刘兴兴 邓海棠 李婷婷
陕西黄河集团有限公司陕西省西安市 710043
摘要：PID控制是经典控制理论部分的典型代表，具有广泛的应用性。另外，PID控制有着结构简单、鲁棒性好、可靠性高等优点。本文对PID参数整定自动化控制进行了论述。
关键词：PID控制；原理和特点；PID参数整定
在工业过程控制中，大多数控制回路有PID结构，PID这种控制方法之所以得以广泛使用在于其结构简单，在具体应用过程中已被理解、实现，很多高级控制均将PID控制当作基础。科学设计PID参数能让工艺参数控制的更加平稳，预防液位控制系统抽空、压力控制系统安全阀起跳、温度控制系统过大降低产品质量。同时，在确保生产安全、产品质量的条件下还可起到节约能耗的效果。
一、PID控制发展历程
PID控制是指对偏差的比例(Proponional)、积分(mtegral)和微分(Derivative)的综合控制。PID控制技术的发展可分为两个阶段。20世纪30年代晚期微分控制的加入标志着PID控制成为一种标准结构，也是PID控制两个发展阶段的分水岭。第一个阶段为发明阶段(1900～1940)。PID控制的思想逐渐明确，气动反馈放大器被发明，仪表工业的重心放在实际PID控制器的结构设计上。l940年以后是第二阶段--革新阶段。在革新阶段，PID控制器已发展成一种鲁棒、可靠且易于应用的控制器。仪表工业的重心是使PID控制技术能跟上工业技术的最新发展。从气动控制-电气控制-电子控制-数字控制，PID控制器的体积逐渐缩小，性能不断提高。一些处于世界领先地位的自动化仪表公司对PID控制器的早期发展做出重要贡献，甚至可以说PID控制器完全是在实际工业应用中被发明并逐步完善起来的。值得指出的是，1939年Taylor仪器公司推出的一款带有“Pre-act”功能的名为“Fulscope”的气动控制器及同时期Foxboro仪器公司推出的带有“Hyper-re-set”功能的“Stabilog”气动控制器都是最早出现的具有完整结构的PID控制器。“Pre-act”与“Haper-re-set”功能实际都是在控制器中加入了微分控制。
PID控制至今仍是应用最广泛的一种实用控制器。各种现代控制技术的出现并未削弱PID控制器的应用，相反，新技术的出现对PID控制技术的发展起了很大的推动作用。一方面，各种新的控制思想不断被应用于PID控制器的设计中，或使用新的控制思想设计出具有PID结构的新控制器，PID控制技术被注入了新的活力。另一方面，某些新控制技术的发展要求更精确的PID控制，从而刺激了PID控制器设计与参数整定技术的发展。
二、PID调节的原理和特点
在自动控制系统中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例(P)、积分(I)、微分(D)控制，简称PID控制，又称PID调节。比例作用依据偏差的大小来动作，在调节阀系统中起着稳定被调参数的作用；积分作用依据偏差是否存在来动作，在系统中起着消除余差的作用；微分作用依据偏差变化速度来动作，在系统中起着超前调节的作用。控制回路中调节质量的好坏取决于控制规律的合理选取和参数的整定。日常控制系统中总是希望把被控参数稳定在工艺要求范围内，但在实际中被控参数总与设定值有一定的差别。
1、比例(P)控制。比例控制是一种最简单的控制方式。比例调节作用的参数是放大系数，它决定比例作用的强弱。
选择比例带P越小，比例作用越强，P越大，比例作用越弱。若P选择过小，会造成调节系统不稳震荡，P过大，比例作用小，静差大。因此要根据静差特点选取合适的P值。一般的说，若对象时间常数较大以及放大系数较小时，P值可选择小一些，以提高整个系统的灵敏度，时反应加快一些，这样可以得到较理想的控制过程。
2、积分(I)控制。一个自动控制系统，若在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差或简称有差系统，为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分控制作用可消除静差。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大，控制作用会缓慢。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之，Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢，在时间上总是落后于偏差信号的变化，不能及时控制。
3、微分(D)控制。在微分控制中，控制器输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还未形成前，已被微分调节作用消除。因此，可改善系统的动态性能。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。其解决办法是使抑制误差的作用变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应为零。在微分时间选择合适情况下，可减少超调和调节时间。
三、PID参数的整定方法
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，概括起来包括：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经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直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，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。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例带法、衰减曲线法和经验试凑法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按工程经验公式对控制器参数进行整定。
1、临界比例带法。①首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作。②仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期。③在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
2、衰减曲线法。临界比例带法是要使系统产生等幅震荡，还要多次试凑，而用衰减曲线法较为简单，并能直接求得比例带。衰减曲线法分为4：1和10：1两种。有的生产过程，由于采用4：1的衰减仍嫌震荡太强，则可用10：1衰减曲线法。使系统处于纯比例作用下，在达到稳定时，用改变给定值的方法加入阶跃干扰，观察被控变量记录取线的衰减比，然后从大到小改变比例带，使其出现10：1的衰减比。
3、经验试凑法。经验试凑法是根据参数整定的实际经验，对生产上最常见的温度、流量、压力和液位等控制系统进行调节。将调节器参数预先放置在范围的某些数值上，然后改变设定值，观察控制系统的过渡过程曲线。若过程曲线不够理想，则按一定的程序改变调节器参数，这样反复试凑，直到获得满意的控制质量为止。
综上所述，PID控制器因其结构简单、容易实现，并且具有较强的鲁棒性，因而被广泛应用于各种工业过程控制中。尽管已出现多种先进控制方法，PID控制仍在各种工业控制技术中占据主导地位。
参考文献：
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[2]赵争鸣.PID参数自整定方法概述[J].现代电子技术,2015(24).
[3]姜玉春．PID控制器参数的整定[J].自动化学报,2016(12).