摘 要:介绍PID参数控制的原理与对控制过程的影响。了解常用的PID参数整定方法，并通过对比讨论生产过程中易于实现控制的工程整定方法.通过用该方法对我厂的控制参数进行整定试验,得到了很好的参数控制效果,为实现工艺参数的平稳控制提供了参考.

　　关键词: PID 控制 整定 对比 试验

　　中图分类号：TP229 文献标志码：B

　　0 引言

　　在工业过程控制中,95 %以上的控制回路具有PID 结构。PID 控制器被广泛应用主要是因为它结构简单、在实际中容易被理解和实现,而且许多高级控制都是以PID 控制为基础。合理的PID参数设置可以使工艺参数控制平稳，可以防止压力控制系统安全阀起跳、防止液位控制系统抽空或液位溢出、防止温度控制系统波动过大影响设备性能和产品品质，在保证安全、产品质量的同时起到节能降耗和实现环境友好型企业等多种作用。

　　1 PID对控制器的影响

　　PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制，使自动控制系统在干扰作用下能平稳的运行。

　　为了能更清楚地表示出制动控制系统的模型，我们看控制器控制作用图示：

　　上图即为连续一时间PID控制系统。图中，D(s)为控制器。在PID控制系统中，D(s)完成PID控制规律，称为PID控制器。

　　实际应用中，可以根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活地采用不同的控制组合，构成：

　　(1)比例(P)控制器 :

　　(2)比例+积分(PI)控制器:

　　(3)比例+积分+微分(PID)控制器:

　　式中 ——比例放大系数( =100/ );

　　——积分时间I;

　　——微分时间D。

　　比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

　　2 PID参数整定优化

　　控制器的整定方法很多，主要有两大类，一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。

　　理论计算的方法是根据已知的广义对象特性及控制质量的要求，通过理论计算出控制器的最佳参数。这种方法由于比较繁琐、工作量大，计算结果有时与实际情况不甚符合，故在工程实践中长期没有得到推广和应用。

　　工程整定法是在已经投用的实际控制系统中，通过试验或探索，来确定控制器的最佳参数。这种方法是工艺技术人员在现场经常遇到的。常用的工程整定法有临界比例度法、衰减曲线法和经验试凑法等。

　　2.1 临界比例度法

　　它是先通过试验得到临界比例度和临界周期，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。具体作法如下。

　　在闭环的控制系统中，先将控制器变为纯比例作用，即将积分时间放到无限大，微分时间放到零上，在干扰作用下，从大到小逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅振荡(即临界振荡)，这时的比例度叫临界比例度，周期为临界振荡周期，然后按下表计算出控制器的个参数正定数值。

　　临界比例度法参数计算公式表

　　控制作用

　　比例度/%

　　积分时间/min

　　控制作用

　　比例度/%

　　积分时间/min

　　微分时间/min

　　比例

　　比例+积分

　　2

　　2.2

　　0.85

　　比例+微分

　　三种作用

　　1.8

　　1.7

　　0.5

　　0.1

　　0.125

　　2.2 衰减曲线法

　　衰减曲线法是通过使系统产生衰减震荡来整定控制器的参数值的， 在闭环的控制系统中，先将控制器变为纯比例作用，并将比例度预置在较大的数值上。在达到稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察被控变量记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度，直至出现4：1衰减比，记下此时的比例度，从曲线上得到衰减周期。

　　然后根据下表中的经验公式，求出控制器的参数整定值：

　　控制作用

　　/%

　　/min

　　/min

　　比例

　　比例+积分

　　1.26

　　0.5

　　比例+积分+微分

　　0.8

　　0.3

　　0.1

　　有的过程，4：1衰减仍嫌振荡过强，可采用10：1衰减曲线法。

　　2.3 经验试凑法

　　经验试凑法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法，它是根据经验先将控制器参数放在一个数值上，直接在闭环的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，在记录以上观察过渡过程曲线，运用、、对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度、积分时间和微分时间逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。

　　整定的步骤有以下两种：

　　(1)先用存比例作用进行试凑，待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高控制质量。按此顺序观察过渡过程曲线进行整定工作。

　　(2)经验试凑法还可以按下列步骤进行：先按下表中给出的范围把定下来，如果引入微分作用，可取，然后对进行试凑，凑试步骤与前一方法相同。

　　控制器参数的经验数据表

　　控制对象

　　/%

　　/min

　　/min

　　流量

　　温度

　　压力

　　液位

　　40 100

　　20 60

　　30 70

　　20 80

　　0.3 1

　　3 10

　　0.4 3

　　0.5 3

　　注释： 温度对象容量滞后较大，参数受干扰后变化迟缓，应小，要长，一般需要加微分;

　　经验试凑法的特点是方法简单，适用于各种控制系统，因此应用非常广泛。但是此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过度过程本身较慢时，往往较为浪费时间，可以用优选法，使每次参数改变的大小和方向都有一定的目的性。

　　值得注意的是，对于同一系统，不同的人采用经验试凑法整定，可能得到不同的参数值，这是由于对每条曲线的看法，有时会因人而异，没有一个很明确的判断标准，而且不同的参数匹配有时会使所得过度过程衰减情况极为相近。

　　3 参数整定研究

　　临界比例度法对于临界比例度很小的系统不适用。因为临界比例度很小，则控制器的输出的变化一定很大，被调参数容易超出允许的范围，影响生产的正常进行。临界比例度法是要使系统达到等幅振荡后，才能找出和，对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统本方法亦不实用。

　　衰减曲线法对于干扰平频繁，记录曲线不规则，不断有小摆动的情况。由于不易得到准确的衰减比例度和衰减周期，使得这种方法难于应用。

　　鉴于临界比例度法法和衰减曲线法均有其缺点，而经验试凑法在外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用最为合适。在接下来的工作中，运用此法对参数进行整定优化研究。

　　(1)温度参数：前冷器B温度TIC-2332，首先用存比例进行试凑，当P=15时过渡过程已基本稳定并符合要求，当加入比例控制I=10，能较好消除余差，由于是温度控制参数，加入D=2就能得到很平稳的控制曲线，如下图：

　　(2)流量参数：贫溶剂进吸收塔流量控制FIC-1406，用存比例进行试凑，当P=250时过渡过程已基本稳定并符合要求，当加入比例控制I=20，就能很好的消除了余差，使参数偏离设定值变得很小,达到了很平稳的控制.由于流量对象特性对象时间常数小，参数有波动，要大，要短，不用微分.控制效果如下图：

　　5 结束语

　　最后必须指出，在一个制动控制系统投运时，控制器的参数必须整定，才能获得满意的控制质量。同时，在生产进行的过程中，如果工艺操作条件改变，或负荷有很大变化，被控对象的特性就要改变，因此，控制器的参数必须重新整定。由此可见，整定控制参数是经常要做的事，而经验试凑法是非常有效快速的整定方法.

　　参考文献

　　[1]厉玉鸣主编. 化工仪表及自动化(第三版).北京：化学工业出版社 ，1999

　　[2]杜效荣, 化工仪表及自动化(第二版).北京：化学工业出版社 ，1994.12

　　[3]王骥程，祝和云主编.化工过程控制工程(第二版)北京：化学工业出版社 ，1991

　　[4]王　伟，张晶涛，柴天佑.PID 参数先进整定方法综述.自动化学报2000.5，26(3)