由入门到精通－－－－吃透PID 点击：15397 | 回复：131
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第一章 自动调节系统的发展历程
1-1 没有控制理论的世界
1-2 控制论
1-3负反馈
1-4 PID
1-5 怎样投自动
1-6 观察哪些曲线
1-7PID的基本原理
1-8PID的曲线
1-9怎样判断PID
第二章 吃透PID
2-1 几个基本名词
2-2 P——纯比例作用趋势图的特征分析
2-3 I—— 纯积分作用趋势图的特征分析
2-4 D——纯微分作用趋势图的特征分析
2-5 比例积分作用的趋势特征分析
2-6 比例积分微分作用的趋势特征分析
2-7 整定参数的几个原则
2-8 整定比例带
2-9 整定积分时间
2-10 整定微分时间
2-11 比例积分微分综合整定
2-12 自动调节系统的质量指标
2-13 整定系统需要注意的几个问题
2-14 整定参数的几个认识的误区
2-15 其它先进控制方法简介
第三章
第三章 火电厂自动调节系统
3-1 火电厂自动调节系统的普遍特点
3-2 自动调节系统的构成
3-3 自动调节系统的跟踪
3-4 高低加水位自动调节系统
一、基本控制策略
二、自平衡能力
三、随动调节系统
四、对于系统耦合的解决办法
五、几个问题：
六、偏差报警与偏差切除
3-5 汽包水位调节系统
一、
任务与重要性
二、
锅炉汽包
三、
虚假水位
四、
影响汽包水位的因素
五、
制定控制策略
六、捍卫“经典”
七、正反作用与参数整定
八、特殊问题的处理方法
九、变态调节
3-6 过热器温度调节系统
一、迟延与惯性
二、重要性
三、干扰因素
四、一级减温水调节系统
五、导前微分自动调节系统
六、导前微分系统的参数整定
七、串级调节系统
八、级调节系统的参数整定
九、修改控制策略，增加抑制干扰能力
十、变态调节方案
3-6主汽压力
一、重要性
二、干扰因素
三、直接能量平衡公式
四、间接能量平衡
五、控制策略
六、参数整定
3-7协调
一、重要性
一、干扰因素
二、机跟炉
三、参数整定
四、炉跟机
五、参数整定
六、负荷前馈
七、压力前馈
八、耦合与解耦
九、特殊解耦
十、一次调频
十一、AGC
3-8 磨煤机优化燃烧
杨过出了一会神，再伸手去会第二柄剑，只提起数尺，呛□一声，竟然脱手掉下，在石上一碰，火花四溅，不禁吓了一跳。
原来那剑黑黝黝的毫无异状，却是沉重之极，三尺多长的一把剑，重量竟自不下七八十斤，比之战阵上最沉重的金刀大戟尤重数倍。杨过提起时如何想得到，出乎不意的手上一沉，便拿捏不住。于是再俯身会起，这次有了防备，会起七八十斤的重物自是不当一回事。看剑下的石刻时，见两行小字道：
“重剑无锋，大巧不工。四十岁前恃之横行天下。”
过了良久，才放下重剑，去取第三柄剑，这一次又上了个当。他只道这剑定然犹重前剑，因此提剑时力运左臂。那知拿在手□却轻飘飘的浑似无物，凝神一看，原来是柄木剑，年深日久，剑身剑柄均已腐朽，但见剑下的石刻道：
“四十岁后，不滞于物，草木竹石均可为剑。自此精修，渐进于无剑胜有剑之境。”
金庸笔下的一代大侠杨过，为什么会发生连续两次发生拿剑失误呢？原因很简单，因为他没有学过自动调节系统啊！可见自动调节系统存在于生活的方方面面，何其平常，又何其重要！吹一下牛皮先。
下面咱们就来说说自动调节系统，它到底是怎么回事，到底是谁先发现的，到底该怎么应用。
1-8 调节器
控制理论这个大厦基本上建立起来了。其实我更关心的是PID控制方法的建立。说老实话，我总觉得维纳虽然伟大，可是总觉得他的理论不那么“精巧”，说白了谁都能明白。相比之下，我对PID理论的发明人更加佩服。说起来非常简单，不就是比例积分微分运算么，可具体要提出这种方法，还是需要一定的天才的。
PID是什么？
要弄清楚怎样定量之前，我们先要理解一个最基本的概念：调节器。调节器是干什么的？调节器就是人的大脑，就是一个调节系统的核心。任何一个控制系统，只要具备了带有PID的大脑或者说是控制方法，那它就是自动调节系统。如果没有带PID的控制方法呢？那可不一定不是自动调节系统，因为后来又涌现各种控制思想。比如时下研究风头最劲的模糊控制，以前还有神经元控制等等；后来又产生了具有自组织能力的调节系统，说白了也就是自动整定参数的能力；还有把模糊控制，或者神经元控制与PID结合在一起应用的综合控制等等。在后面咱们还会有介绍。咱们这个文章，只要不加以特殊说明，都是指的是传统的PID控制。可以这样说：凡是具备控制思想和调节方法的系统都叫自动调节系统。而放置最核心的调节方法的东西叫做调节器。
基本的调节器具有两个输入量：被调量和设定值。被调量就是反映被调节对象的实际波动的量值。比如水位温度压力等等；设定值顾名思义，是人们设定的值，也就是人们期望被调量需要达到的值。被调量肯定是经常变化的。而设定值可以是固定的，也可以是经常变化的，比如电厂的AGC系统，机组负荷的设定值就是个经常变化的量。
基本的调节器至少有一个模拟量输出。大脑根据情况运算之后要发布命令了，它发布一个精确的命令让执行机构去按照它的要求动作。在大脑和执行机构（手）之间还会有其他的环节，比如限幅、伺服放大器等等。有的限幅功能做在大脑里，有的伺服放大器做在执行机构里。
上面说的输入输出三个量是调节器最重要的量，其它还有许多辅助量。比如为了实现手自动切换，需要自动指令；为了安全，需要偏差报警等等。这些可以暂不考虑。为了思考的方便，咱们只要记住这三个量：设定值、被调量、输出指令。
事实上，为了描述方便，大家习惯上更精简为两个量：输入偏差和输出指令。输入偏差是被调量和设定值之间的差值，这就不用罗嗦了吧？
1-9 PID
回到刚才的提问：什么是PID？
P就是比例，就是输入偏差乘以一个系数；
I就是积分，就是对输入偏差进行积分运算；
D就是微分，对输入偏差进行微分运算。
就这么简单。很多年后，我还始终认为：这个理论真美！
这个方法的发明人似乎是尼可尔斯（Nichols）。我手头没有更多资料，不能确定是不是尼可尔斯发明的。可是PID参数的整定方法确实是他做的。
其实这个方法已经被广大系统维护者所采用，浅白一点说，就是先把系统调为纯比例作用，然后增强比例作用让系统震荡，记录下比例作用和震荡周期，然后这个比例作用乘以0.6，积分作用适当延长。虽然本文的初衷是力图避免繁琐的计算公式，而用门外汉都能看懂的语言来叙述工程问题，可是对于最基本的公式还要涉及以下的，况且这个公式也很简单，感兴趣的看一下，不感兴趣的可以不看哈。公式表达如下：
Ｋｐ ＝ ０．６*Ｋｍ
Ｋｄ ＝ Ｋｐ*π／4*ω
Ｋｉ ＝ Ｋｐ*ω／π
Ｋｐ为比例控制参数
Ｋｄ为微分控制参数
Ｋｉ为积分控制参数
Ｋｍ为系统开始振荡时的比例值；
ω为极坐标下振荡时的频率
这个方法只是提供一个大致的思路，具体情况要复杂得多。比如一个水位调节系统，微分作用可以取消，积分作用根据情况再调节；还有的系统超出常人的理解，某些参数可以设置得非常大或者非常小。具体调节方法咱们后面会专门介绍。微分和积分对系统的影响状况后面也会专门分析。
科学家们都说科学当中存在着美。我的理解，那种美是力图用最简洁的定义或者公式，去描述宇宙万物的运行规律。比如牛顿的三大运动规律，和他的加速度和力的关系的公式：F=ma。表达极其简洁，涵盖范围却非常之广，所以它们都很美。同样的，我们的PID调节法也是这样的，叙述极简洁，可在调节系统中应用却极普遍。所以，不由得人不感叹它的美！不过说实话，PID控制法虽然精巧，可是并不玄奥。
现在，世界控制理论有了更大的发展，涌现出了各种各样控制方法。比如神经元控制、模糊控制等等，这些控制过程中，我只接触过模糊控制。用我自己最粗浅的理解，要是对控制系统要求更为精准严格的话，还是要用PID控制来配合的。并且，对于火电厂自动调节系统，我还没有发现有哪种系统用PID调节法不能实现的。如果你认为你所观察的某个系统，单纯用传统的PID调节方法不能解决问题，那存在两个可能：一是你的控制策略可能有问题，二是你的PID参数整定得不够好。
PID控制法已经当之无愧的成了经典控制方法。我们要讲的，也就是这种经典的PID控制。
1-10 怎样投自动
判断一个人是不是业内人士的方法之一，就是看他说不说外行话，有时候甚至一个词语就可以判断。判断修改确认PID参数的过程，咱们业内人士有个专用词语：整定。如果读者现在跟谁谁谈话的时候，说PID整定怎么怎么，那么，恭喜你，你是“业内人士”了。
我刚上班的时候，对自动调节系统一窍不通。在学校仅仅学过一本《热力过程自动化》，一毕业都还给老师了。一上班为了跟上别人，狠劲学习电工电子，以为能维修执行器变送器就可以做好自动工作了。后来一个师傅一句话点醒了我。他说：在自动专业，水平的高低最直接的衡量办法——会不会投自动，也就是看会不会整定参数。当时我就想：自动该有多复杂多难学啊！
等我后来掌握了，突然觉得，原来整定参数是这么的简单！
原来整定参数是这么的简单！是的，其实很简单。任何人，只要下过一番功夫，方法对头，就一定能够搞好自动。记住：方法要对。确立了方法之后，下一番枯燥的功夫，观察分析尝试总结，由浅入深，最后你就一定能够投好一套简单的自动。复杂的自动还需要另外一项功夫：多学习，多与运行人员交流。
记住：多与运行人员交流。这是我告诉你们的第一条秘诀。聊天聊得好就等于看书了。有时候甚至比看书还好。这个秘诀我轻易不传给别人的哦。
说了一个秘诀，干脆告诉你另一个秘诀：其实咱们前面说过了，要肯下一番枯燥的功夫，去了解比例积分微分的最基本最本质最浅显的原理。等到你了解了比例积分微分的最基本原理，那你就能够判断它们是如何影响调节曲线的了，进而就能够整定参数了，进而你就是行家了。
要掌握复杂的公式么？可以不掌握。当然，能掌握我也不反对，它们其实是很有用的。
成为行家原来这么简单。那么你怎么判断一个人是不是自动的行家呢？很简单，我的经验，你只要看他观察哪些曲线就可以了。
1-11 观察哪些曲线
我曾经见过一个自动好手整定参数，我看他收集的曲线后，我就断定这个自动他投不好。给他提建议，但是因为他的名望比较高，没有听取咱的建议。后来果然没投好。
观察曲线是发现问题的最方便的办法。
现在DCS功能很强大，想收集什么曲线就收集什么曲线，只要这个测点被引入DCS。最初可不是这样的。90年代初我用的是DDZ-II型调节器，后来是MZ-III组件型调节系统，再后来是KMM调节器，后来才有了集中控制系统，再后来有了DCS。前三种都不能显示曲线的。只能靠两只眼睛盯着指针或者数字，根据记忆去判断调节曲线，那个费劲啊！可是当时我并不觉得费劲，现在用惯了DCS以后，再拐回头去看数字，才觉得真费劲！还是老话说得好：由俭入奢易，由奢入俭难啊。
那么到底要观察哪些曲线呢？
说实话，开始我没有把这个事情当成个问题，觉得是水到渠成的事情。可后来我发现许多人都不善于收集曲线，才觉得有必要说一下。
我们要收集的曲线有：
1、设定值。作为比较判断依据；
2、被调量波动曲线。
3、
上一章简单介绍了自动调节的发展历程。搞自动的人，许多人对如何整定PID参数感到比较迷茫。这个东西其实一点都不高深，上过初中的人，只要受过严格训练，都可以成为整定参数的好手。什么？初中生理解积分微分的原理么？恩，初中生没有学过微积分，可是一旦你给他讲清楚微积分的物理意义，然后认真训练判断曲线的习惯和能力，完全可以掌握好PID的参数整定。
怎么才算受过严格训练呢？我不了解别人是怎么训练的，我只根据我自己理解的情况，把我认为正确的理解给大家讲述一下。咱既然说了，初中生都可以理解，那么咱依旧避免繁琐的公式推导，只对其进行物理意义分析。
提前声明：这些物理意义的分析，非常简单，非常容易掌握，但是你必须要把下面一些推导结论的描述弄熟弄透，然后才能够进行参数整定。很简单的哦。
在介绍PID参数整定之前，先介绍几个基本概念：
2-1 几个基本概念
单回路：就是指有一个PID的调节系统。
串级：一个PID不够用怎么办？把两个PID串接起来，形成一个串级调节系统。又叫双回路调节系统。在第三章里面，咱们还会更详细的讲解串级调节系统。在此先不作过多介绍。
正作用：比方说一个水池有一个进水口和一个出水口，进水量固定不变，依靠调节出水口的水量调节水池水位。那么水位如果高了，就需要调节出水量增大，对于PID调节器来说，输出随着被调量增高而增高，降低而降低的作用，叫做正作用。
负作用：还是这个水池，我们把出水量固定不变，而依靠调节进水量来调节水池水位。那么如果水池水位增高，就需要关小进水量。对于PID调节器来说，输出随着被调量的增高而降低的作用叫做负作用。
动态偏差：在调节过程中，被调量和设定值之间的偏差随时改变，任意时刻两者之间的偏差叫做动态偏差。简称动差。
静态偏差：调解趋于稳定之后，被调量和设定值之间还存在的偏差叫做静态偏差。简称静差。
回调：调节器调节作用显现，使得被调量开始由上升变为下降，或者由下降变为上升。
I就是积分作用。
一句话简述：如果调节器的输如偏差不等于零，就让调节器的输出按照一定的速度一直朝一个方向累加下去。
积分相当于一个斜率发生器。启动这个发生器的前提是调节器的输如偏差不等于零，斜率的大小与两个参数有关：输入偏差的大小、积分时间。
在许多调节系统中，规定单纯的比例作用是不存在的。它必须要和比例作用配合在一起使用才有意义。我不知道是不是所有的系统都有这么一个规定，之所以说是个规定，是因为，从原理上讲，纯积分作用可以存在，但是很可能没有实用意义。这里不作过分的空想和假设。为了分析方便，咱们把积分作用剥离开来，对其作单纯的分析。
那么单纯积分作用的特性总结如下：
1、 输出的升降与被调量的升降无关，与输入偏差的正负有关。
2、 输出的升降与被调量的大小无关。
3、 输出的斜率与被调量的大小有关。
4、 被调量不管怎么变化，输出始终不会出现节跃扰动。
5、 被调量达到顶点的时候，输出的变化趋势不变，速率开始减缓。
6、 输出曲线达到顶点的时候，必然是输入偏差等于零的时候。
看到了么？纯积分作用的性质很特别。你能根据一个被调量波动波形，画出输出波形么？如果你能画正确，那说明你真正掌握了。
好了，来点枯燥的看图题：
积分作用下，输入偏差变化的响应曲线与比例作用有很大的不同。假设被调量偏高时调门应关小，在定值有一个阶跃扰动时，输出不会作阶跃变化，而是以较高的速率开始升高。如图3：
图3：积分作用下的调节曲线
因输出的响应较比例作用不明显，故被调量开始变化的时刻t2，较比例作用缓慢。在t1到t2的时间内，因为被调量不变，即输入偏差不变，所以输出以不变的速率上升，即呈线性上升。调节器的输出缓慢改变，导致被调量逐渐受到影响而改变。
在t2时刻，被调量开始变化时，输入偏差逐渐减小，输出的速率开始降低。
到t3时刻，偏差为0时，输出不变，输出曲线为水平。然后偏差开始为正时，输出才开始降低。
到t4时刻，被调量达到顶点开始回复，但是因偏差仍旧为正，故输出继续降低只是速率开始减缓。
直到t5时刻，偏差为0时，输出才重新升高。
一般来说，积分作用容易被初学者重视，重视是对的，因为它可以消除静态偏差。可是重视过头了，就会形成积分干扰。先不说怎么判断，能认识图形是最重要的。——本文来自北极星电力论坛『BBS.BJX.COM.CN』原帖地址：http://bbs.bjx.com.cn/bbs/viewthread.php?tid=203881&fromuid=0
D就是微分作用。单纯的微分作用是不存在的。同积分作用一样，我们之所以要把微分作用单独隔离开来讲，就是为了理解的方便。
一句话简述：被调量不动，输出不动；被调量一动，输出马上跳。
根据微分作用的特点，咱们可以得出如下曲线的推论：
1、 微分作用与被调量的大小无关，与被调量的变化速率有关；
2、 与被调量的正负无关，与被调量的变化趋势有关；
3、 如果被调量有一个，就相当于输入变化的速度无穷大，那么输出会直接到最小或者最大；
4、 微分参数有的是一个，用微分时间表示。有的分为两个：微分增益和微分时间。微分增益 表示输出波动的幅度，搏动后还要输出回归，微分时间表示回归的快慢。见图4，KD是微分增益，TD是微分时间。
5、 由第4条得出推论：波动调节之后，输出还会自动拐回头。
图4：纯微分作用的阶跃反应曲线
都说微分作用能够超前调节。可是微分作用到底是怎样超前调节的？一些人会忽略这个问题。合理搭配微分增益和微分时间，会起到让你起初意想不到的效果。
比例积分微分三个作用各有各的特点。这个必须要区分清楚。温习一下：
比例作用：输出与输入曲线相似。
积分作用：只要输入有偏差输出就变化。
微分作用：输入有抖动输出才变化，且会猛变化。
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