比例控制的原理
詹姆斯·丹尼斯

制造商要求其制造过程的一致性质量，因为他们的客户期望高质量。因此不必惊讶，控制工艺的数值以及影响它们的参数具有高优先性。

在闭路系统中使用的比例积分导数（PID）控制器，是获得需求的一致性结果而最常用的方法。以炉子为例，在典型的闭路系统中，这种控制器通过一个热电偶产生的信号读出炉内温度，并且产生一种输出至气体控制阀、接触器或半导体可控整流器（SCR），以给出符合设定点的确切温度。

又如工艺控制的重要性，我们可能惊讶得知，许多人不断争执以便明确这些控制器是如何工作以及如何让其为他们的工艺工作。但由于今天的竞争局势以及永无止境的技术进步，毫无异议人们不会受此烦恼。许多涉及PID控制器的手册太过于技术性，容易产生困挠。考虑到这点，本文试图阐述一些基本概念，这些是改进工艺控制的重点。

首先对比PID控制与更为直观的“开/关”控制（参见图1）。

开/关控制系统如其名所谓100%的开或100%的关。这些系统型式采用一种“死区”或“滞后”作用，以确定控制器所处的状态。这种系统型式指定工艺数值游移于设定点数值。如果“死区”过于狭窄，该控制器将在“开”和“关”位置之间振荡。在精确控制不成为重要因素的某种工艺中，开/关控制系统可能是一种选择。通常，这些控制系统的形式比PID控制系统较为便宜。

如上所述PID控制，由三个部件组成：比例控制，积分控制和导数控制。每个部件对控制回路有不同影响。下面是每个部件的概况。

时间比例控制：
1） 对工艺变量（PV）和设定点（SP）之间的偏差，采用正确的动作比例来实现更精确的控制（参见图2）。
2） 当控制器采取这种正确动作时，比例区域得到确定。
3） 超出该比例区域，该控制器则象“开/关”控制器那样工作。
4） 在该比例区域内，该控制器则处于一个“周期时间”所建立的“开”或“关”的状态。
5） PV和SP之间的偏差确定该控制器所处“周期时间”的百分比数。
6） 要求对工艺温度的更精确控制。
7） 通常比“开/关”控制较为昂贵。

积分和导数控制条件：
1） 积分（复归）控制是结合用于补偿温度下降（参见图3）。
2） 手工复归控制器要求操作人员对每个特定SP进行调整。
3） 自动复归控制器可以自动补偿温度下降（参见图4）。
4） 只有当PV处于比例区域内，自动复归才能起作用。
5） 变化率（偏差）表示系统在启动或受各种干扰情况下的大超越值（参见图5）。
6） 该变化率是测量PV增长率，并且加速比例行动以降低该增长。
7） 该变化率与PV增长率成正比。

应用：
我们已经概述PID控制器如何工作的基本情况，现在可以看看典型应用。
UNIQUE/PERENY USA系列燃气窑

这种窑的型式采用一个加热区配备两个烧嘴。一个PID控制器用一个热电偶输入信号去测量窑燃烧室内的温度，并且用一个可变电流输出信号，去控制进入烧嘴的燃气体积。引入窑内的空气体积是固定的。由该控制器给出的电流输出信号驱动一台电机，将燃气阀循环定于0至100%的“开”位置。在典型的加热应用中，这种控制器按“反向运动”模式操作。这意味控制器输出值增大，而与SP相关的PV值减少；反之，控制器输出值减少而PV值增大。

在调节PID控制器时，操作人员必须考虑工艺的动态情况。例如，该工艺要求在运行温度下开和关窑门，那么对这些控制器的PID控制条件尤其是导数控制应作调整，以补偿这种系统型式所受的干扰。

一旦为某个特定工艺作了调整，PID控制器就应操作保持一贯性。控制器状态的某种突变是个很好的提示，说明该工艺中的某些事项有了变化。

UNIQUE/PERENY的PRO-CAST流延机
生产薄陶瓷带和膜片所使用的这种型式机器，在运行中采用3种不同的PID控制回路。它们用来控制加热器、传送带的速度和加工品液面水平。
1） 加热器——一台PRO-CAST流延机可能有多个加热区。在典型的控制系统里，每个控制区使用一个单回路控制器（如Honeywell 200系列），具有一种J型热电偶输出以及一种4~20毫安输出。这种4~20毫安信号接至一个SCR，并且改变至加热器的电压输出。
2） 传送带——配带聚酯（Mylar）承载带的Pro-Cast流延机，在机器的进入端将承载带松卷，而在出口端将其收卷。采用SCR直流驱动器，与测速仪的反馈联接，以保证恒速。这种闭路系统允许SCR直流驱动器，在该系统遭受任何干扰时自我校正。
3） 加工品液面水平——Pro-Cast流延机采用闭路控制系统，控制引入机器的浆料（加工品）的液面水平（数量）。一个单回路控制器（如Honeywell 200系列）具有一种4~20毫安信号输出，通过一个接近传感器读出浆料液面水平，然后打开或关闭阀门，控制该水平达到某个特定的设定点。