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1 概述
　　在現代工業(yè)化生產(chǎn)中，大型的自動(dòng)控制領(lǐng)域正逐步推廣，通過(guò)與變頻器、PID調節器、現場(chǎng)信號采集等的有機結合，自動(dòng)控制系統正向更大、更廣的領(lǐng)域擴展，不但在較常見(jiàn)的風(fēng)機、水泵、空壓機上應用較多，而且在制冷系統、油田油罐恒液位、輸油恒流量等各個(gè)領(lǐng)域都在拓展。但由于各種原因，自動(dòng)控制系統的調節，尤其是參數的調整，并不十分令人滿(mǎn)意，存在著(zhù)穩定性差、波動(dòng)大，調整不及時(shí)等諸多問(wèn)題。因此，進(jìn)行有關(guān)這方面的研究，探討一下究竟在什么情況下，如何正確快速的調整參數，使系統盡可能快的進(jìn)入自動(dòng)控制的穩定過(guò)程，是眾多參與自動(dòng)控制過(guò)程控制的同行們急于解決的問(wèn)題，這關(guān)鍵在于大家集思廣議，多總結經(jīng)驗，多思考，掌握調試方法，針對不同的現場(chǎng)、不同的負載，進(jìn)行完善的調試，達到理想的控制過(guò)程。
2 自動(dòng)控制的概念
　　所謂的自動(dòng)控制，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是將被控對象的全部或部分的物理量通過(guò)不同的采集方法，反饋到控制單元，由控制單元對反饋量進(jìn)行處理，以達到控制對象按人們期望的要求穩定運轉的目的。
　　這個(gè)過(guò)程需要以下基本的組成部分：

　　其中控制單元是整個(gè)控制系統的核心，不論系統是否實(shí)現自動(dòng)控制，是否對被控對象采集信號，是否反饋到控制部分，都是十分重要的。若控制單元工作不正常，不但自動(dòng)控制難以實(shí)現，系統根本就無(wú)法運行。在現代控制領(lǐng)域中，較常見(jiàn)的控制單元就是變頻器，雖然以前的控制系統即工頻控制系統還可能部分的存在，但由于能耗浪費嚴重等諸多問(wèn)題，絕大多數的領(lǐng)域都已經(jīng)實(shí)現了變頻控制。而要實(shí)現自動(dòng)控制，較簡(jiǎn)捷的方式也是選擇變頻器，因為例如在水泵的控制中，被控物理量管道壓力或流量，采集后要傳到控制單元，由控制單元根據流量或壓力調整變頻器的頻率，以調節電機轉速，達到流量或壓力滿(mǎn)足要求的目的。若采用工頻控制，控制單元的頻率無(wú)法調整，也就談不上調節電機轉速，流量或壓力也就無(wú)法調節。雖然按工頻控制可調節閥門(mén)達到調節流量或壓力的目的，但這都是手動(dòng)調節，無(wú)法實(shí)現自動(dòng)控制。所以現在的控制單元首選是變頻器。
　　被控對象也就是通常所說(shuō)的負載，如風(fēng)機、水泵、空壓機、壓縮機等等，這是工業(yè)領(lǐng)域不可缺少的部分，以實(shí)現對風(fēng)量、水量及壓力、溫度的控制。
　　數據采集包括對現場(chǎng)的物理量的采集，如風(fēng)量、風(fēng)壓、水量、水壓、溫度，有的稱(chēng)管道壓力，有的稱(chēng)管線(xiàn)流量，有的采集的是液位，有的采集的是負壓，如風(fēng)機，有的采集的是進(jìn)口，有的采集的是出口，但不論怎樣采集，都不外乎這幾種。這個(gè)信號采集也非常重要，即使不用自動(dòng)控制，這些物理量也是必須采集的。作為一個(gè)控制系統，若流量或壓力超出了要求，就可能出現危險，如水泵的壓力，對一個(gè)水泵控制系統而言，其設計的管線(xiàn)壓力都是有限的，即有一定的指標控制。若管線(xiàn)壓力超出了指標要求，就有可能使管線(xiàn)爆裂，造成難以估計的損失，所以在控制系統中，要隨時(shí)觀(guān)察管線(xiàn)壓力的變化，超出指標后要及時(shí)停機，或降低電機轉速，以保護管線(xiàn)不受損害?，F在的控制系統中大部分都設定了超限保護，就是這個(gè)原因。
　　數據的采集方法有很多種，如采用壓力表，壓力傳感器，流量計，壓力計、溫度變速器等，多數是0～5V電壓或4～20mA電流信號，可以傳送到變頻器，為變頻器所能接受。壓力表要采用遠傳式壓力表，即滑線(xiàn)變阻式，以可變電阻通過(guò)變頻器上的電源而變成電壓信號來(lái)便于控制。
　　數據處理就是對所采集的數據進(jìn)行分析、運算、處理等，以通過(guò)與目標值即我們的期望值相比較，如一個(gè)恒壓控制系統，要求壓力穩定在3MPa，這個(gè)值就是期望值即目標值，實(shí)際值與目標值相比較，通過(guò)比例、積分、微分的運算，然后送到變頻器，調節變頻器的頻率，達到自動(dòng)控制的目的。這個(gè)比例、積分、微分的運算，就是我們通常講的PID控制。若沒(méi)有PID控制，就是常規的手動(dòng)控制，即手動(dòng)調節變頻器的頻率，達到實(shí)際值與目標值一致。這在工程上通常稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制，而PID控制即自動(dòng)控制通常稱(chēng)為閉環(huán)控制。開(kāi)環(huán)與閉環(huán)的區別就在于有無(wú)PID的自動(dòng)調節。
3  PID調節器的分類(lèi)
　　在自動(dòng)控制的調節中，作為實(shí)現自動(dòng)控制的PID調節器，主要可分為兩種：
　　一是變頻器本身帶有PID調節器，通過(guò)參數設置，從變頻器的控制端子上連接反饋信號，從面板或控制端子上設定目標值，通過(guò)內部的PID參數調節，實(shí)現自動(dòng)控制。這種方式采用內部控制，優(yōu)點(diǎn)是不用增加別的器件，直接進(jìn)行控制，投資少，缺點(diǎn)是PID的調節精度不高，對于一般的控制精度不高的場(chǎng)合可達到要求，對于要求精密度較高的則難以滿(mǎn)足工況需求。另外，若采用手、自動(dòng)切換的場(chǎng)合，則不好實(shí)現。必須再重新設置參數，改成開(kāi)環(huán)控制才能實(shí)現，比較繁瑣。如有的系統要求開(kāi)始運行時(shí)采用手動(dòng)調節，待系統的實(shí)際運行參數與目標值接近一致時(shí)，再用閉環(huán)運行，由被控物理量自動(dòng)調節；還有的是在運行中反饋環(huán)節出現問(wèn)題，如壓力傳感器或流量計出現問(wèn)題，不能正常工作，或儀表線(xiàn)出現斷線(xiàn)，無(wú)法實(shí)現自動(dòng)控制，在不能查出原因的情況下，只能用手動(dòng)先暫時(shí)運行，這種情況該方案就比較麻煩，要重新設置參數，才能實(shí)現手動(dòng)控制。而有的用戶(hù)對參數設置不太熟悉，就會(huì )造成比較困難的局面。
　　二是采用單獨的PID儀表，將傳感器傳過(guò)來(lái)的壓力或流量信號先送到PID的信號輸入端，經(jīng)PID儀表處理后，經(jīng)過(guò)比例、積分、微分的運算，其信號輸出端再連接到變頻器的信號輸入端，這樣對整個(gè)系統而言是閉環(huán)控制，而對于變頻器而言，是開(kāi)環(huán)運行。這種方式避免了第一種方式的缺點(diǎn)。變頻器可接成開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，通過(guò)一轉換開(kāi)關(guān)實(shí)現，用PID的輸出信號是閉環(huán)，不用PID的信號，而采用變頻器本身的控制信號則是開(kāi)環(huán)，這樣就用一個(gè)開(kāi)關(guān)方便的實(shí)現了兩種控制方式，在轉換時(shí)十分方便。再一個(gè)PID調節儀是專(zhuān)用的自動(dòng)控制調節器件，對于簡(jiǎn)單或復雜的控制系統，都可以比較精密的進(jìn)行控制，在風(fēng)機、水泵或空壓機的運行中都可以得到較好的控制效果，因此，這種方式還是比較好的。
　　現在通用變頻器大部分都內置了簡(jiǎn)易PID功能，有的只有PI功能，只能進(jìn)行簡(jiǎn)易的閉環(huán)控制，因此我們建議在做自動(dòng)控制系統時(shí)，最好還是采用第二種方式，即外加PID的方式，既可以方便的實(shí)現手、自動(dòng)轉換，又可以進(jìn)行精密的控制，比較方便，雖然投資有所增加，但控制功能增強，尤其對于變頻器而言，這種方式工作于開(kāi)環(huán)控制，通過(guò)配合調整升頻、降頻時(shí)間，也可達到較好的控制效果，對變頻器也有利。
4 PID調節器的工作原理
　　對于一個(gè)控制系統而言，要想實(shí)現理想的控制效果，就要采用一定的控制手段，使我們預期的目標值，與系統實(shí)際運行的工作值相一致，這就是控制系統最基本的要求。
　　但是目標值與實(shí)際值總是存在差異的。由于實(shí)際負載的增減，用量的多少，不可避免的造成實(shí)際值將偏離目標值，有時(shí)大于目標值，有時(shí)小于目標值，二者的差值正是自動(dòng)控制所要控制的對象。

　　如圖2所示是一個(gè)最基本的自動(dòng)控制系統圖，在這里我們假設目標值為Xm，反饋值為Xf，其差值為ΔX，則有：
　　ΔX=Xm-Xf
　　由于傳感器本身傳遞的信號一般是比較小的，一般是0～5V或4～20mA的信號，上式的差值也是很小的，要用這一差值去調節變頻器的頻率，顯然是不可能的。必須進(jìn)行放大，而這就是PID調節器的比例環(huán)節，即將該差值信號成比例的進(jìn)行放大。假設這一比例值為Kp，一般稱(chēng)為比例增益。設PID的輸出信號（即變頻器的輸入信號）為Xa，則
　　Xa=KpΔX=Kp（Xm-Xf）
　　也就是    ΔX=（Xm-Xf）=Xa/Kp
　　上述關(guān)系如圖3所示

　　在上式中，Xa即目標值一般是不變的，顯然，Kp越大，Xm-Xf就越小，Xf就越接近于Xm，如圖5的（a）所示。
　　這里，Xf只能無(wú)限接近于Xm，而不能等于Xm，若Xf等于Xm，則由上式，
　　Xa/Kp=0，
　　Kp就將等于無(wú)窮大，這是永遠也做不到的。
　　就是說(shuō)，二者之間總有一個(gè)差值，通常稱(chēng)為靜差，用ε表示。顯然靜差值越小越好。
　　在專(zhuān)用PID調節器中，比例增益的大小常常是通過(guò)“比例帶”來(lái)進(jìn)行調節的。所謂比例帶，就是按比例放大的區域，用P表示，P為比例增益的倒數，即
　　P=1/ Kp
　　如圖4所示。

　　由圖4知，比例帶P越小，相當于比例增益Kp越大，在專(zhuān)用PID調節儀表中，大部分都是調節比例帶P的，所以一般是P值越小越穩定，但也有直接調節Kp的，比較少，一般是變頻器內置的PI功能才具有。
　　比例增益環(huán)節的引入，又出現了新的矛盾，一方面，要減小靜差，就要盡量增大比例增益，但由于系統有慣性，比例增益增大后，又會(huì )引起超調，使系統的被控量忽大忽小，引起系統振蕩，如圖5（b）所示。這就要用到積分環(huán)節I。
　　引入積分環(huán)節I的目的是：
　　使給定信號Xa的變化與乘積Kp（Xm-Xf）的積分成正比。
　　就是說(shuō)，盡管Kp（Xm-Xf）一下子增大（或減?。┖芏?，但Xa只能在“積分時(shí)間”內逐漸的增大或減小，從而減緩了Xa的變化速度，防止了振蕩。積分時(shí)間越長(cháng)，Xa的變化越緩慢。只要偏差不消除，Xm-Xf≠0，積分就不停止，從而有效的消除靜差。如圖5（c）所示。
　　但積分時(shí)間太長(cháng)，又會(huì )發(fā)生在被控量急劇變化時(shí)，被控量難以迅速恢復的情況。這就要用到微分環(huán)節D，微分環(huán)節的作用是：可根據偏差的變化趨勢，提前給出較大的調節動(dòng)作，從而縮短調節時(shí)間，克服了因積分時(shí)間太長(cháng)而使恢復滯后的缺點(diǎn)。如圖5的（d）所示。

5 PID的調試方法
　　根據以上對控制原理的分析，我們就可以對一個(gè)自動(dòng)控制系統進(jìn)行調試，通過(guò)參數的調節，達到穩定運行的目的。
　　對于一個(gè)系統而言，有的是要求在Xm-Xf>0，即Xm>Xf時(shí)，變頻器運行頻率提高，即電機運行速度加大，而Xm0，即Xm>Xf時(shí)，要求變頻器的運行頻率降低，即電機運行速度減慢，這種作用就稱(chēng)為反作用（有的書(shū)上也稱(chēng)為正作用），如恒溫控制，當房間溫度低時(shí)，要求壓縮機降低速度，使致冷作用減弱，房間溫度就會(huì )上升，當溫度過(guò)高時(shí)，增加電機的速度，制冷作用增強，使房間溫度降低，達到房間內溫度穩定的目的。所以首先要明確被控對象的特點(diǎn)，是要求正作用控制，還是反作用控制。按照說(shuō)明書(shū)進(jìn)行相關(guān)的設置。液位的控制與溫度控制類(lèi)似，也是反作用控制。
　　其次，要按照PID的說(shuō)明書(shū)，對被控物理量的量程進(jìn)行調節，以使被控物理量的傳感器的顯示值（有的傳感器不能顯示，要從附近的機械表上進(jìn)行讀數），與PID儀表上的顯示值相對應，即調整變送輸出量程和測量量程，與被控物理量一致，才能保證傳感器與儀表一致。
　　第三，在選擇儀表時(shí)也要注意，PID儀表的輸入、輸出要與變送器的輸出、變頻器的輸入相對應，不然就會(huì )造成不匹配的情況。是電流信號（一般是4～20mA）就要對應電流信號，是電壓信號（一般是0～5V）就要對應電壓信號，否則將不能形成正常的控制，當然電流信號通過(guò)并接電阻可以轉換成電壓信號，但電壓信號要轉化為電流信號就比較困難。
　　第四，從變送器到PID的信號線(xiàn)要用屏蔽線(xiàn)，屏蔽層要接PID的外殼，以可靠的傳入PID儀表，并盡量遠離高電壓、大電流的主電纜線(xiàn)，防止干擾。若送電后顯示波動(dòng)仍較大，可調整參數的濾波系數，濾除干擾，使顯示穩定。
　　第五，PID參數的調整，根據我們對控制原理的分析，可對P、I、D及控制周期t進(jìn)行調節，以達到系統穩定運行的目的。P為比例帶，減小時(shí)，相當于比例增益加大，則靜差系數就會(huì )減小，也就是實(shí)際值越接近目標值，系統越穩定，反之，系統調節就會(huì )減慢，形成在設定值附近振蕩，運行不穩定。I為積分時(shí)間，時(shí)間越長(cháng)，積分作用就越強，系統就越穩定，但時(shí)間太長(cháng)，對動(dòng)態(tài)的響應將減弱，也就是在系統物理量急劇變化時(shí)，反應慢，不能跟上系統的變化，也會(huì )造成調節失敗。一般而言，對于風(fēng)機、水泵類(lèi)負載，由于系統相對穩定，只要PI調節一般就可以滿(mǎn)足要求，D積分參數一般是對應快速變化的場(chǎng)合使用，如空壓機，溫控儀等，一般在其他場(chǎng)合關(guān)閉即可。
　　第六，我們比較常用的幾種PID調節器，如XM808-6和香港上潤的WP-90系列，通過(guò)大多數場(chǎng)合的使用，基本上總結出一定的規律。初次使用時(shí)要打開(kāi)自整定功能，但自整定一般很難實(shí)現較好的控制，一般都需要再調整。通過(guò)大多數現場(chǎng)的經(jīng)驗，對于水泵系列，香港上潤的P一般可設為5以下，3左右，而I一般可調為50-60左右。而XM808-6的一般P設為10左右（在OPAD=3的情況下），I為60左右。D關(guān)閉。如山東沾化水庫、青海油田躍進(jìn)2號注水站、油泉子注水站、山東新泰自來(lái)水公司等，基本上就是這樣調節的。但對于風(fēng)機而言，由于風(fēng)機的慣性較大，其積分時(shí)間就要設定的比較長(cháng)。如山西鋁廠(chǎng)的引風(fēng)機自動(dòng)控制，其積分時(shí)間就大約調至300左右。對于空壓機、溫控場(chǎng)合，則需要打開(kāi)D功能，一般在上述參數的基礎上，適當調節一下，基本就可以達到穩定的控制功能。
　　第七，當然還可以根據系統或PID具有的參數功能，設定適當的報警或停機功能，即在被控物理量超出規定要求時(shí)，提供報警信號，提醒操作人員注意，若再繼續超出，則自動(dòng)停機，以保護管線(xiàn)或系統，防止損壞。如可設置入口低壓報警，超低壓停機，出口高壓報警，超高壓停機等功能，這都是一些保護功能，可通過(guò)外加繼電器或接觸器，實(shí)現控制功能。
6 總結
　　當然，任何系統的調試都要經(jīng)過(guò)比較復雜的過(guò)程，雖然我們了解了自動(dòng)控制的原理，也介紹了相關(guān)參數的調試經(jīng)驗，但對于一個(gè)較復雜系統的調試而言，還必須從頭做起，針對每個(gè)參數進(jìn)行耐心細致的調試，直到整個(gè)系統穩定的投入運行為目的，最容易出現的問(wèn)題就是不穩定，變頻器的頻率忽高忽低，壓力或溫度變化大，要根據PID的說(shuō)明書(shū)，詳細的、認真的進(jìn)行閱讀，并借鑒相關(guān)的調試經(jīng)驗，反復的、細心的進(jìn)行各個(gè)參數的調整，才能達到要求，避免出現不必要的問(wèn)題，造成整個(gè)控制系統的失敗。我們以前也有過(guò)很多這方面的教訓，有的也是比較深刻的。希望我們同行的朋友們能及時(shí)的總結經(jīng)驗，互相探討，取長(cháng)補短，在該領(lǐng)域能深鉆細研，真正把這一系統做好，為國家的節能減排，自動(dòng)控制系統的完善和提高盡自己的一份努力。