要使用其中一到两种就能够达到控制要求。通过参数影响我们可以看出，如果不在调节过程中使用积分调节，就可以积分时间设定为无限大；如果不使用微分调节，则可将微分时间改成零；如果不使用比例调节，PID 回路增益就可随之改设为零。

5 选定PID的最佳整定参数

正确地选定PID的最佳整定参数决定着PID控制器能否发挥有效功用，而Kc、TI、TD是PID最佳整定参数所常用的三个控制参数，如何在实际生产中找到这些合适参数一直是国内外工业应用PID的关键问题。经历过长期工作工程实践的技术人员通过定性分析各种控制规律对系统控制质量的影响而得出来的现场经验整定法在使用过程中十分有效，且已经得到了较为广泛的应用。在进行现场整定时，需保持PID参数按先比例、后积分、最后微分的顺序进行，在对现场过程值PV的趋势曲线进行观察的同时需对PID参数加以慢慢的改变，直到控制质量与生产要求相符为止。一般而言，需在具体整定中将积分项和微分项先行关闭，再将TI控制参数的数值设置为无穷大，同时将TD控制参数的数值设置为零，在这一过程中所使用的纯粹是比例调节。在整定初期可按照经验数据设定，之后再依据PV曲线的变化慢慢对比例及比例度进行整定与控制。当系统达到4：1衰减震荡的PV曲线时可先将比例度加大为原来的1.2倍左右之后再加积分作用，主要操作手段就是将TI由大到小进行调整。在必要的场合可能需要将微分作用引入，技术人员可将比例度调整至原来数值或更小，此时再将微分时间由小到大进行调整即可将PV的趋势曲线变化至满意状态。

6 结束语

综上，PID作为工业自动控制系统的基础部分与关键部分，其工作原理与具体应用值得深入分析与研究。笔者阐释了PID的工作原理，并从选定PID被控参数、选择控制器P、I、D项、PID的最佳整定参数等方面出发分析了PID在工业自动控制中的应用，希望能够为域内相关技术人员提供一些参考与启示。

参考文献

[1] 端凯.探究PID在工业自动控制中应用的价值[J].电子技术与软件工程，