PID控制技術(shù)在工業(yè)自動控制中的應(yīng)用研究

摘 要：近年來，隨著我國工業(yè)過程自動化發(fā)展水平的逐步提高，PID總線的技術(shù)水平似乎已開始成為衡量我國各相關(guān)行業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化水平的主要判斷標(biāo)準(zhǔn)，其相關(guān)控制的理論內(nèi)容也逐漸經(jīng)歷了從經(jīng)典工業(yè)控制技術(shù)理論到現(xiàn)代控制理論和現(xiàn)代智能生產(chǎn)控制理論的演變。目前，國內(nèi)外市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一批基于PID控制的工業(yè)自動化儀表產(chǎn)品、控制器和工業(yè)智能控制器儀表產(chǎn)品，并在實踐中得到了廣泛的技術(shù)應(yīng)用。本文介紹種PID的工作原理，分析了PID 控制技術(shù)在工業(yè)自動控制中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PID;控制技術(shù);工業(yè)自動控制;應(yīng)用

在機(jī)械工業(yè)自動化的許多生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)工程中，自動測控技術(shù)有著非常廣泛的技術(shù)應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)價值空間和影響。它是一種非常先進(jìn)和有價值的高科技生產(chǎn)力，在一定程度上提高和發(fā)展了當(dāng)代中國企業(yè)技術(shù)裝備的現(xiàn)代制造水平。在現(xiàn)代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展中，PID自動過程控制技術(shù)的綜合應(yīng)用開發(fā)將顯得尤為重要，并且成為重要的核心技術(shù)之一。目前其在我國的綜合應(yīng)用已較為成熟和普遍，相信未來可能具有更大的綜合應(yīng)用潛力和推廣利用價值。

一、PID工作的原理

在各種工業(yè)自動化控制系統(tǒng)產(chǎn)品中，PID控制技術(shù)的綜合應(yīng)用是一個非常重要的部分，它往往是我們保持控制系統(tǒng)良好運(yùn)行和穩(wěn)定的核心關(guān)鍵。它具有一定獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工作原理，自然需要更多的專業(yè)人員在達(dá)到一定的專業(yè)水平后才能全面掌握，從而使我們對該技術(shù)有更深入的了解，且在工程應(yīng)用開發(fā)中效果更好、更方便。其主要設(shè)計原則之一是合理協(xié)調(diào)受控工作對象的各個方面，如各種數(shù)據(jù)和組織結(jié)構(gòu)，以滿足人們實際工作的客觀需要。這種控制技術(shù)通常被稱為調(diào)節(jié)器或控制器，它的主要應(yīng)用是在一些實際工程項目中的比例和微分控制，常規(guī)PID控制系統(tǒng)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(jìn)行的工作，操作者會用量具測系統(tǒng)輸出的結(jié)果，然后用控制旋鈕來調(diào)整這個系統(tǒng)的輸入;直到系統(tǒng)的輸出在量具上顯示穩(wěn)定的需求的結(jié)果，在舊的控制文檔里，這個過程叫做“復(fù)位”行為，量具被稱為“測量”，需要的結(jié)果被稱為“設(shè)定值”而設(shè)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(tǒng)的傳感器得到的測量結(jié)果;2、控制器作出決定;3、通過一個輸出設(shè)備來作出反應(yīng)，控制器從傳感器得到測量結(jié)果，然后用需求結(jié)果減去測量結(jié)果來得到誤差，再用誤差來計算出一個對系統(tǒng)的糾正值來作為輸入結(jié)果，這樣系統(tǒng)就可以從它的輸出結(jié)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(yù)測將來的誤差這三種。

二、選定 PID 被控參數(shù)

受控系統(tǒng)參數(shù)的選擇也是正確設(shè)計企業(yè)控制產(chǎn)品方案和控制系統(tǒng)開發(fā)過程設(shè)計的一個非常重要的部分。只有深入了解和分析實際生產(chǎn)過程中存在的各種特殊現(xiàn)象，才能合理選擇最正確、最實用的最佳設(shè)計PID參數(shù)。各種常用的PID生產(chǎn)控制裝置的參數(shù)選擇最常用的參考原則總結(jié)如下：第一，在產(chǎn)品選擇和制造過程的設(shè)計中，有必要注意可用于確定輸出的各種控制參數(shù)的選擇，產(chǎn)品的質(zhì)量、安全和生產(chǎn)環(huán)境。同時，還要求具有這些關(guān)鍵參數(shù)的產(chǎn)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(shù)人員以前在直接參數(shù)轉(zhuǎn)換選擇方法的設(shè)計和驗證過程中經(jīng)過多次驗證，但他們不能完整、準(zhǔn)確地選擇將一個受控直接參數(shù)直接轉(zhuǎn)換為直接受控間接控制參數(shù)的問題，技術(shù)人員會認(rèn)為在這個時候，我們可以直接選擇轉(zhuǎn)換另一個間接控制的間接控制參數(shù)，該參數(shù)只需要與直接控制的直接參數(shù)或單值函數(shù)之間的對應(yīng)或映射關(guān)系具有線性關(guān)系，就可以直接用作控制PID。第三，當(dāng)PID直接測量受控系統(tǒng)的參數(shù)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(shè)計選型和制造安裝過程的工作設(shè)計中，必須充分考慮設(shè)計、生產(chǎn)目的和設(shè)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(chǎn)品的一般用途。

三、選擇控制器 P、I、D 項

當(dāng)人們需要在特定的現(xiàn)場操作過程中進(jìn)行各種控制過程活動時，確定目標(biāo)并正確選擇適當(dāng)?shù)摹⑦m當(dāng)?shù)?，合理有效地控制各種現(xiàn)場過程控制參數(shù)組合或各種過程參數(shù)控制過程參數(shù)組合等方法，將更好地滿足控制過程中，各種具體現(xiàn)場操作過程的實際需要。

3.1比例控制規(guī)律（P）

比例控制律（P）的一個重要優(yōu)點(diǎn)是它可以在短時間內(nèi)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(nèi)，通常不可能實現(xiàn)良好程度的穩(wěn)定運(yùn)行。比例控制律（P）也會對性能產(chǎn)生其他不利影響，即控制系統(tǒng)在有效克服干擾和影響參數(shù)的同時會產(chǎn)生殘余誤差，其也不適合被應(yīng)用于某些控制信號通道的滯后量較大、負(fù)荷值變化率較大、控制參數(shù)要求達(dá)到較高以及一些允許受控的參數(shù)有余差的場合。

3.2比例積分控制規(guī)律（PI）

比例積分控制律（PI）實際上是指中國自動裝配線生產(chǎn)和現(xiàn)代自動化工業(yè)過程的控制技術(shù)理論。目前認(rèn)為，應(yīng)用研究的范圍也是最成熟、最深入、應(yīng)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(chǔ)上同時消除所有殘余誤差，但它也有其主要缺點(diǎn)：比例控制的一般規(guī)律（P）的原理完全相同。相比之下，它只能應(yīng)用于控制通道較小、負(fù)載變化系數(shù)相對較小的工作場所。

3.3比例微分控制規(guī)律（PD）

比例微分控制通道規(guī)律模型（PD）是比較普遍適用于對系統(tǒng)容量滯后量較大的或?qū)r間常數(shù)偏差值較大的系統(tǒng)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(fā)，在系統(tǒng)中引入比例微分律模型并有效參與其動態(tài)優(yōu)化控制后，能夠在很短的時間內(nèi)保證有效性，促進(jìn)整個控制系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)效率水平的提高。比例微分動態(tài)控制律（PD）的研究方法也表明，它可以直接提高整個動態(tài)控制系統(tǒng)的總體穩(wěn)定性，控制性能質(zhì)量的快速和持續(xù)全面改善，以及影響動態(tài)系統(tǒng)和系統(tǒng)偏差的因素在短時間內(nèi)逐漸和持續(xù)全面減少。

3.4比例積分微分控制規(guī)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(yīng)該是另一種結(jié)構(gòu)相對成熟、簡單、理想、實用、方便的基本控制律，應(yīng)確保系統(tǒng)能有效保證系統(tǒng)給定比例值的相對穩(wěn)定性，并以適當(dāng)?shù)姆绞揭氡壤e分，以實現(xiàn)并最終消除系統(tǒng)剩余問題的兩個基本技術(shù)目標(biāo)，同時，還應(yīng)考慮添加其他能夠顯著提高整個受控系統(tǒng)穩(wěn)定性和效率的比例微分函數(shù)。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(shù)大或某些控制周期容量延遲大、控制過程質(zhì)量要求系數(shù)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(yè)過程中實現(xiàn)自動化和生產(chǎn)線的自動運(yùn)行。

四、PID調(diào)節(jié)參數(shù)對自動控制過程造成的影響

在企業(yè)的整個生產(chǎn)經(jīng)營環(huán)節(jié)體系中，新技術(shù)的應(yīng)用將是必然的基本要求，能夠有效地促進(jìn)企業(yè)工作效率和經(jīng)營質(zhì)量的提高，促進(jìn)整體經(jīng)濟(jì)收入的有效增長。因此，PID在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用變得越來越關(guān)鍵和重要。在各個生產(chǎn)活動環(huán)節(jié)的自動控制和運(yùn)行過程中，自動調(diào)節(jié)技術(shù)在PID控制技術(shù)中的作用開始顯現(xiàn)，對整個企業(yè)的整體安全生產(chǎn)過程運(yùn)行產(chǎn)生越來越重要和深遠(yuǎn)的影響。實際上，它的調(diào)節(jié)和控制功能主要體現(xiàn)在自動控制和調(diào)節(jié)其比例的過程曲線上。而對于自動比例控制和調(diào)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(tǒng)的調(diào)節(jié)作用而言，積分時間段將特別重要。隨著系統(tǒng)曲線積分時間段的逐漸和持續(xù)延長，積分效應(yīng)將逐漸減弱。在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計和自動控制設(shè)備控制及自動化過程控制系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用中，中介控制應(yīng)用模式通常不會實現(xiàn)每種選型的最后一次選型應(yīng)用，這主要與企業(yè)的實際工作條件和經(jīng)營條件的變化有關(guān)。應(yīng)注意的是，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的實際工作和應(yīng)用情況，盡可能考慮技術(shù)模式的選擇。只有真正選擇合適的、自行設(shè)計的應(yīng)用條件設(shè)備，控制效果真正達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，各企業(yè)才能更充分地選擇各種自動化設(shè)備調(diào)控系統(tǒng)應(yīng)用后的技術(shù)模式，最終結(jié)果通常在這兩種技術(shù)方法的范圍內(nèi)。在使用該技術(shù)后，通過參數(shù)之間的微小變化和尺寸比較可以清楚地看到，調(diào)整參數(shù)的過程中需要遵循一定的數(shù)值規(guī)律，當(dāng)用積分法無法調(diào)整和改變參數(shù)時，積分時間的設(shè)定值將是無限的;當(dāng)不采用差動技術(shù)調(diào)整和改變參數(shù)時，差動時間的初始設(shè)定值只能變?yōu)榱?此時，如果生產(chǎn)環(huán)節(jié)沒有比例調(diào)節(jié)控制，PID的回路增益值可以自動設(shè)置為零。通過這些控制律，人們自然會實現(xiàn)對控制目標(biāo)參數(shù)的最終精確比例控制，當(dāng)然，人們可以利用這些PID來控制和調(diào)整目標(biāo)參數(shù)，從而減少對控制參數(shù)自動調(diào)整實施的影響，這將更有利于在企業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行更有效、合理、有效的過程控制，幫助企業(yè)人員進(jìn)一步加快企業(yè)生產(chǎn)的階段性速度，實現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)意義上的更好的創(chuàng)收。

五、結(jié)束語

綜合上述，要真正實現(xiàn)工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的完美運(yùn)行，就要重視PID技術(shù)的實際應(yīng)用。這種控制技術(shù)有其獨(dú)特的內(nèi)部工作原理。只有運(yùn)用這些技術(shù)原理，才能全面優(yōu)化和控制各種生產(chǎn)活動。盡管這些創(chuàng)新技術(shù)在現(xiàn)階段還遠(yuǎn)未普及，但它們?nèi)跃哂芯薮蟮膶嶋H應(yīng)用技術(shù)價值空間和學(xué)術(shù)推廣技術(shù)價值潛力。對相關(guān)科研開發(fā)人員來說，要加大對該技術(shù)本身的改進(jìn)和開發(fā)力度，使其更適合當(dāng)前人類科技生產(chǎn)過程的實際需要，為國內(nèi)企業(yè)創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益，加快整個中國經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代工業(yè)化建設(shè)和進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙政.PID 在工業(yè)自動控制中的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技旬刊， 2016（5）：131-132.

[2]李寧.淺談工業(yè)自動控制系統(tǒng)中 PID 技術(shù)的應(yīng)用[J].化工管理， 2017（33）.

[3]田苗， 史玉琴.基于 PID 技術(shù)的工業(yè)自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)， 2015（13）：132-133.

作者簡介：

劉曦（1998），男，湖北孝感人，本科研究方向：自動化。