化工生产中PID参数整定方法浅析

摘 要：文章对化工生产领域中的PID控制原理进行了详细介绍，对PID参数对控制性能的影响进行了详细解析，并就实际生产过程中参数整定方法进行了详细介绍与分析。

关键词：控制；PID参数；整定方法

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.06.031

PID控制是化工生产领域中应用最广泛、控制效果最好的控制方案，深入理解并掌握控制系统的组成及PID控制参数对控制性能的影响对从事化工生产行业有重要意义，对PID控制参数进行科学合理的整定则是控制系统设计及投用的重要工作环节，将控制参数整定在恰当的数值上，对生产过程的安全、产品质量、能源消耗及现场仪表性能开发有重大积极意义。

1 控制系统组成及PID控制

1.1 控制系统组成

最简单的控制系统的组成是指由一个被控对象、一个检测元件及传感器（或变送器）、一个调节器和一个执行器所构成的单闭环控制系统，也称单回路控制系统。单回路控制系统在所有反馈控制系统中是最简单、最基本的一种，因此也是在化工生产中使用最广泛的控制系统。

1.2 PID控制

PID控制是控制系统中最基本的控制单元，表示比例-积分-微分控制，即将控制器反馈后得到的误差信号分别进行比例、积分、微分运算后再叠加得到控制器的输出信号。在标准的PID计算公式中，Kp为控制器增益，与控制器比例度P成倒数关系；Ti为积分时间，对输入偏差进行积分计算；Td为微分时间，对输入偏差进行微分计算。

2 PID参数对控制性能的影响

2.1 比例增益Kp

比例控制的控制器的输出与输入误差信号成比例关系。比例增益Kp值越大，比例作用越大，可以加快调节速度，减少误差，但过大的比例增益Kp，会使系统稳定性下降。

2.2 积分时间Ti

积分控制的控制器的输出与输入误差信号的积分成比例关系。引入积分作用的目的是消除稳态误差，积分时间Ti数值越小积分作用越强。Ti数值越大积分作用越弱。控制器中加入积分调节使系统稳定性下降，动态响应变慢。

2.3 微分时间Td

微分控制的控制器的输出与输入误差信号的微分（误差变化率）成正比关系。微分时间Td数值越大，微分作用越强，可以减少超调，减少调节时间，但同时对噪声干扰有放大作用，过大的Td数值对系统抗干扰不利。微分作用不能单独使用，必须PD或PID控制。

3 PID参数整定方法

PID参数整定的方法有很多，本文主要介绍经验凑试法、临界比例度法、衰减振荡法三种实际应用广泛的方法。

3.1 经验凑试法

经验凑试法是根据经验及对工艺的熟悉，先预设控制参数在一定数值上，参考测量值跟踪与设定值曲线，调整P、I、D参数的大小。PID控制器参数的整定（以横河CS3000系统为例），对于温度控制对象，P=20～60%，Ti=180～600s，Td=3～180s；对于压力控制对象，P=30～70%，Ti=24～180s；对于液位控制对象，P=20～80%，Ti=60～300s；对于流量控制对象，P=40～100%，Ti=6～60s。

在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。首先整定比例部分。将比例增益由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小，然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。

3.2 临界比例度法

临界比例阀是在整定时首先将控制器的积分和微分作用除去，即积分时间放最大，微分r间放到零，只使用控制器的比例作用。按照比例增益Kp数值由小到大的变化规律，对应于某一Kp值做小幅度的设定值阶跃干扰，并观察由此引起的测量值振荡情况。如果测量值振荡为衰减趋势，则应将比例增益增大，如果测量值振荡为发散趋势，则应将比例增益减小，将此过程连续重复，直到所得测量值为临界情况下的等幅振荡。此时可获得临界振荡周期Tk（峰-峰）和控制器临界比例增益Kpb。对于纯比例控制器Kp=0.5Kpb；对于比例积分控制器Kp=0.45Kpb，Ti=0.83Tk；对于比例积分微分控制器Kp=0.5Kpb，Ti=0.5Tk，Td=0.12Tk。

3.3 衰减振荡法

在一些不允许或无法得到等幅振荡的情况下，参数整定可以采用衰减振荡法。衰减振荡法通过系统产生衰减振荡从而达到整定控制参数的目的，两者的唯一区别在于衰减振荡法以在纯比例控制下获取4：1振荡曲线为参数整定的依据。整定过程中，记录下出现4：1衰减比时的比例增益Kpb，并从振荡曲线上得出衰减周期Tk（在4：1曲线中的峰-峰时间）。对于纯比例控制器Kp=Kpb；对于比例积分控制器Kp=0.83Kpb，Ti=0.5Tk；对于比例积分微分控制器Kp=1.25Kpb，Ti=0.3Tk，Td=0.1Tk。

3.4 PID参数整定四原则

在PID参数整定过程中，有以下四项原则需遵守。首先，不同厂家的DCS系统PID默认控制计算方法不同，在使用参数整定方法之前，需了解系统自带PID控制计算方法，然后才能正确使用整定方法，得到良好整定效果。第二，没有任何一种PID参数算法适合于所有回路，使用前也需要对控制回路的特点进行了解。第三，随着现场定位器和调节阀的状态的改变，PID参数也需要及时调整，因此PID参数整定工作日常性、持续性的工作。最后，做参数整定时，要在保证安全的情况下选取工艺稳定的情况下做测试。

4 结束语

对PID控制的理解与对参数整定方法的掌握，有助于工艺及仪表人员在生产条件变化的情况下及时调整控制参数，对生产的安全稳定具有重要意义。

参考文献：

[1]厉玉鸣.化工仪表及自动化[M].北京：化学工业出版社，2011：1-166.

[2]何衍庆，黄海燕，黎冰.集散控制系统原理及应用[M].北京：化学工业出版社，2009.