浅谈PID控制算法在工业中的应用

李勇

四川中烟工业有限责任公司绵阳卷烟厂 621000

摘要：PID算法控制在控制系统中是最基础、最重要的部分、本文简单阐述了PID控制原理及算法分类。

随着计算机、电子、网络等技术的飞速发展，各行各业对自动化技术的要求越来越高，在生产过程中，由于很多因素的干扰，导致自动化控制技术的优点不能完美呈现，PID控制算法因为结构简单、技术性好、调整方便等特点，被广泛应用在工业控制中。

1 PID 控制算法

比例、积分和微分控制作为工业应用中应用最广泛的控制律，简称PID控制[1]。PID控制至今大约有70年左右的历史，其具有很多优点，比如：结构简单、技术性好、调整方便等特点，这些优点让它广泛的被应用在工业各个领域。

PID控制系统原理框图如图1.1所示。系统由PID控制器和被控对象组成。

图1.1  PID控制系统原理框图

作为一种线性控制器,PID的控制偏差由给定rin(k)与输出youk(k)决定。

  e(k)=rin(k)-youk(k)                       （1-1）

PID控制是在对偏差信号进行比例、积分和微分运算后形成控制律。

2  PID算法的分类

随着科技的发展，PID算法也得到了很大的发展，PID控制有两种，分别为位置式PID和增量式PID。由于位置式PID会产生较大的累计偏差，系统会出现超调现象不常用。相反，增量式PID具有误差积累小、适用于步进电机和直流电机、对被控对象的影响小等优点，所以工业应用中广泛使用增量式PID算法控制。

2.1  比例调节（P）

比例调节是PID算法中最简单的一种调节方式。它调节的特点是输出与偏差e成正比，控制规律如下：

Y=Kp*e+yo（1-2）                                  

式中Kp为比例系数，yO为偏差为0时的输出值。

当输出值偏离给定值时，控制变量的大小将随着偏差的减小而变化并由比例调节器自动调整。比例系数Kp将决定比例调节器的调整速度，但Kp的大小必须在合理的范围内，因为Kp越大，调整速度越快,否则，会发生超调或振荡；Kp越小，调整速度越慢，但Kp不能太小，否则就不会产生调整效果。比例调节器具有控制律简单、参数调整方便等优点，但是它只能实行无静差值的调节，如果参数发生变化，控制系统很难产生新的静差值。

2.2  积分调节（PI）

在积分调节中，控制器的输出youk(k)与输入rin(k)误差信号的积分成正比。在自动控制系统中，如果控制系统进入稳态后出现稳态误差，则可以引入“积分项”来消除稳态误差。这里的积分项取决于时间的积分，并随着时间的增加而增加。由此可知，积分项的大小跟误差没有直接的关联，即便初始误差很小，但随着时间的增加，误差也会加大。可以通过增大控制器的输出以减小稳态误差的值，减小直至为0。积分调节常与其他两种调节方式组合，组合成PI调节器或者是PID调节器，使系统在进入稳态后无误差。

2.3  微分调节（D）

在微分控制中，控制器的输出youk(k)与输入rin(k)误差信号的微分成正比。在误差控制的过程中，由于惯性元件或磁滞元件的抑制作用导致自动控制系统可能振荡甚至不稳定，其变化滞后于误差。为了解决这个问题，误差抑制的效果可以“超前”，具有预见性，在误差没有形成之前，就已被微分调节作用消除，换句话说就是误差接近0时，抑制误差的作用就为0。显然，在PID算法控制中，只有比例+积分是不够的，微分调节与其他两种调节方式相结合，组成PD调节或PID调节，以此改善系统的性能

3 PID恒速控制系统框图

箭头的指向表明信号的输入，指出表示信号输出，最后用负反馈对信号进行修正，如图1.2所示

 

 

 

r(k)e(k)               油门控制                  油门开度      传感器       

 

                             系统u(k)                g(k)           c(k)

转速反馈信号z(k)

图1.2  PID恒速控制系统框图

其中，C(k)是被控对象的受控变量。它是生产过程中需要控制的变量。z(k)是被控变量的测量值，r(k)是给定值，u(k)是控制信号，g(k)是执行信号，c(k)是输出信号，e(k)是给定值与测量值之间的偏差，e(k)=r(k)-z(k)。

整个控制过程：首先输入给定的系统信号r(k)，与反馈信号z(k)进行比较，得到偏差信号e(k)，在控制器中校正偏差信号，通过运算得到控制信号u(k)；并将执行信号g(k)发送给执行器器以控制被控对象以达到所需的动作。在整个过程中，都会受到外界的干扰，因此利用负反馈进行调整。

4 结束语

PID算法控制作为一种优良的控制系统，能够克服工业控制中的许多不稳定因素，具有很强的适应性，因此被广泛应用于各类工业场合，在智能化、数字化飞速发达的时代，PID的应用范围将更为广泛。

主要参考资料：

[1]  孙林军 智能PID控制研究，[硕士学位论文]，浙江工业大学，2003.