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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。
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号的微分表现为正比关系。计算机自动控制系统在调节误差时有一定可能性会引起波动乃至失稳现象。因为在控制中存在了较大比例的惯性环或者滞后环节，能够抑制误差，导致了系统的变化会落后于误差，所以需要将抑制误差这一作用进行提前。换言之，比例调节在计算机自动控制系统是远远不够的，比例调节只能放大误差值，并且需要加入微分调节，微分调节能够准确的预测误差的走向。因此，控制器才能避免被控对象的严重超调。故PID控制器能完善的在系统调控过程中表现出良好的动态特性。
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樣工作；（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。
参考文献：
[1]赵中敏.数控机床交流伺服系统参数调制与故障排除对策[J].机床电器，2007（06）.
[2]李明奇，李明辉，洪逸芾.高速走丝线切割机床锥度切割的参数设定方法[J].机床与液压，2006（03）.
[3]姜立强，郭铮，刘光斌.基于均匀设计的差异进化算法参数设定[A].2007系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C]，2007.
[4]赵慧，陈丙森，刘方军.电子束焊接工艺计算机管理和参数设定系统[A].第九次全国焊接会议论文集（第2册）[C]，1999.
[5]杨平，吕文婕，徐春梅.管式炉温度的单神经元网络控制[A].中国仪器仪表学会2008学术年会第二届智能检测控制技术及仪表装置发展研讨会论文集[C]，2008.
作者简介：郭清民（1966-），男，陕西西安人，安全技术部工程师。
作者单位：中国航空油料有限责任公司西北公司，西安 710082
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。
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号的微分表现为正比关系。计算机自动控制系统在调节误差时有一定可能性会引起波动乃至失稳现象。因为在控制中存在了较大比例的惯性环或者滞后环节，能够抑制误差，导致了系统的变化会落后于误差，所以需要将抑制误差这一作用进行提前。换言之，比例调节在计算机自动控制系统是远远不够的，比例调节只能放大误差值，并且需要加入微分调节，微分调节能够准确的预测误差的走向。因此，控制器才能避免被控对象的严重超调。故PID控制器能完善的在系统调控过程中表现出良好的动态特性。
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樣工作；（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。
参考文献：
[1]赵中敏.数控机床交流伺服系统参数调制与故障排除对策[J].机床电器，2007（06）.
[2]李明奇，李明辉，洪逸芾.高速走丝线切割机床锥度切割的参数设定方法[J].机床与液压，2006（03）.
[3]姜立强，郭铮，刘光斌.基于均匀设计的差异进化算法参数设定[A].2007系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C]，2007.
[4]赵慧，陈丙森，刘方军.电子束焊接工艺计算机管理和参数设定系统[A].第九次全国焊接会议论文集（第2册）[C]，1999.
[5]杨平，吕文婕，徐春梅.管式炉温度的单神经元网络控制[A].中国仪器仪表学会2008学术年会第二届智能检测控制技术及仪表装置发展研讨会论文集[C]，2008.
作者简介：郭清民（1966-），男，陕西西安人，安全技术部工程师。
作者单位：中国航空油料有限责任公司西北公司，西安 710082