基于PID技术的工业自动控制系统的优化改进研究

田苗1，史玉琴2

（1.海军装备部，陕西西安713106；2.中国空空导弹研究院，河南洛阳471009）

摘要：随着我国计算机及电子技术的快速发展，使得工业自动控制水平得到大幅度提高。然而，在实际的自动控制中，由于受到多种因素的共同影响，限制了自动化控制的进一步发展。在此背景下，PID技术凭借结构简单、稳定性好及可靠性高的特点，在工业自动控制系统中得到广泛应用。在此对工业自动控制系统中PID技术的应用做详细探讨，重点分析PID控制规律特点及其被控参数，最后参数的选定。

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关键词 ：PID；工业自动控制系统；优化改进；控制算法

中图分类号：TN876?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）13?0132?02

收稿日期：2014?12?21

0 引言

自动化水平已成为现代化水平的重要标志之一，同时也经历了古典控制、现代控制及其智能控制三大阶段，并形成了完整的理论内容。如：最为典型的实例即模糊全自动洗衣机，具有广泛的应用意义。就当前来看，自动控制系统有闭环及开环自动控制系统，已在实际的工程中得到广泛应用，并使其功能得到充分发挥。而PID技术是当前应用最为广泛的技术，可提高自动控制水平。下面重点分析PID技术的工作原理、特点，然后阐述其算法、P、I、D项的选择、被控参数与最后参数等。

1 PID 技术的工作原理及其特点

根据调查发现，在自动控制中，由于受到外界各个因素的影响，使得部分产品的控制参数发生了改变。为了能够有效保证产品的质量，可将这些产品所改变的数据传送到PID 控制器，经过其计算，调节相应的数据变量，可使控制参数与产品设定相符合，最终生产处符合规定的产品。如图1所示，PID控制器的调节方式可分为比例（P）、积分（I）控制及微分（D）控制。

比例（P）、积分（I）控制及微分（D）控制中，所输入的误差与输出的误差信号均呈现正比例关系。其中比例（P）控制在所有控制方式中最为简单，而积分（I）控制中系统进入到稳态误差后，则该控制系统有稳态误差。为了进一步消除稳态误差，需要在控制器中引入相应的“积分项”。该积分项对误差的影响随着时间的变化而不断变化。当时间不断增加时，其积分项也会相应得到增加。这样一来，就能够推动控制器的输出增大，从而减小误差。将比例控制与积分控制两者联合起来，能够使系统进入到稳态后无稳态误差状态，在系统中有重要价值。微分（D）控制中自动控制系统在调节误差的过程中会出现振荡现象，甚至发生失稳问题，影响到控制系统的正常运行。因此，可采用“超前”的方式来抑制误差的变化。当误差越接近于0 时，所抑制的作用也为0。也就表明：在自动化控制系统中将比例控制、微分控制两者联合起来，能够有效改善控制中的动态特性。

2 PID 的算法及其P、I、D 项的控制规律

在所有自动化控制系统中，PID控制器是应用最为广泛的一种控制方式，尤其在模拟量的控制过程之中。

而PID 算法中过程与输出值也有较为直接的函数关系。一般情况下，PID 控制算法（即输出项为比例控制项、积分控制项与微分控制项三者的联合），公式如下：

M(t) = Kc*e + Kc* + Minitial + Kc*TD*式中：M(t)，Kc，Minitia，TD 分别表示回路输出，即时间函数，PID回路增益，PID回路输出初始值，微分项的比例常数。通过这个数字偏差算式可看出比例（P）、积分（I）及微分（D）项分别为：当前误差采样的函数；从第一个到当前采样周期所有误差项的函数、当前到前一次的误差项的函数。通过计算可知工业自动控制系统，如图2所示。

根据以上PID控制算法可将比例控制、积分控制及其微分控制的规律加以总结，通过分析可得到以下规律：（1）比例控制规律。通过采用比例控制能够快速的对扰动影响给予控制，具有较快的输出值，但缺陷在于并不能够较好的将其稳定在某一数值之上。尽管能够较好的克服扰动影响，当仍有余差问题。因此，使得比例控制具有较小的之后性，对控制要求不高，所被控的控制允许有一定余差。

（2）积分控制。在自动控制中积分控制是应用最为广泛的一种形式。能够弥补比例控制所带来的缺陷，可有效消除余差，特别适用于负荷变化较小且被控参数不允许有余差的情况。

（3）微分控制。相对前两者控制而言，微分控制是较为理想的控制方式，将比例控制与微分控制的作用综合起来，可在消除余差的基础之上，提高整个控制系统的稳定性。其适宜用于对控制要求较高且拥有较大滞后性的场合。

3 PID 被控参数、最后参数的设定

在控制方案设计中PID 被控参数是其最为重要的一环，尤其对于提高产品的产量、隐定生产有着重要意义。若所选被控参数不适合，无论选取的控制系统多优秀，所选取的检测设备有多先进，也不能达到预期的控制效果。就当前来看，影响控制参数值的变化比较多，应充分认识到并不是所有的扰动都是需要控制的，而是应正确选择被控的参数。另一方面，所选取的被控参数应符合生产工艺的相关要求，应对生产工艺的过程给予全面分析，最终找出产品的安全生产、质量等。对于工艺生产状态所变化的参数应该较好的反应出来，同时所选取的参数还应满足相关要求。另一方面，PID的参数选择并不是惟一的，同时也不是随意的，而是需要对其加以深入分析，进而科学合理给予选择。被控参数在选择时应坚持以下几方面原则：首先，不能将直接参数作为被控参数，可选择与直接参数相关的间接参数为被控参数；其次，被控参数的选取，还应符合工艺过程所用仪表的性能；再次，选择产品的质量、安全生产及其产量有决定性作用的参数，将其作为被控参数；最后，所选取的被控参数应拥有相当高的灵敏度。被控参数只有满足以上几点内容，才能很好地发挥其控制效果。

对于PID 最后参数的选择应包括TD、Kc 及其TI 几方面的控制参数，并且能够准确地确定最佳整定参数。就当前来看，要想在实际的生产中找到相应的参数，其整定法应在长期的工作中得到应用。并从各种控制规律上，对系统控制质量影响给予相应分析。通过这种分析得到一种更为有效及其广泛应用的整定方法。这就要求在现场整定中，应按照比例控制、积分控制，最后微分控制的方式给予进行，对PV的趋势值给予详细分析，对PID 参数给予改变，对其给予反复测试，最终符合其要求。从具体的整定方案中，应对微分项及积分项给予关闭，并可将TI 项设置为最大。当TD 项设置为0时，使整个比例调节给予完整化。在初期比例度调整时，应根据PV 曲线，对比例控制度给予相应调节，然后给予加积分的作用。当然，在加积分之前，还应将比例度上调到原来的1.2 倍以上。通过将积分时间TI 由大到小的调整，进而使得系统再次升级。

4 结语

总而言之，伴随着我国科学技术的飞速发展，工业自动控制系统水平也日益得到提高。PID 技术凭借着自身结构简单、安全性及稳定性高的特点，在自动控制系统中得到广泛应用。本文重点分析了PID 控制规律特点及其被控参数、最后参数的选定，从选取中发现，PID 自动控制技术有着较大的作用。在今后的发展过程中，应不断发展PID 技术，逐渐缩短我国与国外的差距，进而推动我国社会经济的快速发展。

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