基于PID 控制技术的工业自动控制研究

李 毅

（昆明煤炭设计研究院有限公司，云南 昆明 650051）

引言

随着科技的不断进步，自动化已经由古典控制发展为现代智能控制，具备较为健全的理论及应用体系。自动控制系统包含开环与闭环控制系统，基于PID 控制技术的工业自动控制，将控制水平全面提升。

1 控制技术概述

1.1 开环控制系统

开环控制系统是指一个输出只受系统输入控制的没有反馈回路的系统。与闭环控制相比，该系统较为简单，并且经济性也较为良好。比如，一般排水泵电动机的启动、单驱带式输送机的运行等就是较为常见开环控制系统。

1.2 闭环控制系统

闭环控制系统是将被控制量送回到控制器，构成一个或者是多个闭环。反馈信号和给定值信号的极性相同，则为正反馈，反之则是负反馈。大多数闭环控制系统都运用的是负反馈，因而也被叫做负反馈控制系统。人体就是典型的闭环控制系统，眼睛、鼻子、耳朵、皮肤均为传感器，大脑就是控制器，获得的感知用于反馈，大脑进行判断后指挥躯体进行准确的动作，倘若失明了，就缺少了图像反馈回路，视觉这一环变为了开环控制系统。对煤矿来说，智能化排水系统、智能化带式输送机系统、多机驱动带式输送机、选煤厂浮选控制系统和重介旋流系统等都属于闭环控制系统。相比于开环控制，闭环控制具备较高的控制效果及精度，但其成本也相对较高。

在有一定要求的自动控制系统中，闭环控制被广泛使用，但一个完美的闭环控制系统，需要建立复杂的数学模型，甚至使用大型计算机仿真才能取得比较好的效果，比如天气预报，目前由于技术的发展，预报准确度和精度都已经非常高。但对于一般工业控制系统（如选煤厂浮选参数控制、重介旋流参数控制以及多机驱动带式输送机的力矩平衡等），要建立精准数学模型，投资大、性价比极低，因此，通常采用PID 调节控制技术来实现。

2 PID 技术原理与特点

在自动控制中，因诸多外界因素影响，会导致一些产品控制参数有一定的变化。想要确保产品质量，应把产品数据传输至PID 控制器，并展开计算，对数据变量加以调节，确保其控制参数能够符合相关设定，确保产品合规。PID 控制器有三种调节方法，分别是比例（P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制，如图1所示。

在比例控制、积分控制以及微分控制之中，输入误差和输出误差为正比关系。在这些控制方法中，比例控制最简单，但无法避免控制系统积累的稳态误差，想要消除影响，须在控制器内加入“积分项”，如果时间持续增加，积分项也会增加。受时间因素影响，增大控制器实际输出，将缩减误差[1]。恰当设置比例及积分参数，可以消除系统的稳态误差。

自动控制系统在对稳态误差进行快速跟踪时会出现过冲现象，控制不好甚至会产生失稳，即振荡，使系统不能正常运行。因而应提前对误差变化加以抑制，这就是微分控制。在误差接近零的时候，减少甚至取消抑制作用，也就是说，必须有效确定比例、积分及微分控制参数，方能将系统动态特性优化[2]。

3 PID 算法

PID 控制器被广泛运用于自动化控制系统，PID算法中的计算过程与输出值存在一定的函数关系，通常情况下，PID 算法公式为：

式中：TD为微分项比例函数；Minitial 为PID 回路输出的初始值；Kc为PID 回路的增益；e 为偏差；M（t）为时间函数。

4 P、I、D 在PID 控制技术中的选择以及运用

在PID 控制技术中选择运用P、I、D 时，应注重比例、比例积分以及比例积分微分方面控制规律的运用。

4.1 比例控制规律

对于快速扰动因素的消除，比例控制规律具备良好效果。基于此规律控制，能够迅速响应并且输出控制参数值，然而在控制系统运行过程中，该数值难以保持相对稳定的理想状态。结合规律特征综合分析，该规律有局限性，在对干扰因素造成的影响加以消除时，控制系统也会将对应的余差值输出，该余差值将会影响运用控制技术的效果，进而降低了控制系统的精度。基于此，比例控制规律通常可以用在控制要求较低、具备滞后性的控制通道等特点的工业自动控制之中，通常情况下能够允许余差值的存在，PID 控制微分方程为：

式中：u（t）为控制器的输出值；Kp为比例控制系数；e（t）为控制器输入与设定值之间的误差；Td为微分时间常数；Ti为积分时间常数。

4.2 比例积分控制规律

与比例控制规律相比，在一定程度上，比例积分控制规律能够将系统参数变化产生的余差有效消除，因而该规律具有更加广泛的运用范围。在PID 控制技术中，也具备最高的运用频率。基于环境适应视角，该规律可以用于生产过程不会产生明显容量变化、具备滞后性控制通道，然而被控参数不可在参数余差的环境中存在[3]。

4.3 比例微分控制规律

该规律可以用在容量滞后或者是具备较大时间常数的控制通道，通过在控制中引入微分，可以将系统的动态性能指标全面提升上去。除此之外，该规律还可以降低动态偏差以及提升系统稳定性。

4.4 比例积分微分控制规律

该规律是在比例微分控制规律上，进一步添加积分控制条件以及参数，不仅能够将参数余差有效去除，还可以全面提升系统运行效能。在具体加工环节，具有鲜明的提升效果。基于环境适应层面，该规律对于加工环境有着较高的要求，具备相对较好的适应性，参数计算以及选择的公式为：

式中：G（s）为传递函数；Ti为微分时间常数；Kp为比例系数。

5 PID 被控参数的选定

被控参数的选定对于控制方案制定至关重要，与工业企业稳定生产、提高产品质量与产量也息息相关。在自动控制中，无论选择何种检测控制设备以及控制系统，如果不能确保被控参数的正确性，都将难以实现控制方案中预期的控制效果。诸多因素都会影响控制参数值变化，并非全部影响因素都要加以控制，精确选择被控参数，就能确保控制效果良好。在选择过程中，技术人员应对生产过程、工艺等方面加以全面考虑，挖掘出对生产产量、质量以及安全有决定性作用，并可以展示出良好生产状态的相关参数。在运用环节，PID 参数并不具备唯一性，然而也并非任意性的，应全面透彻分析生产工艺的特殊性，进而将正确参数确定下来[4]。

在被控参数选取过程中，应秉持以下原则。一是在选择环节，选取的参数应对产品安全、质量以及产量具备决定性作用，同时，还应确保能够直接进行测量。二是在选择环节，难以把直接参数用作被动参数时，技术人员可以选取和直接参数存在线性单值函数关系的参数为被控参数。三是要确保被动参数灵敏度较高。四是在选择时，应全面分析仪表性能以及生产工艺等各个方面[5]。

6 PID 调节参数给自动控制带来的影响

由于PID 控制器具备多种调节方式，每种方法给生产过程带来的影响也并不相同。对于比例调节而言，调节比例提高也会导致曲线变化逐渐趋于缓慢，也就是意味着调节作用在不断降低，其振荡周期越长也会导致衰减更严重，如果比例调节只用纯比例作用，在系统稳定后会导致余差相对较大。与之相反，比例值相对较小，具备较短的振荡周期，曲线波动大，衰减也会逐渐减小。

对于积分调节而言，积分时间有着关键性作用，积分时间与积分作用呈现反比关系。也就是积分时间长，积分作用就弱。积分时间短，就具备越强的积分作用，曲线也会振荡得更强烈，振荡周期反而会缩减。然而如果积分时间过小，会导致曲线振荡过于剧烈，系统操作缺少稳定性，如果将积分时间无限延长，会导致调节器仅仅存在比例调节的功能[6]。

对于微分调节来说，微分时间具有决定性的作用，微分时间长，就具备较强的调节作用，振荡会逐渐变得弱，周期也会逐渐缩短，然而如果微分时间过长，会导致振幅过大，进而对调节作用产生影响。

在工业自动控制中并非全部的控制系统都要用调节方式，在一些情况之下，一两种能够达到工艺要求即可。根据上述各调节方法带来的影响可知，如果不用比例调节，应将PID 回路增益设置成零。无需积分调节，可以将积分时间设定成无穷大。如果不用微分调节，应将微分时间调整为零[7]。

7 设定PID 最后参数

想要确保PID 能够实现最佳的调节作用，应确保积分时间、微分时间以及PID 回力增益设定的最佳性。想要在生产环节将这些参数最佳值挖掘出来，可以通过经验整定法。现阶段，现场经验整定法应用范围广泛，按照比例、积分以及微分调节顺利展开整体调节，在调节的时候，应对曲线变化情况加以观察，并对参数取值加以更改，直到使得产品质量与设计标准相符。

机体调节是先将微分调节与积分调节关闭，即：将微分时间调整为零，且积分时间设定为无穷大。在比例参数运用的过程中，应先根据经验决定，再结合变量值具体的曲线变化，明确控制比例程度，直到变量值成为之前的时，再将积分比例调节添加进去。在添加前需要把比例值调整成原来的1.2 倍，再调节积分时间，积分时间值会逐渐减小，在衰减过程变量值是之前的时，将微分调节加入。应将微分时间初始值设置为积分时间的，根据控制比例将其调整回原本的数值，再调节微分时间，其数值会逐渐增大，直到曲线为满意值即可。

8 结语

随着科技的迅猛发展，工业自动控制系统的水平也在不断提高。PID 控制技术具备诸多优势，如稳定性强、安全性高以及结构简单等，被广泛应用于自动控制系统之中。在运用控制系统的过程中，应全面了解PID 技术的特点以及工作原理等相关内容，注重相关参数的设定，进而将PID 控制技术的价值充分发挥出来。同时，应加强PID 控制的运用以及推广力度，提高工业自动控制的水平，促进经济长久稳定发展。