浅谈PID在工业自动控制中的应用

浅谈PID在工业自动控制中的应用

摘要：随着电子、计算机、通讯、故障诊断、冗余校验和图形显示等技术的高速发展，工业自动化水平也日益提高。但在生产过程中，产品的质量受多因素的干扰而使自动化水平的优点逊色。PID控制理论从此应运而生，下面浅谈一下PID的控制基础和在工业自动化控制中的运用。

关键词：PID 工业自动化

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还可实现PID 控制的PC系统等等。可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID 控制，而可编程控制器(PLC)可以利用网络来实现其远程控制功能。

1.PID的工作原理和特点

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

1.1 比例控制规律P：采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好地稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。

1.2 比例积分控制规律（PI）：在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。

1.3 比例微分控制规律（PD）：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。

1.4 例积分微分控制规律（PID）：PID控制规律是一种较理想的控制规律，

它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它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。如温度控制等。

2.PID控制规律的选择

不同的控制规律适用于不同特性和要求的工艺生产过程。PID的控制规律选用不当既增加了投资，也不能满足工艺生产的要求，甚至造成严重的生产事故。因此，必须了解PID的控制规律及适用条件，然后根据工艺生产对控制控制指标的要求，结合具体过程以及控制系统其他各个环节的特性，才能对PID的控制规律作出正确的选择。

根据被控对象、检测元件、变送器、执行器及控制作用途径等的特性，即广义对象控制通道的特性，选择相应的控制规律。

3.PID的算法

在过程控制中，PID控制器一直是应用最为广泛的一种自动控制器，特别是在模拟量的控制应用中；PID控制也一直是众多控制方法中应用最为普遍的控制算法，PID算法的计算过程与输出值（OUT）有着直接函数关系。

PID控制器调节输出，是为了保证偏差值（e值）为零，使系统达到一个预期稳定状态。这里的偏差（e）是给定值（SP）和过程变量值（PV）的差。PID 控制原理基于下面的算式：

M(t)=KC*e+ KC* +Minitial+ KC*TD*或者Mn=KC*en+KC* +Minitial+ KC* *（en-en-1）

输出=比例项+积分项+微分项

M(t) ：回路输出（时间函数）T ：采样周期（或控制周期）

Mn ：第n次采样时刻,PID回路输出的计算值（OUT值）

Minitial ：PID回路输出初始值Kc ：PID回路增益

TI ：积分项的比例常数TD ：微分项的比例常数

en ：在第n次采样时刻的偏差值（en=SPn-PVn）

en-1：在第n-1次采样时刻的偏差值（也称偏差前项）

从这个数字偏差算式可以看出；

比例项是：当前误差采样的函数。

积分项是：从第一个采样周期到当前采样周期所有误差项的函数。

微分项是：当前误差采样和前一次误差采样的函数。

4.PID被控参数的整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：

1、理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

2、工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。工程整定方法主要有经验法、临界比例度法和衰减曲线法。这里主要介绍工程整定法的经验法。

将PID参数预先设置在该范围的某些数值上，然后施加一定的人为扰动（如改变设定值等），观察控制系统的过渡过程，若不够理想，则按一定程序改变PID 参数，经过反复试凑，直到获得满意的控制质量为止.