摘要：本文主要針對在工業應用中使用的整合式PID控制器儀表，從工程實際應用角度，介紹實現優於0。1%的超高精度控制以及所涉及的幾項關鍵技術指標，以此來幫助超高精度PID控制器的選型和工業應用中實現超高精度的工藝過程控制。

一、背景介紹

在工業領域中，往往會需要對溫度、真空壓力和流量等工藝引數進行超高精度的控制。工業領域中的控制精度劃分為高精度（1%）和超高精度（0。1%），而在高等級實驗室和計量校準中往往會需要比0。05%更高的控制精度。

對於一個完整的PID控制系統，典型的控制迴路是一個閉環形式，如圖1所示。

圖1 典型閉環形式PID控制系統結構及其P

如圖1所示，在閉環形式的PID控制系統中，感測器和執行器基本都是外接形式，可根據不同的控制參量和精度要求進行選配。在工業應用中，基本都要求PID控制器是獨立的控制儀表，即工業用PID控制器基本都集成了如圖1所示的模數轉換器ADC、微控制器MCU、數模轉換器DAC和顯示器等部件，並設有連線外接感測器、執行器和通訊等功能的介面。從工業應用中整合式的PID控制器結構可以看出，PID控制器的控制精度主要由ADC、MCU和DAC的精度所決定。

在一些更高精度的測控場合，如計量校準領域，為了進一步提高PID控制器的精度，一般會採用分立結構的PID控制系統，即將圖1中PID控制器的模數轉換器ADC、微控制器MCU、數模轉換器DAC採用更高精度的專用儀器來代替，如模數轉換器ADC採用六位半（甚至七位半）數字電壓表來代替、微控制器MCU採用計算機或微控制器來代替、數模轉換器DAC採用六位半的數控源表來代替。儘管這樣構件的PID控制系統可以有效的提高控制精度，但整體造價和體積都大幅度的提升，並不適合工業應用中的控制。

本文主要針對在工業應用中使用的整合式PID控制器儀表，從工程應用角度介紹實現0。1%超高精度控制所涉及的幾項關鍵技術指標，以此有助於工業應用中超高精度工藝控制過程的實現和PID控制器的選型。

二、超高精度PID控制器中的關鍵技術指標分析

從圖1所示的PID控制器結構可以看出，構成PID控制器的核心部件是ADC、MCU和DAC三部分。為了實現PID控制器具有優於0。1%的超高精度控制，必須要求這三個部件達到相應的技術指標和功能要求，以分別實現高精度的測量、運算和控制功能。

（1）測量精度

PID控制器的測量精度，主要是指控制器對外接感測器輸出訊號的採集精度，即模數轉換器ADC的轉換精度。一般ADC的精度分為8位、12位、16位和24位等幾個檔次，位數越高，採集精度越高。因此，PID控制器測量精度的關鍵技術指標，就是此ADC位數。

我們以PID控制器訊號輸入量程為0~10V的直流電壓為例，圖2列出了不同ADC位數所對應的最小可測電壓。

圖2 不同ADC位數對應的最小可測電壓值

圖3 不同電壓值達到0。1%測量精度所需的

根據圖2所示的不同ADC位數所具有的最小可測電壓能力，可計算出針對不同感測器訊號電壓值要實現0。1%測量精度需要配備的ADC位數，如圖3所示。

另外，ADC位數的選擇，可以根據實際控制的精度要求來確定，滿足技術要求極可，畢竟AD位數越高，精度越高，但PID控制器儀表的價格越貴，且相應的採集速度也就越慢（一般而言，精度和速度是一對矛盾）。

（2）控制精度

PID控制器的控制精度，主要是指控制器對外部執行器的模擬量輸出精度，即數模轉換器DAC的轉換精度。與ADC一樣，一般DAC的精度分為8位、12位和16位等幾個檔次，位數越高，採集精度越高。由此，DAC的位數也是PID控制器的關鍵技術指標。

同樣，圖2所示的不同ADC位數對應的最小可測電壓值同樣可以用來描述不同DAC位數所能輸出的最小控制電壓值。

（3）浮點運算精度

測試精度和控制精度涉及的是PID控制器硬體部分的精度，要真正保證PID控制器整體控制精度，還包括控制器所用的微處理器單元MCU的軟體計算精度，即所謂的浮點運算精度。如PID控制器中的輸出百分比，還是以圖2所示為例，8位浮點運算時的最小輸出百分比為1%，10位和12位浮點運算的最小輸出百分比為0。1%，如果要實現總的控制精度優於0。1%，勢必要求採用14位和16位的浮點運算使得最小輸出百分比為0。01%。也就是說，浮點運算位數越多，輸出百分比越小，控制輸出量越精細，相應的控制精度就越高。

三、壓力控制案例分析

下面我們以一個壓力控制案例來演示DAC控制精度對控制效果的影響。

在此案例中，我們的實驗目的是精密控制0~6bar（表壓）範圍內的壓力，實現0。1%的控制精度。整個實驗裝置的結構如圖4所示。

圖4 超高精度壓力控制考核實驗裝置結構

為了實現0。1%的壓力控制精度，我們在圖4所示的壓力控制實驗裝置中進行了以下配備：

（1）壓力感測器：精度0。05%，量程為絕壓0。1~1MPa，對應電壓輸出為0~10V。

（2）電氣比例閥：精度0。25%，量程為絕壓0。1~1MPa，控制電壓為0~10V。

（3）PID控制器：ADC為24位，DAC為12位，ADC量程為0~10V，DAC量程為0~10V。

（4）多通道資料採集器：安捷倫34972A，五位半/六位半採集。

基於以上配置，在圖4所示的實驗裝置上對0。26、0。3、0。35和0。4 MPa的四個壓力設定點進行了恆定控制試驗。在進行PID自整定後，得到以上各個壓力設定點下的控制試驗曲線，如圖5所示。

圖5 四個壓力設定點的恆定控制試驗曲線

為了對控制精度的影響因素有直觀的瞭解，採用高精度的34972A多通道資料採集器分別對PID控制器的ADC測量端和DAC控制端進行測量，以直觀瞭解控制壓力和控制訊號的微小變化及其波動性。

為了直觀瞭解四個壓力設定點下的壓力控制精度，對圖5所示的測量曲線進行區域性放大，四個壓力控制點處的放大結果如圖6所示。

圖6 四個壓力恆定控制和控制電壓波動變

從上述短時間考核試驗結果，可以發現以下現象：

（1）在全量程範圍內，壓力恆定控制的波動性完全可以控制在±0。2%以內，但要將波動性控制在0。1%以內則非常勉強。

（2）在大部分控制時間內，壓力恆定波動性總是大於0。1%的主要原因是PID控制器12位DAC的控制精度還是偏低。在壓力穩定後，PID控制器的輸出百分比基本也趨於恆定，其恆定後的變化量為0。1%。而此0。1%的恆定控制輸出百分比的變化量，對應不同控制壓力點時呈現出的控制電壓變化量為2~5mV。

四、結論

透過上述分析和壓力控制案例的實驗驗證，工業用整合式PID控制器儀表要實現0。1%的控制精度，需要滿足以下幾方面的技術指標：

（1）外接感測器要有0。1%以上的超高精度。

（2）外接執行器也需要具有較高的精度，但不一定要求達到0。1%的超高精度。

（3）PID控制器的ADC位數至少需要達到16位，最佳是24位。

（4）PID控制器的浮點運算要保證輸出百分比具有0。01%~0。05%的調節能力。

（5）PID控制器的DAC位數至少需要達到14位，最佳是16位。