劉曉霞，孫康波

(沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110000)

1 引言

在工業(yè)過程控制中，大于95%的控制回路有PID結(jié)構(gòu)，PID這種控制方法之所以得以廣泛使用在于其結(jié)構(gòu)簡單，在具體應(yīng)用過程中已被理解、實(shí)現(xiàn)，很多高級控制均將PID控制當(dāng)作基礎(chǔ)?？茖W(xué)設(shè)計(jì)PID參數(shù)能讓工藝參數(shù)控制的更加平穩(wěn)，預(yù)防液位控制系統(tǒng)抽空、壓力控制系統(tǒng)安全閥起跳、溫度控制系統(tǒng)過大降低產(chǎn)品質(zhì)量[1]。同時，在確保生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量的條件下還可起到節(jié)約能耗的效果。

2 PID控制方法的應(yīng)用

PID控制實(shí)質(zhì)上包括PI控制與PD控制兩部分，PID控制器主要依照系統(tǒng)誤差，借助微分、積分及比例計(jì)算所得控制量實(shí)施控制，確保自動控制體系在受到干擾情況下也可平穩(wěn)運(yùn)行。在連續(xù)一段時間內(nèi)PID控制系統(tǒng)情況如圖1所示。

圖1 PID控制系統(tǒng)

在具體應(yīng)用過程中，可依照受控對象的特點(diǎn)、控制功用要求而選用合適的控制組合，形成①比例(P)控制器:u(t)=Kpe(t);②比例+積分(PI)控制器:u(t)③ 比例 +積分 +微分(PID)控制器:

在上述公式中，KP表示比例放大系數(shù)，數(shù)值為100/P，T1表示積分時間，TD表示微分時間。比例控制可以快速反映誤差，進(jìn)一步縮小穩(wěn)態(tài)誤差，但其不能從根本上消除穩(wěn)態(tài)誤差。若比例放大系數(shù)增大，可導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分控制主要作用在于若系統(tǒng)存在誤差，積分控制器不斷積累，輸出控制量，進(jìn)一步消除誤差。故只要時間充足，積分控制會徹底消除誤差，促使系統(tǒng)誤差變成0，進(jìn)一步消除穩(wěn)態(tài)誤差[2]。若積分作用過于強(qiáng)大將加大系統(tǒng)超調(diào)，重則導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生振蕩。相比之下，微分控制能夠縮小超調(diào)量，有效改變振蕩，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性能，同時提升系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減少調(diào)整時間，從整體改善系統(tǒng)動態(tài)作用。

2 PID參數(shù)整定策略

2.1 衰減曲線方法

這種方法主要通過系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩進(jìn)一步整定控制器參數(shù)數(shù)值的，在閉環(huán)控制體系中，需將控制器轉(zhuǎn)變成純比例功能，將比例度預(yù)置為較大數(shù)值。當(dāng)維持穩(wěn)定以后，用改變給定數(shù)值的辦法添加階躍干擾，并認(rèn)真觀察被控制變量記錄曲線的衰減比例，從大至小逐漸改變比例程度，直到變成4∶1的衰減比例，記錄下此時比例度，即可從曲線上得出衰減周期[3]。參照下表1的經(jīng)驗(yàn)公式，可得出控制器參數(shù)整定數(shù)值。(注釋:部分過程依照4∶1衰減比例振蕩太強(qiáng)，故可依照10∶1衰減曲線方法)。

表1

2.2 臨界比例度方法

這種方法依據(jù)試驗(yàn)取得臨界比例度、臨界周期，再憑借經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的關(guān)系得出控制器各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值。具體操作步驟:在閉環(huán)控制體系中，先把控制器轉(zhuǎn)變成純比例功能，把積分時間變?yōu)闊o限大，微分時間定為0，在干擾條件下，從大至小一步一步改變控制器比例度，直到系統(tǒng)發(fā)生臨界振蕩，將此時的比例度稱作臨界比例度，記作δk，臨界振蕩周期記作Tk，參照表2得出控制器參數(shù)整定各項(xiàng)數(shù)值。

表2

2.3 經(jīng)驗(yàn)試湊方法

這種方法是在長時間生產(chǎn)實(shí)踐過程中形成的整定方法，依照經(jīng)驗(yàn)先把控制器參數(shù)放在一個數(shù)值中，然后在閉環(huán)控制體系中，促使給定數(shù)值發(fā)生一定改變而產(chǎn)生干擾，在記錄觀察所得過渡過程曲線的基礎(chǔ)上，將δ、T1、TD對于過渡過程的影響當(dāng)作指導(dǎo)，依據(jù)規(guī)定流程，分別整定比例度、積分時間與微分時間，直至達(dá)到理想的過渡過程[4，5]。具體整定步驟有兩種:①憑借存比例功能實(shí)施試湊、若過渡過程保持大體穩(wěn)定且符合相關(guān)要求，通過積分功能消除余差，再添加微分功能提升控制質(zhì)量，依照此流程仔細(xì)觀察過渡過程曲線后開始整定;②依照下表中給定范圍確定T1，若引入微分功能，則TD定義在(1/3～1/4)T1范圍內(nèi)，再對實(shí)施試湊。(注釋:溫度對象容量滯后很大，當(dāng)參數(shù)受到干擾以后變化速度越來越慢，δ變小，T1增長，通常需加入微分)。

表3

經(jīng)驗(yàn)試湊方法十分簡單，適合用在各種控制體系內(nèi)，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，但是這種方法主要憑借經(jīng)驗(yàn)，若缺乏豐富的經(jīng)驗(yàn)或者過渡過程速度緩慢時，比較浪費(fèi)時間，可用優(yōu)選方法，但確保每次參數(shù)改變的大小、方向均有一定目的性。需要特別注意的一點(diǎn):在同一個系統(tǒng)中，不同人用經(jīng)驗(yàn)試湊法整定，得出的參數(shù)數(shù)值不同，這是因?yàn)槊總€人對每條曲線的看法存在很大差異，且無一個確切的評定標(biāo)準(zhǔn)，不同的參數(shù)進(jìn)行匹配可能導(dǎo)致過渡過程衰減情形非常相近。

3 參數(shù)整定比較

衰減曲線方法對干擾平十分頻繁，且記錄曲線不規(guī)范，時常出現(xiàn)小擺動，加之很難得出準(zhǔn)確的衰減比例度、衰減周期，故這種方法很難廣泛應(yīng)用。臨界比例度方法不適宜用在臨界比例度較小的體系中，由于臨界比例度較小，控制器輸出情況可能發(fā)生較大變化，被調(diào)參數(shù)極易超出規(guī)定范圍，對正常生產(chǎn)運(yùn)行帶來一定的影響[6]。臨界比例度方法需要確保系統(tǒng)處于等幅度振蕩狀態(tài)，才能得出δk、Tk，針對工藝方面不能形成等幅度振蕩的系統(tǒng)，這種方法不適宜用。經(jīng)驗(yàn)試湊方法在外界干擾功能較頻繁，記錄曲線不規(guī)范的控制體系中應(yīng)用十分合適。先用存比例實(shí)施試湊，若P=15，則提示過渡過程大體穩(wěn)定且符合相關(guān)要求，若將比例控制在合適范圍內(nèi)，則可以進(jìn)一步消除余差，因是溫度控制參數(shù)，當(dāng)加入一定參數(shù)后即可取得平穩(wěn)的控制曲線。因流量對象特征對象的時間參數(shù)較小，且參數(shù)有一定波動，δ大則T1短，故不必微分。

4 結(jié)束語

通過分析PID控制方法的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了幾種PID參數(shù)整定策略，提出了行之有效的參數(shù)整定方法。當(dāng)一個制動控制體系投入運(yùn)營時，必須先整定控制器參數(shù)，才可取得理想的控制質(zhì)量。而在具體生產(chǎn)過程中，若工藝操作條件或者負(fù)荷發(fā)生較大改變，則被控對象特點(diǎn)也需作出相應(yīng)改變，并重新整定控制器參數(shù)?？傊?，PID控制是一種簡單、有效的過程控制辦法，在未來現(xiàn)代工業(yè)控制體系中所起的作用必將越來越重要。

[1]胡壽松.自動控制原理[M].北京:科學(xué)出版社，2002.

[2]廖常初.PID參數(shù)的意義與整定方法[J].自動化應(yīng)用，2010，6(5):143－145.

[3]徐璟.PID 參數(shù)整定分析[J].廣西電業(yè)，2010，7(4):196 －199.

[4]杜云超.PID過程控制及其參數(shù)整定策略淺析[J].化學(xué)工程與裝備，2010，6(9):152 －155.

[5]王孫安，任華.工業(yè)系統(tǒng)的測量、驅(qū)動與控制[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2003.

[6]牟金善.分?jǐn)?shù)階PID控制器參數(shù)整定研究[D].華東理工大學(xué)，2013.