PID控制在过程控制中的应用探讨

时间:2022-09-04 04:58:11

PID控制在过程控制中的应用探讨

科技的进步使生产的过程不断发展,尤其是过程自动化控制发展迅速,PID控制就是基本控制方法之一,上世纪四十年代,PID控制器出现,其原理非常简单,应用过程比较便利,具有很高的灵活性,这些优点就使其成为过程控制的基本技术,本文主要对PID控制原理进行概述,分析其中3种调节的模式,并对其在实际生活中如何运作进行分析,以便为PID控制的应用提供借鉴。

【关键词】PID控制 过程控制 原理 应用

自PID控制诞生以来,在工业生产的过程中,已经成为使用最广泛的控制器,随着科技的进步,计算机科技不断发展,自动化控制技术也不断改进,电动、液动和气动PID控制器在过程控制的系统内,几乎有着垄断的地位,如今还是基本控制的方式之一,因为其能够适应大部分工业控制的要求,所以应用的范围依然广阔。

1 PID控制原理

PID控制的原理非常简单,就是借助负反馈部分获得系统误差,接着对不同环节控制的参数进行调节,把误差降低到零,进而实现控制的要求。一般来说,按照过程控制系统内控制的方法与执行的机构不同,其算法可以分成速度、增量和位置三种型号,在实际进行应用时,转速控制、液体的位置和阀门的开度变化就是与这些不同的类型相对应。

2 PID控制的环节

2.1 比例环节(P调节)

PID控制器输出的信号和偏差的信号之间是正比的关系,换句话说,只要存在偏差,其输出信号就立即和偏差有正比变化,所以P调节反应的速度会很快。这种调节方式能够对系统目前变化进行及时的反映,但是无法彻底消除整个系统内存在地偏差,所以实际进行控制的过程中,如果只使用比例调节,系统就会出现残差,Kp变大,系统的偏差会随之降低,但是实际上,Kp如果太大,就可能使系统变得不稳定。

2.2 积分环节(I调节)

控制器输出和偏差的存在时间也有一定关系,事实上,输出和偏差存在时间积分,呈线性联系,如果系统出现偏差,控制器就需要随之作出调节,直到整个系统输出和输入量相同,控制器输出才可以保持不变。I调节的作用就是去除整个系统的偏差,提高其无偏差的精度。从基本的运算过程看,积分的时间大小对积分的作用强弱有决定性,积分的时间越久,积分的作用也就越弱,造成系统超调量增大,积分的作用如果越强,反而可能造成系统的动荡。

2.3 微分环节(D调节)

这一调节方式主要是按照偏差变化的速度对其进行控制,只要出现变化的趋势,这一环节就能够做出相应的反应,然后在输出量与设定值的偏离更远前,引入适当修正的信号,提高系统控制的速度,进而降低控制所需时间。D调节主要用于降低超调量,对被控制对象的输出振荡进行控制,减少系统响应的时间,进而增加系统动态的特性,但是如果TD太大,就会使其对干扰信号进行抑制的能力降低。

以上调节的方式互相独立,但对于大部分控制的系统,要想获得较好控制的性能,往往需要三种方式合理搭配,进而获得平稳、准确调节的性能,取得较好控制的效果。

3 PID控制应用的实例

以某个恒压喷灌系统为例,主要部分为传感器、控制的单元和低压电器以及水泵机组等,不同部分互相连接形成闭环的控制体系,主要的功能是借助恒压控制单元,使变频器能够控制1台水泵,或者使用循环方式使其控制2台水泵,进而使管网的水压保持恒压,或者在恒压附近保持波动目的,还要能对运行的数据进行传输。

基本实现的步骤为:第一,要给PID控制器预设合适目标的压力值,这种压力值设定时,要按照喷灌的管网要求水压和相关操作的经验进行,如果传感器接收到管道内实际的水压,就由压力变送器把它转变成(4-20)mA模拟的电流信号,然后反馈到PID控制器,PID控制器在按照设定好的压力值与实际的压力值之间的偏差,对需要调节的数值进行计算;然后对变频器输出的频率进行改动,进而对电机转速进行调节,使用水量和供水量之间形成动态平衡的状态,保持水压恒定,具体的调节程序如下:

(1)稳定运行状态。如果用水需求数量和供水的数量是相等的,对压力进行反馈的信号就和目标的压力信号相等,此时偏差是零,控制的增量也是零,换句话说,不需要进行调节,变频器输出的频率保持不变,水泵转速也不变,整个系统处于稳定运行的状态。

(2) 如果用水量扩大,也就是用水的需求增加,这时用水量会超过供水量,水压就会下降,对压力进行反馈的信号减少,这时偏差会小于零,输出控制的增量则大于零,就要增加变频器输出的频率,使水泵的转速不断提升,进而增加其供水量,直到其形成平衡的状态,增加压力,使之在设定数值附近或者到达设定的数值,进而使供需之间保持平衡。这种过程是动态不断平衡的过程,在到达平衡的状态前,各个环节都处于不断的变化中,直到形成新的平衡。

(3) 如果用水量降低,也就是用水的需求降低,这时,供水量就会超过用水量,造成水压的上升,对压力进行反馈的信号增大,偏差就会大于零,PID控制器输出控制的增量则小于零,就要对变频器输出的频率进行降低,同时还要减少水泵的转速,进而使供水的能力得到减少,降低供水数量,以便形成新的平衡状态,恢复原来的压力,保持供需之间的平衡。

(4) PID控制器的优点以及适用性。PID控制器有很多优点,但是从其本质来看,就是智能化和鲁棒性,这里对其内模控制进行介绍。内模的控制器可能不会使用PID控制,按照被控制对象不同的特性,也可以采取其他的控制如PD控制,相关的实验证明,如果对象纯滞后的时间和时间的常数比T超过0.6,使用PID控制输出品质可能会比使用P控制输出的品质差,但是如果其接近T,或者大于T时,这时就可以使用内模控制。

4 结语

综上所述,PID控制在工业的控制中具有重要的意义,其使用过程非常便利,具有很高的灵活性,应用的范围非常广泛,但是在实际应用过程中还有一些局限性。所以需要加大研究力度,不断对其进行改进和完善,可以加大和外国先进技术的交流与沟通,取长补短,根据我国实际情况,切实发挥其调节的作用,促进我国工业的发展。

参考文献

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作者简介

李刘川(1995-),男,河北省人。大学本科学历。现为中南大学信息科学与工程学院大学本科学生。主要研究方向为测控技术与仪器。

作者单位

中南大学信息科学与工程学院 湖南省长沙市 410083

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