浅析在过程控制中PID控制的应用

摘　要：在生产过程自动控制的几十年发展史中，PID控制是基本的控制方式之一，大约70年前，PID控制器问世，它以原理简单、使用方便、灵活度高、鲁棒性强等优点成为工业控制的主要技术之一。主要概述了PID控制的基本原理，重点分析了PID三种调节模式，并结合恒压喷灌的控制实例，分析了PID控制在实际运用中是如何工作的，并就此分析了PID控制在工业中的适用性。

关键词：PID　过程控制　工作原理　适用性

中图分类号：TP27

文献标识码：A

文章编号：1007-3973（2012）007-068-02

自其有历史的近70年来，以偏差的P调节、I调节、D调节为基础而组合进行的PID控制发展为在生产过程控制中，应用最为广泛的一种自动控制器。在计算机用于生产过程之前，气动、液动和电动的PID调节器在连续过程控制系统中，几乎占据着垄断地位。它之所以至今仍然是一种最基本的控制方式，是因为它能适应大多数工业对象的控制要求，PID控制至今仍然是工程应用中首选的控制方法之一。

1 PID控制的基本原理

如图1，这是一个基本的PID单回路控制系统框图，其中，r(t)为设定值，c(t)为被控参数。

在理想PID控制器中，其运算规律可以用下式表示：

其中，u(t)——控制器输出；e(t)——控制器输入的偏差信号，而e(t)=r(t) -c(t)。

PID控制器原理简单，就是通过负反馈环节得到系统的误差，接着调节各个环节的控制参数，使误差趋于零，从而达到控制要求。一般情况下，根据控制系统中执行机构和控制方法的不同，算法又分为位置型、增量型和速度型，实际应用中如阀门开度的变化、液置的变化和转速的控制就一一对应这些类型。

2 PID控制的三个环节及应用实例

2.1 比例环节（P调节）

调节器的输出信号与偏差信号成正比，也就是说，只要有偏差存在，控制器的输出就会立刻与偏差成正比地变化，因此P调节响应速度很快。P调节可以及时反映出系统当前的变化，但却不能彻底地消除系统存在的偏差，因此，如果在实际控制过程中只采用P调节，就会使系统产生残差，Kp增大可以使系统偏差随之减少，实际上，如果Kp过大将会导致系统不稳定。

2.2 积分环节（I调节）

控制器的输出与偏差存在的时间并非没有关系，实际上，控制器的输出与偏差关于时间的积分成线性关系。一旦系统存在偏差，控制器就要随其作出相应的改变，直到系统的输入量与输出量一致，控制器的输出才会维持不变。I调节的存在主要是为了消除系统偏差，并提高系统的无差度精度。由基本运算规律可见，积分时间的大小决定了积分作用的强弱，积分时间越大，积分作用越弱，引起系统超调量的加大；积分作用越强，反而易引起系统振荡。

2.3 微分环节（D调节）

D调节是根据偏差的变化速度进行控制的，即使偏差很小，但只要有变化趋势，该环节就会其做出反应，并在输出量偏离设定值更远之前，适当引入一个修正信号，加快系统的控制速度，从而减少调节需要的时间。D调节的主要作用是减小超调量，控制被控对象输出的振荡，缩短系统的响应时间，由此提高系统的动态特性。但过大的TD将会降低对干扰信号的抑制能力。

P、I、D这三种调节方式是相互独立的，但是，对大多数控制系统来讲，要取得良好的控制性能，仅仅使用一种控制规律是不够的，故而只要能将三种作用合理的搭配，就能取得快速准确而平稳的调节性能，获得优良的控制效果，这也就是PID调节的魅力所在。

2.4 PID控制的应用实例

现有一个恒压喷灌控制系统，主要组成部分是：传感器（监测量包括压力、水位和土壤湿度）、恒压控制单元、水泵机组、变频器以及低压电器等，各个部件相互连接构成了一个闭环控制系统。其主要功能是通过恒压控制单元，使变频器可以控制一台水泵或以循环的方式分别控制两台水泵，从而达到使管网水压恒压或在恒压值上下波动的目的，不仅如此，还要使水泵电机软启动以及在变频水泵与工频泵之间切换，同时能传输运行数据。

其大体实现步骤是：首先给PID调节器预设一个适当的目标压力值，其值的设定要根据喷灌管网对水压的要求及一定的操作经验，当传感器收到管道中的实际水压后，由压力变送器将其转换成（4-20）mA的模拟电流信号，并将其反馈给PID调节器，PID调节器再根据已经设定目标压力值和实际压力值的偏差计算出调节量，并对变频器的输出频率作出相应的改动，进而调节电机的转速，使供水量与用水量达到一个较为动态的平衡状态，维持水压不变，具体调节过程如下：

(1)稳态运行

当用水的需求量QU与QG供水量相等时，压力反馈信号y(K)等于目标压力信号r(K) ，此时的偏差为，则控制增量为，也就是说此时并不发生调节，变频器的输出频率维持不变，水泵的转速也不改变，系统仍然处于稳态运行，如图2中的 段所示。

(2)用水量增加时

用水需求QU增大即用水量增加，此时用水量明显大于供水量QG水压下降，压力反馈信号y(K)减小，此时偏差 ，PID调节器输出的控制增量 ，增大变频器的输出频率，使得水泵转速升高，从而增加了供水量，直到最后达到另一个新的平衡，使压力重新增大，达到设定值或其附近，维持供需平衡。这是一个达到动态平衡的过程，在达到新平衡状态之前，压力反馈信号y(K)、偏差e(K)及控制增量 都在时刻变化当中，其变化过程如图2中的 段所示，其中段调节后新的稳态。

(3)用水量减少时

当用水需求 Qu减少即用水量降低，供水量QG 过大 ，使得水压上升，压力反馈信号y(K) 变大，偏差e(K)= y(K)-r(K)>0，PID调节器输出的控制增量%=u(K)

3 PID控制的优缺点及工业适用性

PID控制有诸多优点，但从本质上来讲即鲁棒性和智能化。这里笔者就内模控制系统进行简要论述。

内模控制器不一定是采用PID控制，根据其被控对象特性的不同也可能是采用PI 控制、PD控制或者是PDPD算法。Smith预估控制器是内模控制系统的一个典型例子，仿真实验表明：当对象的纯滞后时间与时间常数之比/T大于0.6时，采用PID控制后的输出的品质不如采用P控制的品质好。而当接近于T时，或>T时，此时可以采用内模控制。

4 结语

PID控制作为目前工程中最广泛应用的基本控制方式，具有原理简单，使用方便等优点。其控制参数Kp、Ki和Kd的确定是PID控制的关键。PID调节是一种古老的系统调节方式，但由于它自身的优点，使其仍有广阔的应用前景，随着电子计算机的诞生和发展，虽然涌现出许多新的控制方式，但目前还找不出一种可以替代它的调节方式。

参考文献：

[1]　张剑平.PID控制原理及其在监控系统中的应用[J].四川水力发电,2010(02).

[2]　李秀娟.基于虚拟仪器技术在PID控制系统中的应用[J].机电工程技术,2007(06).

[3]　孟昕元,陈震.PID调节的适用性[J].河南机电高等专科学校学报,2002(02).