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摘 要：PID是工业自动化水平,是目前衡量各行各业现代化水平的重要标志.PID控制器因其简单的结构、平稳的工作性能、高度的可靠性、简便的调整程序,使得它发明至今七十余年仍然散发出耀眼的光芒,也因此,PID控制器成为当今工业计算机自动控制的主要技术之一.
关 键 词 ：计算机；自动控制系统；参数
中图分类号：TQ114
在实际计算机自动化控制中,有时候我们不能完全了解被控对象的结构参数,并且其数学模型也没有精确的数据资料,此时传统的控制方法无法实现或者操作复杂,因而PID控制技术就成为最佳的选择,在操作过程中,系统控制器的结构参数在实际的操作过程中,通过操作经验和现场调试进行确定.也就是说当我们要控制一个完全不了解的被控对象,并且常规化手段已经无法获取被控对象的结构参数时,PID控制技术成为了应用最广、最为便捷的方法.PID控制器因其简单的结构、平稳的工作性能、高度的可靠性、简便的调整程序,使得它发明至今七十余年仍然散发出耀眼的光芒.
1.自动控制系统的分类
1.1 开环控制系统（open-loop control system）.开环控制系统是一个开放的系统,其输入和输出都是单向的,输出的被控制量没有对输入和系统过程造成任何影响.在整个系统没有任何过程需要依赖被控制量的反馈而进行.
1.2 闭环控制系统（closed-loop control system）.闭环控制系统与开环控制系统是相对的,闭环控制系统是一个闭合的系统,其被控对象的输出会返过影响输入或系统过程,形成一个或多个闭合回路.闭环控制系统由其反馈方式可以分为正反馈与负反馈.正反馈即反馈信号与原信号极性相同的反馈方式；负反馈为与原信号极性相反的反馈方式,在这指出的原信号指的是系统原给定的信号.在一般的闭环控制系统中,我们大都采用负反馈形式.在日常生活中,闭环控制系统的应用实例无处不在,例如空调的自动调温系统,当环境温度高于设定温度时,空调就会自动开启制冷系统,当环境温度达到室温设定值时,制冷系统又会自动关闭.与此相对,电风扇的转速是由各档位控制的,它不能根据环境温度自动调节,这便是开环控制系统.由此可见,闭环控制系统在实际生活中的应用跟为方便.
1.3 阶跃响应系统（step function system）.阶跃响应是指系统根据阶跃输入而产生的反应输出.稳态误差是指当系统从一个稳态过度到新的稳态,或系统受扰动作用又重新平衡后,系统所出现的偏差值.计算机自动控制系统的工作性能特点表现为稳、准、快.其中“稳”是指控制系统在工作时具有良好的稳定性,要保证一个系统能进行正常工作,并且达到一定的技术要求,则该系统首先必须是稳定的,从阶跃响应上分析这一点应该是收敛性,即波动达到平稳；“准”是指自动控制系统在加工时表现出的精准控制和准确性,稳定误差常用来表述这一只表,表示系统最终输出的稳态值与期望值的差值；“快”是指自动控制系统的响应快速性,通过上升时间来表达出控制系统的灵敏度.
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2.PID控制原理
2.1 比例（P）控制.比例控制在所有的控制方式中是最为简单的一种,因其控制器的输出与输入误差信号成固定比例而命名.当系统中仅有比例控制时,系统的输出会出现一定的稳定误差.
2.2积分（I）控制.在积分控制中,其控制的输出与输入误差信号的积分表现为正比关系.在计算机自动控制系统中,当进入稳态后仍然呈现出稳态误差,则这个控制系统是有稳态误差的或者将其称之为有差系统.对此,我们在控制器中增加了“积分项”来消除稳态后存在稳态误差.“积分项”会随着时间的增大而增大,即使误差很小,它也会使控制器的输出增大已达到稳态误差的减小,直到完全消除.因此,P与I即比例与积分控制器可以实现系统达到稳态后不存在稳态误差.
2.3 微分（D）控制.在微分控制中,其控制的输出与输入误差信
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3.PID参数的调整原则
P、I、D的参数设定是固定好的,自主控制运行过程,为了更好地实现加工效果,应该在运行前对控制系统参数进行适当调整,其具体调整原则是：若出现被控对象的物理量在目标值附近呈现出波动现象时,增大合适的积分时间,待变化稳定后继续观察,如果波动仍存在,则可减小一定的比例增益,再进行精确的细调.若出现被控对象的物理量难以恢复初始值时,增大比例增益,等待稳定进行观察,如果恢复速度相对缓慢,可适当减小积分时间,或者增大微分时间.
4.计算机自控参数设定方法
计算机自动控制系统的核心内容就是PID控制器的参数设定,其设定方法至关重要.根据被控对象的控制过程,我们可以确定PID控制器在控制过程中的比例系数、积分时间和微分时间的大小.在众多的参数设定方法中,我们可以分为两类整定法,一是理论计算整定法.这是一种依据所选用系统的数学模型,经过精确的理论精算而形成的一种方法.这种方法所得到的数据不能够直接使用,还需要工程中所涉及的实际情况进行微调.二是工程整定法,这是一种通过总结工作经验,在试验中进行得出数据的方法,这种方法简单又方便掌握,被广泛的采纳与使用.而在工程整定法中,又可以分出三种主要方法,临界比例法、反应曲线法和衰减法.两大类方法各有特点,但都是由实验和经验公式得到实验数据再对PID控制器参数进行整定.但无论采用何种方法,都需要针对工程实际情况进行微调与完善.在工程中采用最多的是临界比例法,其整定步骤如下：（1）采用最短的工作周期使得系统进行采样工作；（2）加入比例控制,进行观察,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记录比例放大系数及临界振荡周期；（3）通过工程经验公式计算出PID控制器的理论参数.
5.计算机自控参数设定步骤
在这里,以PID调节器为例来探究自控参数设定方法,并且依据说明经验法进行具体说明：（1）首先将调节器的积分系数S0调节至0,实际微分系数k调节至0,开启闭环控制系统,一边观察控制输出情况,一边将比例系数逐渐调大使得扰动信号呈阶跃变化,直至控制输出达到预期效果；（2）将当前值乘上0.83作为比例系数S1,同时,通过增大积分系数,让扰动信号再一次呈现出阶跃变化,对控制输出情况进仔细观察,直到达到预期的输出效果；（3）保持积分系数不变,调整比例系数,对控制输出情况进仔细观察来判断是否继续调整；（4）观察控制输出情况,适当增大比例系数S1和积分系数S2,在调整的同时,引入实际微分系数k和实际微分时间TD,然后像前面步骤一样进行,同时,微分时间也需要进行反复调整,直到达到满意的控制输出效果.
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作者简介：郭清民（1966-）,男,陕西西安人,安全技术部工程师.
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