【文章內容簡介】 tive）簡介PID 控制問世至今已有近 70 年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用 PID 控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術。山東科技大學自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）6 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 目前 PID 控制在工業(yè)控制系統(tǒng)中無處不見，隨著控制效果的要求不斷提高，PID 逐漸向智能化發(fā)展，但形形色色“時髦”的現(xiàn)代控制理論中的 PID 最終還是源自經(jīng)典 PID 理論?！　槭裁?PID 應用如此廣泛、又長久不衰？是因為 PID 解決了自動控制理論所要解決的最基本問題，既系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性。調節(jié) PID 的參數(shù)，可實現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力，同時，在 PID 調節(jié)器中引入積分項，系統(tǒng)增加了一個零積點，使之成為一階或一階以上的系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)階躍響應的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。由于自動控制系統(tǒng)被控對象的千差萬別，PID 的參數(shù)也必須隨之變化，以滿足系統(tǒng)的性能要求。這就給使用者帶來相當?shù)穆闊??！　∧壳肮I(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智慧控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和死循環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構﹑輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接 口﹑執(zhí)行機構﹐加到被控系統(tǒng)上﹔控制系統(tǒng)的被控量﹐經(jīng)過傳感器﹐變送器﹐通過輸入接口送到控制器。 不同的控制系統(tǒng)﹐其傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID 控制及其控制器或智慧 PID 控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID 控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有 PID 參數(shù)自整定功能的智能調節(jié)器(intelligent regulator)，其中 PID 控制器參數(shù)的自動調整是通過智慧化調整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)。有利用 PID 控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn) PID 控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn) PID 控制的 PC 系統(tǒng)等等。 可編程控制器(PLC) 是利用其死循環(huán)控制模塊來實現(xiàn) PID 控制。 PID 控制算法在生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)中，控制器上很重要的組成部分?？刂破鲗⑾到y(tǒng)被控變量測量值與設定值相比較，如果存在偏差，就按預先設置的不同控制規(guī)律發(fā)出控制信號，控制生產(chǎn)過程，使被控變量的測量值與設定值相等?？刂破鞯妮敵鲂盘栯S偏差的變化而變化的規(guī)律叫做控制規(guī)律。通常常用的控制規(guī)律有比例（P）控制、比例積分（PI）控制、比例微分（PD）控制和比例積分微分（PID）控制。 PID 參數(shù)的整定方法PID 參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID 參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改；二是工程整定法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。山東科技大學自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）7 PID 參數(shù)工程整定法PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調整與完善?？刂破鲄?shù)經(jīng)驗方法實質上是一種經(jīng)驗湊試法，是工程技術人員在長期生產(chǎn)實踐中總結出來的。它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，先確定一組控制器參數(shù)(見表 21)，并將系統(tǒng)投入運行通過觀察認為加入干擾（改變設定值）后的過渡過程曲線，根據(jù)各種控制作用對過渡過程的不同影響來改變相應的控制參數(shù)制，進行反復湊試，直到獲得滿意的控制質量為止。由于比例作用是最基本的控制作用，經(jīng)驗整定法主要通過調整比例度?的大小來滿足質量指標，有以下兩條整定途徑：表 21 控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)被控變量 規(guī)律的選擇 比例度? 積分時間Ti(min) 微分時間Td(min)流量對象時間常數(shù)小，參數(shù)有波動，? 要大；Ti要短；不用微分40%~100% 0．3~1溫度對象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾變化遲緩，?應??；Ti 要長；一般需要微分20%~60% 3~10 0．5~3壓力對象的容量滯后不算大，一般不需要微分30%~70% 0．4~3液位對象時間常數(shù)范圍較大，要求不高時，? 可在一定范圍內選取，一般不用微分20%~80%①先用單純的比例（P）作用，即尋找合適的比例度?，將人為加入干擾后的過渡過程調整為 4：1 的衰減振蕩過程。然后再加入積分（I）作用，一般先取積分時間 Ti 衰減振蕩周期的一半左右。由于積分作用將使振蕩加劇，在加入積分作用之前，要先減弱比例作用，通常把比例度增加 10%~20%。調整積分時間的大小，直到出現(xiàn) 4：1 的衰減振蕩。需要時，最后加入微分（D）作用之前，可把比例度調整到比純比例度作用時更小一些，還可以把積分時間縮短一些。通過微分時間的湊試，使過渡時間最短，超調最小。②先根據(jù)表 21 選取積分時間 Ti 和微分時間 Td，通常取 Td 設置得不合適，則有可能山東科技大學自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）8得不到要求的理想曲線。這時應適當調整 Ti 和 Td，再重新湊試，使曲線最終符合控制要求。經(jīng)驗整定法適用于各種控制系統(tǒng)，特別適用對象干擾頻繁、過渡過程曲線不規(guī)則的控制系統(tǒng)。但是，使用此方法主要靠經(jīng)驗，對于缺乏經(jīng)驗的操作人員來說，整定所花費的時間較多。所謂臨界比例度法，是在系統(tǒng)閉環(huán)的情況下，用純比例控制的方法獲得臨界振蕩數(shù)據(jù)，即臨界比例度? k 和臨界振蕩周期 Tk，如圖 23 所示，然后利用一些經(jīng)驗公式，求取滿足4：1 衰減振蕩過渡過程的控制器參數(shù)。其整定計算公式見表 22。具體整定步驟如下：①將控制器的積分時間放在最大值（Ti=∞）, 微分時間放在最小值（Td=0） ，比例度?放在較大值后，讓系統(tǒng)投入運行。②逐漸減小比例度，且每改變一次?值時，都通過改變設定值給系統(tǒng)施加一個階躍干擾，同時觀察系統(tǒng)的輸出，直到過渡過程出現(xiàn)等幅震蕩為止。此時的過渡過程稱為臨界振蕩過程，? k 為臨界比例度，Tk 為臨界振蕩周期。③利用?k 和 Tk 這兩個試驗數(shù)據(jù)，按照表中的相應公式，求出控制器的各整定參數(shù)。④將控制器的比例度換成整定后的值，然后依次放上積分時間和微分時間的整定值。如果加入干擾后，過渡過程與 4：1 衰減還有一定差距，可適當調整?值，直到過渡過程滿足要求。圖 23 曲線圖臨界比例度法應用時簡單方便，但必須要注意以下兩點：①此方法在調整過程中必定出現(xiàn)等幅振蕩，從而限制了此方法的使用場合。對于工藝上不允許出現(xiàn)等幅振蕩的系統(tǒng)，如鍋爐水位控制系統(tǒng)，就無法使用該方法；對于某些時間常數(shù)較大的單容量對象，如液位對象或壓力對象，在純比例作用下是不會出現(xiàn)等幅振蕩的，因此不能獲得臨界振蕩的數(shù)據(jù)，從而也無法使用該方法。②使用該方法時，控制系統(tǒng)必須工作在線性區(qū)，否則得到的持續(xù)振蕩曲線可能是極限環(huán)，不能依據(jù)此時的數(shù)據(jù)計算整定參數(shù)。 表 22 臨界比例度法控制器參數(shù)計算控制規(guī)律 比例度?（%） 積分時間 Ti(min） 微分時間 Td(min)P 2?kPI ?k PD ?k PID ?k 山東科技大學自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）9該方法與臨界比例度法的整定過程有些相似，即也是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，先將積分時間置于最大值，微分時間置于最小值，比例度置于最大值，然后讓設定值的變化作為干擾輸入，逐漸減小比例度? 值，觀察系統(tǒng)的輸出響應曲線。按照過渡過程的衰減情況改變? 值，直到系統(tǒng)出現(xiàn) 4：1 的衰減振蕩，如圖 24 所示。記下此時的比例度?s 和衰減振蕩周期 Ts，然后根據(jù)相應的經(jīng)驗公式，求出控制器的整定參數(shù)。其整定計算公式見表 23。圖 24 曲線圖衰減曲線法對大多數(shù)的系統(tǒng)均可使用，且由于試驗過渡過程振蕩的時間較短，又都是衰減振蕩，易為工藝人員所接受，故這種整定方法應用較為廣泛。 表 23 衰減曲線法控制器參數(shù)計算表（4：1 衰減比）控制規(guī)律 比例度?（%） 積分時間 Ti（min） 微分時間 Td(min)P ?sPI ?s PID ?s 4． 反應曲線法反應曲線法是根據(jù)廣義對象的時間特性，通過經(jīng)驗公式的求取的。這是一種開環(huán)的整定方法，又 Ziegler 和 Nichols 于 1942 年首先提出的。當操縱變量做階越變化時，被控變量隨時間的變化曲線稱為反應曲線。對自衡的非振蕩過程，廣義對象的傳遞函數(shù)常用 來近似的， Ko,?和 To 可由反應曲線用eTKGsOs????1)(0圖解法得出。控制器參數(shù)整定的反應曲線法是根據(jù)廣義對象的 Ko, ?和 To。確定控制器的參數(shù)的方法。有了參數(shù) Ko, ?和 To，就可以根據(jù)經(jīng)驗公式，計算出滿足 4：1 衰減振蕩的控制器的整定參數(shù)。見表 24。表 24 反應曲線法控制器參數(shù)計算表（4：1 衰減比）控制規(guī)律 比例度?（%） 積分時間 Ti（min） 微分時間 Td(min)P Ko(?/T)PI Ko(?/T) ?PID (?/T) ? ? PID 各參數(shù)在系統(tǒng)中的作用在單回路控制系統(tǒng)中，由于干擾作用使被控參數(shù)偏離給定值，從而產(chǎn)生偏差。自動控制系統(tǒng)的調節(jié)單元將來自變送器的測量值與給定值想比較后產(chǎn)生的偏差進行比例、積分、山東科技大學自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）10微分（PID）運算，并輸出統(tǒng)一標準信號，去控制執(zhí)行機構的動作，以實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位及其他工藝參數(shù)的自動控制。被控參數(shù)能否回到給定值上來，以及通過怎樣的途徑，經(jīng)過多長的時間回到設定值上來，及控制過程的品質如何，這不僅與對象的特性有關，而且還與調節(jié)器的特性即調節(jié)器的運算規(guī)律（或稱調節(jié)規(guī)律）有關。比例作用 P 只與偏差成正比；積分作用 I 是偏差對時間的積累；微分作用 D 是偏差的變化率。自動調節(jié)系統(tǒng)中當干擾出現(xiàn)的時候微分 D 立即起作用，P 隨偏差增大而明顯起來，兩者首先起克服偏差的作用，使被控量在新值上穩(wěn)定，次新值與設定值的偏差叫余差，而 I隨時間增加逐漸增強，直至克服掉余差，使被控量從返設定值上來。1．比例調節(jié)調節(jié)作用快，能迅速反應誤差，系統(tǒng)一出現(xiàn)偏差，調節(jié)器立即將偏差放大 1/P 倍輸出。 系統(tǒng)存在余差比例帶越大，過渡過程越平穩(wěn)，但余差越大，比例帶越小，過渡過程易振蕩，比例帶太小時，就可能出現(xiàn)發(fā)散振蕩。比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error） 。 2．積分調節(jié)積分調節(jié)作用的輸出變化與輸入偏差的積分成正比，積分調節(jié)作用的輸出不僅取決與偏差信號的大小，還取決于偏差存在的時間，只要有偏差存在,盡管偏差可能很小，但它存在的時間越長，輸出信號就越大，只有消除偏差，輸出才停止變化。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steadystate Error） 。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。3．微分調節(jié)微分調節(jié)的輸出是與被調量的變化率成正比。在比例微分調節(jié)作用下，有時盡管偏差很小，但其變化速度很快，則微分調節(jié)器就有一個較大的輸出。　 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前” ，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項” ，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。山東科技大學自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）11 溫度控制系統(tǒng)概述 溫度控制系統(tǒng)工作原理當房間內溫度變化時會引起溫度傳感器輸出電壓信號的變化，通過與溫度傳感器連接的信號線把變化的電壓信號送入 A/D 模塊，A/D 模塊將其轉