PID控制在过程控制中的应用

过程控制中的PID控制刘猛摘要：本文给出了PID的定义，解析了PID在过程控制中具体作用，最后给出了一些PI控制在过程控制中的例子，并且分析了PID在例子具体的功能。关键词：过程控制；PID控制；应用Abstract:thispapergivesthedefinitionofPID,thespecificanalyticalofPIDroleinprocesscontrol,finallygivessomeexamplesinprocesscontrol,andanalysesthefunctionofPIDinspecificexamples.Keywords:processcontrol;PIDcontrol;application.在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。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的.最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律，它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。1.PID控制的环节1.1比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。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K-D过大将会导致系统不稳定。1.2积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到接近于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后几乎无稳态误差。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。1.3微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。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。1.4PID控制最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律，它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。当偏差节约出现时，微分能立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变：比例同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定：而积分作用慢慢把余差克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。，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。1.5参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。两种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：⑴首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；⑵仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；⑶在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。对于温度系统：P（%）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5--3对于流量系统：P（%）40--100，I（分）0.1--1对于压力系统：P（%）30--70，I（分）0.4--3对于液位系统：P（%）20--80，I（分）1—52.PID控制的应用实例2.1热工过程控制中在化工与热工生产过程中，受控对象是一阶惯性环节带一个滞后环节，用它推导出数字PID控制器时，处理滞后环节，采用一阶pade近似表达式，不采用零阶pade近似表达式。由于流量在实时变化，滞后环节的滞后时间也在实时变化，滞后时间与其成反比。因此，要求PID控制器的Kp、Ti和Td3个参数用模糊控制技术作相应的调整，达到理想的控制效果。2.2抄纸过程工艺中的纸张定量控制普通长网纸机的工艺流程：来自制浆过程的成浆，经过浓度调节成为3%左右的中浆。将其泵入调浆箱与白水混合稀释成0.7%左右的低浓浆。再经除渣和筛选，送入流浆箱低部的堰板，喷射到铜网上。然后又经铜网尾部的吸水箱及伏辊脱水，纸页即已基本成型。再经压榨,烘干,施胶,压光和卷取便形成成品纸。纸张定量是评价纸张质量的重要指标之一，影响纸张定量的因素很多。对其控制的难度较大，具体表现为：定量控制回路的大时滞特性!纸张定量检测点（纸张卷取处）与执行机构(定量调节阀,调浆箱进浆口管道上)之间的距离较长,滞后时间根据纸机车速的不同一到十几分钟不等。J定量与水分之间的强耦合特点。为解决这一问题,一般的做法是通过解耦将定量控制回路和水分回路分开，但由于抄纸过程机理复杂，建模的不准确性常导致这一策略失灵。K抄纸过程自身的参数摄动,时变非线性因素。这些因素使得抄纸过程精确的数学模型难以得到，一些高级过程控制算法，如多变量解耦控制,最小方差控制,自适应控制等难以运用降低了控制质量。因此，寻找适用于大时滞过程,对过程模型的依赖性小且鲁棒性强的控制算法是提高抄纸过程控制质量的关键。此处就可以采用PID控制法解决纸张定量的难题。2.3恒压喷灌控制系统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QLJ与Q0供水量相等时，压力反馈信号y(1)等于目标压力信号r(K),此时的偏差为e(K)=y(K)-r(K)：0，则控制增量为au(K)=0，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1中的0—t1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Q0水压下降，压力反馈信号Y(K)减小，此时偏差e(K)=y(K)一r(K)0，PID调节器输出的控制增iAu(K)0，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au(r)0都在时刻变化当中，其变化过程如图1中的一段所示，其中段调节后新的稳态。图1恒压喷灌PID调节过程(3)用水量减少时当用水需求Q减少即用水量降低，供水量Q。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au(K)0，降低变频器的输出频率，同时降低水泵转速，从而降低了供水能力减少了供水量，最终达到一个新的稳态，使压力回复，维持供需平衡，这一动态变化过程如图1中的t3．t4段，之后是新平衡状态。3.PID控制应用的发展方向在生产过程中为了提高产品质量，增加产量，节约原材料，要求生产管理及生产过程始终处于最优工作状态。因此产生了一种最优控制的方法，这就叫自适应控制。在这种控制中要求系统能够根据被测参数，环境及原材料的成本的变化而自动对系统进行调节，使系统随时处于最佳状态。自适应控制包括性能估计（辨别）、决策和修改三个环节。它是微机控制系统的发展方向。但由于控制规律难以掌握，所以推广起来尚有一些难以解决的问题。入自适应的pid控制就带有了一些智能特点，像生物一样能适应外界条件的变化。还有自学习系统，就更加智能化了。参考文献：[1]史智慧.浅析在过程控制中PID控制的应用.科协论坛，2012年第七期（下）68-69.[2]汤伟，施颂椒，王孟效.大时滞过程自整定H1I及其在定量控制中的应用.上海交通大学学报，2002年第36卷第4期560-561[3]刘双庆.模糊PID在热工过程控制中的应用.电脑开发与应用，2-13年第26卷第3期.