在常用的控制中，不但對(duì)控制的穩(wěn)定程度有要求，對(duì)動(dòng)態(tài)指標(biāo)也有要求，都要求負(fù)載發(fā)生變化或調(diào)節(jié)器給定值調(diào)整等引起控制變化后，控制系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。本文詳實(shí)闡述了三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系和相互之間的影響，為現(xiàn)場(chǎng)快速調(diào)整提供了依據(jù)。

PID三個(gè)參數(shù)分別代表比例、積分、微分，PID控制的重點(diǎn)不是怎樣編制控制程序，而是在于怎樣確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，參數(shù)確定的難點(diǎn)是能夠正確地理解各參數(shù)的物理含義。
 
控制機(jī)制上，比例越大調(diào)節(jié)速度就越遲鈍，反之就靈敏，偏差越大調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)。積分越小就趨向靈敏，偏差存在的時(shí)間越久積分調(diào)節(jié)作用越大。微分主要是補(bǔ)償控制滯后的問(wèn)題，微分?jǐn)?shù)值越大調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)烈，偏差變化速率越大微分調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)。實(shí)際上，一般的控制是針對(duì)溫度的，流量整定用比例就行，液位用比例加積分，溫度要用以上三者來(lái)綜合調(diào)整。

1、PID調(diào)節(jié)器的適用范圍
傳統(tǒng)的控制方法是運(yùn)用PID調(diào)節(jié)參數(shù)控制，它適用在液位、流量、壓力、溫度等的現(xiàn)場(chǎng)控制。在不同形式的控制現(xiàn)場(chǎng)，只是PID設(shè)置參數(shù)值的不同，只要參數(shù)設(shè)置得當(dāng)大多可以達(dá)到很好的控制效果(控制效果取決于PID調(diào)節(jié)器的控制算法和參數(shù)，在多數(shù)工況下，控制算法的作用更加明顯)。PID參數(shù)整定，特別是在現(xiàn)場(chǎng)，需要冷靜的觀察與PID參數(shù)整定口訣結(jié)合，多次實(shí)踐后定會(huì)有所提高。PID口訣本站內(nèi)有數(shù)篇原創(chuàng)文章，大家可站內(nèi)搜索。


2、PID參數(shù)的意義和作用指標(biāo)分析
①比例定義與作用
在實(shí)際控制中，輸出的大小與誤差的大小成正比關(guān)系，當(dāng)誤差占整體量程的百分比達(dá)到P值時(shí)，比例作用的輸出為100%，這時(shí)的P就定義為比例帶參數(shù)。

②比例控制
在實(shí)際工作中，有經(jīng)驗(yàn)的師傅在手動(dòng)控制加熱爐的爐溫時(shí)，往往可以獲得非常好的控制效果，PID控制與人工控制在方法原理上基本相同。例如，操作人員用比例控制的思維進(jìn)行手動(dòng)控制電加熱爐的爐溫，操作人員事先知道爐溫穩(wěn)定在給定值時(shí)，控制電位器所處的位置角度（我們將它稱為位置S），并且會(huì)根據(jù)當(dāng)時(shí)的溫度誤差值去調(diào)整電位器的旋轉(zhuǎn)角度，從而控制加熱電流強(qiáng)度。當(dāng)爐溫小于給定值時(shí)，此時(shí)誤差為正，可在電位器位置S的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)脑龃箅娢黄鞯男D(zhuǎn)角度，以增大加熱的電流。當(dāng)爐溫大于給定值時(shí)，誤差為負(fù)，在位置S的基礎(chǔ)上適當(dāng)減小電位器的旋轉(zhuǎn)角度，并使得角度與位置S的差值和誤差成正比，上述控制思路就是所說(shuō)比例控制。增大比例系數(shù)可以使控制系統(tǒng)反應(yīng)特別靈敏，調(diào)節(jié)速度加快，減小穩(wěn)態(tài)時(shí)的誤差。但是比例調(diào)整得過(guò)大會(huì)造成超調(diào)量增大，造成振蕩頻次增加，調(diào)整時(shí)間延長(zhǎng)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能變壞。

③積分定義與作用
在對(duì)某一恒定的誤差進(jìn)行積分，令其積分“I”秒后，其積分輸出與比例作用相同，這I就定義為積分時(shí)間。
在實(shí)際控制中，只要有誤差的存在，就會(huì)對(duì)誤差進(jìn)行積分，使得控制輸出繼續(xù)增大或減小，直到誤差為零時(shí)，積分作用才停止，輸出不再變化。系統(tǒng)的PV值保持穩(wěn)定，當(dāng)PV值等于SP值時(shí)，表示達(dá)到了所需的控制效果。

但由于實(shí)際的控制系統(tǒng)不能隨著輸出值立即跟隨發(fā)生變化，在輸出變化后，PV值不會(huì)馬上跟隨變化，要等待一些時(shí)間才逐步發(fā)生變化，因此積分變化速度的快慢必須與實(shí)際系統(tǒng)的慣性相匹配，慣性越大、積分作用就應(yīng)該弱些，積分時(shí)間I就應(yīng)該大些，反之亦然。如果積分作用太強(qiáng)，積分輸出變化過(guò)快，就會(huì)發(fā)生積分超調(diào)而引起振蕩。

④積分控制
PID調(diào)節(jié)器中的積分對(duì)應(yīng)于下圖1中誤差曲線與坐標(biāo)軸包圍的面積（圖中灰色部分）。PID控制程序是周期性進(jìn)行的，其周期稱為采樣周期。計(jì)算機(jī)的程序用圖1中各矩形面積之和來(lái)近似的積分，圖中的TS就是采樣周期。

圖1   PID調(diào)節(jié)器積分運(yùn)算示意圖

調(diào)節(jié)器在每次PID運(yùn)算時(shí)，在原有的積分值基礎(chǔ)上，會(huì)增加一個(gè)與當(dāng)前的誤差值ev（n）成正比的微小部分。誤差為負(fù)值時(shí)，積分的增量為負(fù)值。
而當(dāng)人們?cè)谑謩?dòng)調(diào)節(jié)溫度時(shí)，積分控制相當(dāng)于根據(jù)當(dāng)時(shí)的誤差值，反復(fù)地微調(diào)電位器的旋轉(zhuǎn)角度，每次電位器調(diào)節(jié)的角度值與當(dāng)時(shí)的誤差值成正比關(guān)系。溫度低于設(shè)定值時(shí)誤差為正值，積分增大，使加熱電流逐漸增大。因此只要誤差不為零，調(diào)節(jié)器的輸出就會(huì)在積分作用下不斷變化。一直要到系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)誤差恒為零，比例部分和微分部分均為零時(shí)，積分部分才不再發(fā)生變化，并且剛好等于穩(wěn)態(tài)時(shí)所需要的控制器輸出值，由此等同于溫度控制系統(tǒng)中電位器轉(zhuǎn)角的位置S。

⑤D微分定義與作用
D是微分作用的持續(xù)時(shí)間，表示從微分作用產(chǎn)生時(shí)刻起到微分作用減小到零(接近零)時(shí)為止，系統(tǒng)所用的時(shí)間。
微分作用是在產(chǎn)生誤差之前，預(yù)先發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)生誤差的趨勢(shì)時(shí)就開始調(diào)節(jié)，是提前控制，可以最大限度地減少動(dòng)態(tài)誤差，使系統(tǒng)控制效果更好。但是微分作用只能作為比例和積分控制的一種補(bǔ)充作用不能起到主導(dǎo)作用。微分作用也不能太強(qiáng)，太強(qiáng)也會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定而產(chǎn)生振蕩，微分只能在P和I調(diào)好后逐步再由小往大調(diào)整，一點(diǎn)一點(diǎn)的加上去。

⑥微分控制
誤差的微分就是誤差的變化速率，誤差增大時(shí)，微分為正；誤差減小時(shí)，微分為負(fù)?？刂破鬏敵龅奈⒎峙c誤差的微分成正比，這反映了被控量變化的趨勢(shì)。
有經(jīng)驗(yàn)的操作人員往往在溫度上升過(guò)快，但是尚未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，會(huì)預(yù)感到溫度將會(huì)超過(guò)預(yù)先的設(shè)定值，而出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，于是會(huì)及時(shí)調(diào)節(jié)電位器的旋轉(zhuǎn)角度，提前減小加熱的電流。

圖2    階躍響應(yīng)曲線
上圖2中的c(∞)為被控量c(t)的穩(wěn)態(tài)值或被控量的期望值，誤差e(t)=c(∞)-c(t)。在圖2中啟動(dòng)過(guò)程的上升階段，被控量尚未超過(guò)其穩(wěn)態(tài)值，但是因誤差e(t)不斷減小，誤差的微分和控制器輸出的微分部分為負(fù)值，減小了控制器的輸出量，相當(dāng)于提前給出了制動(dòng)作用，所以可以減少超調(diào)量。因此微分控制具有超前和預(yù)測(cè)的特性，在超調(diào)尚未出現(xiàn)之前就能提前起到控制作用。
對(duì)于有較大的滯后特性的被控對(duì)象，如果PI控制的效果不是很理想，可以考慮適當(dāng)?shù)脑黾游⒎挚刂屏?，用以改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。如果將微分時(shí)間設(shè)置為0，微分部分不發(fā)生作用。
微分控制的缺點(diǎn)是對(duì)干擾噪聲比較敏感，使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低，因此可在微分部分增加慣性濾波環(huán)節(jié)，濾除干擾噪波。

3、PI控制
調(diào)節(jié)器輸出中的積分與當(dāng)前的誤差值和過(guò)去歷次誤差值的累加值成正比，因此積分作用本身就具有嚴(yán)重的滯后特性，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。此時(shí)的積分系數(shù)設(shè)置得不合理，其負(fù)面作用就很難通過(guò)積分的作用迅速地進(jìn)行修正。如比例項(xiàng)沒(méi)有延遲，只要誤差出現(xiàn)，比例部分就會(huì)立即起作用。因此積分作用很少單獨(dú)使用，它往往與比例和微分聯(lián)合使用，組成PI或PID控制器。

PI和PID調(diào)節(jié)器不僅克服了單純的比例調(diào)節(jié)有穩(wěn)態(tài)誤差的缺點(diǎn)，并且避免了單純的積分調(diào)節(jié)響應(yīng)慢、動(dòng)態(tài)性能不好的缺點(diǎn)，因此在實(shí)際工作中被廣泛使用。

4、綜合調(diào)試
比例，積分和微分，三者相互作用的關(guān)系是：比例主要起調(diào)節(jié)作用，是主導(dǎo)性的。
積分作用是輔助調(diào)節(jié)作用；微分作用是補(bǔ)償作用。在實(shí)際調(diào)試時(shí)可按照以下步驟進(jìn)行：
①首先檢查PID調(diào)節(jié)器，關(guān)掉積分作用和微分作用，先調(diào)整P。即令I(lǐng)＞3600s，D=0s，將P由大往小調(diào)整達(dá)到能快速響應(yīng)，又不產(chǎn)生振蕩為好，最后需要結(jié)合控制的量程進(jìn)行估算。
②當(dāng)P調(diào)好后再調(diào)整I，I值由大往小調(diào)，以便能夠快速響應(yīng)，消除靜差，而又不產(chǎn)生超調(diào)為止，調(diào)整中應(yīng)考慮與系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)相匹配。
③在P、I參數(shù)調(diào)好后，再調(diào)D值。系統(tǒng)D=0，1或2，在滯后較大的系統(tǒng)，D值才可以調(diào)大些。
④PID參數(shù)修改后，可以少量調(diào)整給定值，觀察系統(tǒng)的跟蹤響應(yīng)情況，判斷PID參數(shù)是否合適。
⑤如果P值太小，I值太小或D值太大均會(huì)引起系統(tǒng)超調(diào)而發(fā)生振蕩。
⑥對(duì)于個(gè)別系統(tǒng)，如加溫快降溫慢，或升壓快降壓慢，或液位升得快降得慢等不平衡系統(tǒng)是很難控制的，更難兼顧動(dòng)態(tài)指標(biāo)，這種情況下往往只能將P調(diào)大些，I值也調(diào)大些，犧牲動(dòng)態(tài)指標(biāo)來(lái)保證穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。

在調(diào)整PID調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)，應(yīng)先根據(jù)調(diào)節(jié)器的參數(shù)與所在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能之間的關(guān)系，用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方法不斷調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器的參數(shù)。在調(diào)試中最重要的問(wèn)題是在系統(tǒng)性能無(wú)法達(dá)到令人滿意的效果時(shí)，要知道應(yīng)該調(diào)節(jié)哪一個(gè)參數(shù)，該參數(shù)應(yīng)該增大還是減小。假如階躍響應(yīng)的超調(diào)量過(guò)大，經(jīng)過(guò)多次振蕩后才能逐步穩(wěn)定或者根本無(wú)法穩(wěn)定，此時(shí)，應(yīng)減小比例系數(shù)、增大積分時(shí)間。如階躍響應(yīng)沒(méi)有超調(diào)量，但是被控量變化過(guò)于緩慢，應(yīng)按相反的方向調(diào)整參數(shù)值。

經(jīng)反復(fù)調(diào)節(jié)比例系數(shù)和積分時(shí)間，但超調(diào)量仍然較大，此時(shí)就可以加入微分控制，微分時(shí)間從0逐漸往大調(diào)節(jié)。

總之，PID參數(shù)的調(diào)試是一個(gè)綜合性、各參數(shù)互相影響和相互關(guān)聯(lián)的過(guò)程，實(shí)際調(diào)試時(shí)的反復(fù)嘗試是非常重要的，也是必須做的。
作者：特變電工股份公司新疆后勤管理分公司 周云濤