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摘 要 PID控制器是随着工业生产的发展而产生和发展起来的，相比于直接作用式调节器具有更好的控制效果，在工业自动化领域得到了非常广泛的应用。但是，常规的PID参数的整定都是由人工完成的，存在着许多的缺点和不足，单纯依靠人工整定是无法克服的。对此，相关技术人员在不断的研究中，提出了基于继电反馈的PID控制器参数自整定技术，有效克服了人工整定的缺陷，在实际应用中取得了显著的成效。
关键词 继电反馈；自整定；PID控制器；应用
中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）23-0017-02
在全球经济一体化的背景下，制造行业和过程工业正面临着重大的调整，快速变化的经济环境、更加严格的环保要求、高度集成的过程以及更加灵活的产品，对工业控制技术提出了更高的要求。因此，在激烈的市场竞争中，对现有工业控制技术的改进和革新，可以说是提升工业过程经济竞争力的有效手段。随着科学技术的发展，各种新的控制理论、控制器、执行器等得到了发展和普及。相关统计数据显示，在现今使用的控制技术中，PID控制技术占据了90%以上的比例，凭借自身算法简单、可靠性高、鲁棒性好等优势，在社会经济的发展中发挥着至关重要的作用。但是从实际应用角度看，在使用PID控制器进行调节和控制的过程中，很容易受到各种因素的影响，从而使得控制效果难以达到最佳化。对此，相关学者加强了分析和研究，提出了基于相角裕度和幅值裕度、基于鲁棒性能的自整定PID方法，但是这些方法同样存在相应的缺陷。本文结合相关理论和思想，提出了一种基于自整定PID的改进后的继电反馈方法，并对其实际应用情况进行了分析和探讨，实践证明，该方法具有良好的可行性，取得了显著的成效。
1 PID控制器概述
PID控制器，即Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分控制器，主要由比例单元P、积分单元I以及微分单元D组成，是一种在工业控制领域中应用非常广泛的反馈回路部件。在工业生产过程中，为了满足生产工业的要求，确保产品的生产质量和生产效率，往往要求将生产装置的温度、压力、流量和液位等工艺变量控制在一定的数值范围内，或者按照一定的规律变化。PID控制器主要是依据PID控制原理，对整个控制系统进行相应的偏差调节，使得被控变量的实际值与工艺要求的预定值保持一致。需要注意的是，对于不同的生产过程，适用的控制规律也存在很大的区别，需要进行合理选择，以确保PID控制器功能的有效发挥。
PID控制器在工业自动化领域发挥着极其重要的作用，在当前许多企业中，PID控制器以及相应的智能PID控制仪表已经在工程实际中得到了非常广泛的应用，在市场中，也出现了多样化的PID控制产品，可以有效满足不同用户的实际需求。不仅如此，许多企业也都认识到了PID控制的优势，自主研发了具备PID参数自整定功能的智能调节器，以实现对于PID控制器参数的自动调节。在实际应用中，PID控制器得到了非常广泛的应用，虽然其主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统，而许多工业过程都是非线性或者时变的，但是通过相应的简化，同样可以实现PID控制。同时，PID控制器的参数整定相对简单，可以根据实际需求，对控制器的相关参数进行重新整定。
2 基于继电反馈自整定PID控制器的应用
自整定PID控制器与传统PID控制器相比，主要是应用自动化智能化技术，实现了控制器参数的自动化整定，不需要人为干预，在接收到用户命令后，就可以启动自整定过程。由自整定PID控制器的控制理论和控制方法，大体上可以将其分为基于模型的方法和基于规则的方法两种不同的类型，以当前市场中的相关产品为例，基于模型的PID控制器的典型代表是Alfa Laval Automation ECA400，在调整中也涉及到了继电反馈的相关理论；基于规则的PID控制器的典型代表是Foxboro EXACT（760/761），其在调整中同样涉及到了模式识别技术等。本文提出的是一种基于继电反馈的自整定PID控制器，是对传统继电反馈方法的改进和创新，能够有效弥补传统方法的不足和缺陷，其主要优点在于：
1）由于在继电环节中加入了比例积分控制器，与传统的继电自整定方法相比，可以更加准确的对临界值和临界频率进行估计；
2）当存在稳态负载扰动时，可以给出一个对称平滑的极限环输出；
3）参数调整更加简单便捷。
传统的继电反馈控制系统结构如下。
在控制系统中，设置有测试模态和调节模态，测试模态下，由一个继电环节测试系统的幅值和震荡频率，获得系统的频域信息或者近似的模型结构；在调节模态下，根据获得的系统信息，结合选定的控制策略，可以得到控制器的参数，而如果系统的测试条件出现变化，则需要返回到测试模态进行测试，然后在回到调节模态。
但是在实际应用中，传统的继电反馈控制虽然有着比较明显的优势，但是对于继电环节延迟时间的确定却比较麻烦，需要通过多次继电测试才能实现。因此，本文在其基础上，结合相关理论和技术，对传统的继电反馈自整定方法进行了相应的改进，改进后的继电反馈自整定方法如下。
本文以某造纸厂热泵供汽控制为例，对基于继电反馈自整定PID控制器的应用进行分析和讨论。
对于造纸厂的生产过程而言，生产处的纸张往往都会含有一定的水分，需要利用烘缸设备，将水分蒸干，以保证纸张的质量。在整个生产过程中，要想保证生产的质量和效率，就必须保证对纸张中水分的有效控制。而从系统控制的核心来看，主要是对烘缸温度曲线的有效调节和控制，确保烘缸温度的合理性。从该工厂中世纪使用的热泵供汽热力系统分析，包括有烘缸组补汽压力控制和吹贯蒸汽差压控制两个闭环回路。在这两个闭环控制回路中，采用常规的PID控制，而在对热泵的开度进行控制时，采用的是低选控制，也就是选择PID理论输出最小值，并将这个最小值扩大二倍，用作热泵阀门的开度数值，输入到热泵控制回路中。对于PID控制器参数的整定和调节，一般会采用经验参数法，可以在保证参数调节精度和准度的同时，适当提升调节的效率。在实际生产中，如果纸种变化频繁，对于PID控制器的参数会提出不同的要求，为了保证生产的质量和效率，往往需要安排经验丰富的工程人员，对PID控制器的参数进行不间断调整，而在调整的过程中，会对热泵的运行造成一定的影响，很容易引起烘缸积水，进而导致电能的大量浪费。 因此，在实际生产中，采用了改进后的继电反馈自整定控制算法，利用SMENS编程软件中自带的PID模块，结合STL语言编程算法，可以有效实现热泵供汽的PID参数在线自整定功能。同时，利用MATLAB中的SMULINK仿真工具，可以得到整定后的控制器参数。例如，对于供汽控制对象，如果将积分时间常数设置为20，继电环节的幅值为0.5，则整定后的控制器参数为：
与传统继电反馈自整定方法相比，本文提到的方法对于现场对象的抗干扰能力更强，模型的适应能力也更好，因此其应用范围相对广泛，可以在比较复杂和恶劣的环境中，发挥出应有的作用和效果。
为了保证PID控制器参数整定的可靠性，避免整定过程中烘缸压力出现较大的波动，相关技术人员结合实际情况，编制了相应的手自动无扰动切换程序，可以实现手动与自动整定的随意切换，在由手动整定切换为自动整定的过程中，应该将当前的手动值作为自动整定的设定值；在由自动整定切换为手动整定的过程中，则保持当前的设定值不变。整定完毕后，PID参数更改为最新参数。
3 结束语
本文结合PID控制器自整定的研究和发展，提出了一种相对简单的、基于继电反馈自整定的PID控制器。改进后，PID控制器不仅能够实现自整定，而且可以在存在稳态负载扰动和测量噪声的情况下，保持极限环输出的对称平滑。同时，这种方法对于过程对象没有任何关于阶次、自然阻尼或者延迟时间方面的要求，同时输出超调相对较小，上升的时间也比较短。在纸机的热泵供汽控制回路中，应用这种改进后的方法，可以实现PID参数的在线自整定功能，从而有效的缩短了开机调节时间，具备良好的控制性能。
参考文献
[1]王豪，郑恩让，张金果.基于继电反馈自整定PID控制器研究及应用[J].计算机仿真，2011，28（2）：192-195，203.
[2]潘帅，杨平.基于继电反馈的PID自整定控制技术进展[J].上海电力学院学报，2008，24（2）：132-135.
[3]杨智，朱海锋，黄以华.PID控制器设计与参数整定方法综述[J].化工自动化及仪表，2005，32（5）：1-7.
[4]叶岚.基于继电反馈的PID控制器的参数整定[D].上海交通大学，2007.
[5]李国林.PID控制器参数整定技术研究与优化设计[D].大连理工大学，2010.
[6]孙婷.参数自整定PID控制算法应用研究[D].成都：西华大学，2007.
[7]何宏源，徐进学，金妮.PID继电自整定技术的发展综述[J].沈阳工业大学学报，2005，27（4）：409-413.
[8]吴志松，高东杰，马增良.基于STEP7的在线自整定PID技术及其实现[J].化工自动化及仪表，2003，30（1）：73-74.
关键词 继电反馈；自整定；PID控制器；应用
中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）23-0017-02
在全球经济一体化的背景下，制造行业和过程工业正面临着重大的调整，快速变化的经济环境、更加严格的环保要求、高度集成的过程以及更加灵活的产品，对工业控制技术提出了更高的要求。因此，在激烈的市场竞争中，对现有工业控制技术的改进和革新，可以说是提升工业过程经济竞争力的有效手段。随着科学技术的发展，各种新的控制理论、控制器、执行器等得到了发展和普及。相关统计数据显示，在现今使用的控制技术中，PID控制技术占据了90%以上的比例，凭借自身算法简单、可靠性高、鲁棒性好等优势，在社会经济的发展中发挥着至关重要的作用。但是从实际应用角度看，在使用PID控制器进行调节和控制的过程中，很容易受到各种因素的影响，从而使得控制效果难以达到最佳化。对此，相关学者加强了分析和研究，提出了基于相角裕度和幅值裕度、基于鲁棒性能的自整定PID方法，但是这些方法同样存在相应的缺陷。本文结合相关理论和思想，提出了一种基于自整定PID的改进后的继电反馈方法，并对其实际应用情况进行了分析和探讨，实践证明，该方法具有良好的可行性，取得了显著的成效。
1 PID控制器概述
PID控制器，即Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分控制器，主要由比例单元P、积分单元I以及微分单元D组成，是一种在工业控制领域中应用非常广泛的反馈回路部件。在工业生产过程中，为了满足生产工业的要求，确保产品的生产质量和生产效率，往往要求将生产装置的温度、压力、流量和液位等工艺变量控制在一定的数值范围内，或者按照一定的规律变化。PID控制器主要是依据PID控制原理，对整个控制系统进行相应的偏差调节，使得被控变量的实际值与工艺要求的预定值保持一致。需要注意的是，对于不同的生产过程，适用的控制规律也存在很大的区别，需要进行合理选择，以确保PID控制器功能的有效发挥。
PID控制器在工业自动化领域发挥着极其重要的作用，在当前许多企业中，PID控制器以及相应的智能PID控制仪表已经在工程实际中得到了非常广泛的应用，在市场中，也出现了多样化的PID控制产品，可以有效满足不同用户的实际需求。不仅如此，许多企业也都认识到了PID控制的优势，自主研发了具备PID参数自整定功能的智能调节器，以实现对于PID控制器参数的自动调节。在实际应用中，PID控制器得到了非常广泛的应用，虽然其主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统，而许多工业过程都是非线性或者时变的，但是通过相应的简化，同样可以实现PID控制。同时，PID控制器的参数整定相对简单，可以根据实际需求，对控制器的相关参数进行重新整定。
2 基于继电反馈自整定PID控制器的应用
自整定PID控制器与传统PID控制器相比，主要是应用自动化智能化技术，实现了控制器参数的自动化整定，不需要人为干预，在接收到用户命令后，就可以启动自整定过程。由自整定PID控制器的控制理论和控制方法，大体上可以将其分为基于模型的方法和基于规则的方法两种不同的类型，以当前市场中的相关产品为例，基于模型的PID控制器的典型代表是Alfa Laval Automation ECA400，在调整中也涉及到了继电反馈的相关理论；基于规则的PID控制器的典型代表是Foxboro EXACT（760/761），其在调整中同样涉及到了模式识别技术等。本文提出的是一种基于继电反馈的自整定PID控制器，是对传统继电反馈方法的改进和创新，能够有效弥补传统方法的不足和缺陷，其主要优点在于：
1）由于在继电环节中加入了比例积分控制器，与传统的继电自整定方法相比，可以更加准确的对临界值和临界频率进行估计；
2）当存在稳态负载扰动时，可以给出一个对称平滑的极限环输出；
3）参数调整更加简单便捷。
传统的继电反馈控制系统结构如下。
在控制系统中，设置有测试模态和调节模态，测试模态下，由一个继电环节测试系统的幅值和震荡频率，获得系统的频域信息或者近似的模型结构；在调节模态下，根据获得的系统信息，结合选定的控制策略，可以得到控制器的参数，而如果系统的测试条件出现变化，则需要返回到测试模态进行测试，然后在回到调节模态。
但是在实际应用中，传统的继电反馈控制虽然有着比较明显的优势，但是对于继电环节延迟时间的确定却比较麻烦，需要通过多次继电测试才能实现。因此，本文在其基础上，结合相关理论和技术，对传统的继电反馈自整定方法进行了相应的改进，改进后的继电反馈自整定方法如下。
本文以某造纸厂热泵供汽控制为例，对基于继电反馈自整定PID控制器的应用进行分析和讨论。
对于造纸厂的生产过程而言，生产处的纸张往往都会含有一定的水分，需要利用烘缸设备，将水分蒸干，以保证纸张的质量。在整个生产过程中，要想保证生产的质量和效率，就必须保证对纸张中水分的有效控制。而从系统控制的核心来看，主要是对烘缸温度曲线的有效调节和控制，确保烘缸温度的合理性。从该工厂中世纪使用的热泵供汽热力系统分析，包括有烘缸组补汽压力控制和吹贯蒸汽差压控制两个闭环回路。在这两个闭环控制回路中，采用常规的PID控制，而在对热泵的开度进行控制时，采用的是低选控制，也就是选择PID理论输出最小值，并将这个最小值扩大二倍，用作热泵阀门的开度数值，输入到热泵控制回路中。对于PID控制器参数的整定和调节，一般会采用经验参数法，可以在保证参数调节精度和准度的同时，适当提升调节的效率。在实际生产中，如果纸种变化频繁，对于PID控制器的参数会提出不同的要求，为了保证生产的质量和效率，往往需要安排经验丰富的工程人员，对PID控制器的参数进行不间断调整，而在调整的过程中，会对热泵的运行造成一定的影响，很容易引起烘缸积水，进而导致电能的大量浪费。 因此，在实际生产中，采用了改进后的继电反馈自整定控制算法，利用SMENS编程软件中自带的PID模块，结合STL语言编程算法，可以有效实现热泵供汽的PID参数在线自整定功能。同时，利用MATLAB中的SMULINK仿真工具，可以得到整定后的控制器参数。例如，对于供汽控制对象，如果将积分时间常数设置为20，继电环节的幅值为0.5，则整定后的控制器参数为：
与传统继电反馈自整定方法相比，本文提到的方法对于现场对象的抗干扰能力更强，模型的适应能力也更好，因此其应用范围相对广泛，可以在比较复杂和恶劣的环境中，发挥出应有的作用和效果。
为了保证PID控制器参数整定的可靠性，避免整定过程中烘缸压力出现较大的波动，相关技术人员结合实际情况，编制了相应的手自动无扰动切换程序，可以实现手动与自动整定的随意切换，在由手动整定切换为自动整定的过程中，应该将当前的手动值作为自动整定的设定值；在由自动整定切换为手动整定的过程中，则保持当前的设定值不变。整定完毕后，PID参数更改为最新参数。
3 结束语
本文结合PID控制器自整定的研究和发展，提出了一种相对简单的、基于继电反馈自整定的PID控制器。改进后，PID控制器不仅能够实现自整定，而且可以在存在稳态负载扰动和测量噪声的情况下，保持极限环输出的对称平滑。同时，这种方法对于过程对象没有任何关于阶次、自然阻尼或者延迟时间方面的要求，同时输出超调相对较小，上升的时间也比较短。在纸机的热泵供汽控制回路中，应用这种改进后的方法，可以实现PID参数的在线自整定功能，从而有效的缩短了开机调节时间，具备良好的控制性能。
参考文献
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