由入门到精通－－－－吃透PID 点击：15397 | 回复：131
发表于：2009-04-16 17:16:19
楼主
友情提示：承蒙网友的厚爱，见到有些网友把此帖转帖，谢谢！希望大家在转贴的时候注明作者：焦作华润白志刚。
目前，本文的最新版本已经编辑完成，如果已经转贴的朋友，请按照最新版本修改。再次感谢！
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。
发表于：2009-08-05 14:42:08
82楼
2-14 整定参数的几个认识误区
1、 对微分的认识误区
认为微分就是超前调节，如果被调量或者测量值有滞后，就要加微分。微分是有超前调节的功能，但是微分作用有些地方不能用：测量值存在不间断的微小波动的时候。尤其是水位、气压测量，波动始终存在，我们一直在考虑滤波呢，再加个微分，就会造成调节干扰。不如不要微分。
2、 对积分的认识误区
有些人发现偏差就要调积分，偏差存在有可能是系统调节缓慢，比例作用也有可能影响，如果积分作用盖过了比例作用，那么这个系统就很难稳定。
咱们上面说过：初学者容易强调积分作用，熟练者容易忽略积分作用。不再赘述。
3、 对耦合系统中，超前调节的认识误区
对于耦合系统，不管初学者熟练者都容易考虑一个捷径：增加前馈调节。这个问题甚至搞自动控制的老手都容易犯，毕竟捷径谁都想走。比如众所周知的协调控制，经典控制法中，就有负荷和汽压互为前馈的控制策略设计。这个方法也不为错，但是更普适更好的方法是一种整定参数的思想，参数设置合理的话这个前馈画蛇添足。
要积极探讨各种控制办法。
4、 反馈过强
复杂调节系统中，前馈信号和反馈信号过强的话，会造成系统震荡，所以调解过程中不仅仅要注意PID参数，还要注意反馈参数。
尤其在汽包水位三冲量调节系统中，蒸汽流量和给水流量的信号都要经过系数处理。有些未经处理的系统，在负荷波动的时候，就要退掉自动，否则会发生震荡的危险。
5、 死搬标准，强调个别指标
教科书里，自动调节系统需要关注的指标有很多。这些指标都有助于自动调节系统的整定。但是自动好不好，不要硬套指标。最应关注的有两个指标：被调量波动范围、执行机构动作次数，其他都不是最必要的。
曾经有一次，我帮助一个电厂整定自动调节系统。快要结束的时候，对方专工说：按照国家制定的自动调节系统调试标准，在多大干扰的情况下，系统恢复稳定的时间要小于若干分钟。我说按照这个标准，调节系统可能会发生震荡。对方说震荡没关系，只要能达到国家标准就可以。我重新整定系统后完全可以达到这个标准，可是再强调系统存在震荡的可能——大干扰情况下难以稳定——半个月后，这个参数下，该执行器烧坏。
6、 改变设定值以抑制超调
频繁改变设定值是干扰自动调节。尤其减温水调节系统，没有必要依靠改变设定值来抑制超调。那么什么情况下，需要人为干扰呢？
在系统输出长时间最大或者最小的时候，说明达到了积分饱和，需要退出系统，然后再投即可。
频繁改变设定值是干扰自动调节
7、 主调快还是副调快？因系统而定，因参数而定。常规参数：主调的比例弱，积分强，以消除静差；副调的比例强，积分弱，以消除干扰。不绝对。
1、 对微分的认识误区
认为微分就是超前调节，如果被调量或者测量值有滞后，就要加微分。微分是有超前调节的功能，但是微分作用有些地方不能用：测量值存在不间断的微小波动的时候。尤其是水位、气压测量，波动始终存在，我们一直在考虑滤波呢，再加个微分，就会造成调节干扰。不如不要微分。
2、 对积分的认识误区
有些人发现偏差就要调积分，偏差存在有可能是系统调节缓慢，比例作用也有可能影响，如果积分作用盖过了比例作用，那么这个系统就很难稳定。
咱们上面说过：初学者容易强调积分作用，熟练者容易忽略积分作用。不再赘述。
3、 对耦合系统中，超前调节的认识误区
对于耦合系统，不管初学者熟练者都容易考虑一个捷径：增加前馈调节。这个问题甚至搞自动控制的老手都容易犯，毕竟捷径谁都想走。比如众所周知的协调控制，经典控制法中，就有负荷和汽压互为前馈的控制策略设计。这个方法也不为错，但是更普适更好的方法是一种整定参数的思想，参数设置合理的话这个前馈画蛇添足。
要积极探讨各种控制办法。
4、 反馈过强
复杂调节系统中，前馈信号和反馈信号过强的话，会造成系统震荡，所以调解过程中不仅仅要注意PID参数，还要注意反馈参数。
尤其在汽包水位三冲量调节系统中，蒸汽流量和给水流量的信号都要经过系数处理。有些未经处理的系统，在负荷波动的时候，就要退掉自动，否则会发生震荡的危险。
5、 死搬标准，强调个别指标
教科书里，自动调节系统需要关注的指标有很多。这些指标都有助于自动调节系统的整定。但是自动好不好，不要硬套指标。最应关注的有两个指标：被调量波动范围、执行机构动作次数，其他都不是最必要的。
曾经有一次，我帮助一个电厂整定自动调节系统。快要结束的时候，对方专工说：按照国家制定的自动调节系统调试标准，在多大干扰的情况下，系统恢复稳定的时间要小于若干分钟。我说按照这个标准，调节系统可能会发生震荡。对方说震荡没关系，只要能达到国家标准就可以。我重新整定系统后完全可以达到这个标准，可是再强调系统存在震荡的可能——大干扰情况下难以稳定——半个月后，这个参数下，该执行器烧坏。
6、 改变设定值以抑制超调
频繁改变设定值是干扰自动调节。尤其减温水调节系统，没有必要依靠改变设定值来抑制超调。那么什么情况下，需要人为干扰呢？
在系统输出长时间最大或者最小的时候，说明达到了积分饱和，需要退出系统，然后再投即可。
频繁改变设定值是干扰自动调节
7、 主调快还是副调快？因系统而定，因参数而定。常规参数：主调的比例弱，积分强，以消除静差；副调的比例强，积分弱，以消除干扰。不绝对。
发表于：2009-08-24 10:41:37
85楼
2-15 其它先进自动控制方式
在PID调节诞生后，取得了很好的应用效果。PID调节迅速普及。但是，现实总是复杂的。它不像牛顿三大运动定律一样，一旦发布，就会看到手边所有的物质都遵循这个规律——除非你用显微镜才可得到的微观世界，和用望远镜才能看清楚的宏观星际。牛顿只是发现了他们活动的普遍规律。自动控制可不是这么简单，工程应用中，总会冒出各种各样的问题。我也不敢说，在电厂什么系统我都能快速解决。我只可以说能够在较短时间内总结出规律，然后想办法克服。
为了适应各种复杂情况，自动调节的先驱们也在不断的总结经验，不断的探索。
1985年，1月，国际电气与电子工程师学会（IEEE）在美国纽约召开了第一节智能控制学术会议，讨论的主题是：智能控制的原理和系统结构。一般来说，这个会议，标志着现代控制理论的形成。
会议至今将近25年了，某些理论还在探索发展阶段，有的理论已经应用。
自从维纳创立控制论以后，自动调节理论经历了两个发展阶段——经典控制理论和现代控制理论。而所谓的经典和现代的划分也不是完全不变的。现在所普遍应用的自动调节，已经在你不知道的时候的地方，加入了一些现代控制的理念和方法。有些现代控制理论已经“随风潜入夜，润物细无声”了。
比如最初，串级调节系统都算是“先进控制法”咧。现在应用得很稀松了，也就取消了他的“先进”称号。
还有前馈，这些都不说了。同志们都在前进，这都算是普通带平常了。
还有如在PID的输入进行平方运算、smith预估算法等等，方法很多，没用过，不敢置评。
以上这些都是在PID控制法下面的改进，不算是有全新的控制思想。下面介绍全新的控制思想：
在PID调节诞生后，取得了很好的应用效果。PID调节迅速普及。但是，现实总是复杂的。它不像牛顿三大运动定律一样，一旦发布，就会看到手边所有的物质都遵循这个规律——除非你用显微镜才可得到的微观世界，和用望远镜才能看清楚的宏观星际。牛顿只是发现了他们活动的普遍规律。自动控制可不是这么简单，工程应用中，总会冒出各种各样的问题。我也不敢说，在电厂什么系统我都能快速解决。我只可以说能够在较短时间内总结出规律，然后想办法克服。
为了适应各种复杂情况，自动调节的先驱们也在不断的总结经验，不断的探索。
1985年，1月，国际电气与电子工程师学会（IEEE）在美国纽约召开了第一节智能控制学术会议，讨论的主题是：智能控制的原理和系统结构。一般来说，这个会议，标志着现代控制理论的形成。
会议至今将近25年了，某些理论还在探索发展阶段，有的理论已经应用。
自从维纳创立控制论以后，自动调节理论经历了两个发展阶段——经典控制理论和现代控制理论。而所谓的经典和现代的划分也不是完全不变的。现在所普遍应用的自动调节，已经在你不知道的时候的地方，加入了一些现代控制的理念和方法。有些现代控制理论已经“随风潜入夜，润物细无声”了。
比如最初，串级调节系统都算是“先进控制法”咧。现在应用得很稀松了，也就取消了他的“先进”称号。
还有前馈，这些都不说了。同志们都在前进，这都算是普通带平常了。
还有如在PID的输入进行平方运算、smith预估算法等等，方法很多，没用过，不敢置评。
以上这些都是在PID控制法下面的改进，不算是有全新的控制思想。下面介绍全新的控制思想：
发表于：2009-08-24 10:43:38
86楼
2-16 先进控制思想
科学发展现在这个水平，有许多方法或者产品，我们明明白白感受到了科技的力量。比如计算机、手机，比如自动调节系统。自动调节系统的发展过程中，我们往往感受不到他发展的速度。因为我们身在其中啊。有些所谓先进的控制思想，早就应用到我们生产实践中了。
比如说吧，离散控制。名字听着似乎很时髦很先进。它的本质就是让调节器的输出不是一个固定的量。偏差变化了，调节器该怎么调节？调节器的最直接的输出不是直接发出一个开度的量，而是发出一个在上一时刻的开度下改变多少的量。
打个比方：水位测量范围是50~150mm，比例带为100，第一个周期检测到水位是100mm，此时排水阀假设开度为50%。第二个检测周期内，调节器检测到当水位升高到101mm，此时调节器的输出为：
T（out）= 50+(101-100) 1/δ
投自动之前，调节器输出始终跟踪阀门开度。自打投自动的那一刻起，那一刻的阀门开度被记录，以后下一时刻运算的值，在被记录的值上累加，以后每一时刻都是累加上一时刻的值。
应该说，现在所有的DCS都采用了这个方法。
下面要认真介绍几个先进控制思想：
一、 神经网络控制
这个系统表述起来比较麻烦。也有人叫它神经元控制。
他的成长也经历过波折。
20世纪40年代心理学家Mcculloch和数学家Pitts提出了形式神经元的数学模型，后来不断补充完善。1969年他遭受了一个打击：两个数学家从数学上证明它有很大的局限性，甚至可以说是无解的。一下子弄得研究人员灰头土脑的，都没精神了。研究停顿下来。1982年有人用“能量函数”的概念拯救了神经网络控制。一直到现在，该思想方法不断取得进展。
从上面的情况来看，有人说数学是一切学科的工具，这句话真不假。各种先进控制法从诞生到发展，都离不开数学的影子。可咱们所讲的经典控制PID控制法，似乎与数学无关吧？不是的，息息相关。经典控制法其实完全离不开数学模型，本文前面之所以没有很多数学的影子，是因为咱们是在别人建立模型的基础之上的应用。包括下一章所要讨论的电厂各个实际自动调节系统，都离不开当初数学模型的建立或者指导。还有些情况下，我们能够给控制策略进行修改添加，能否成功，数学上都能够找到依据。
总的来说，神经网络控制是模拟生物感知控制。它将每个信号进行加权运算和小信号切除后，进行层运算，最终多路输出。并行计算、分步信息储存、容错能力强是它突出的优点。
这东西在工程控制上的应用，有多大好处不好说，咱没有具体实践过。为了克服它的缺点，后来又产生了模糊神经网络控制。简言之，杂交优势在工程上也是比较明显的。
二、 模糊控制
在前面咱们提到过，骑自行车是模糊控制。什么叫做模糊控制呢？
PID调节是精确调节，它清楚地知道调节的目标（设定值），和下达命令的大小（执行机构开度）。对于有些系统来说是很必要的。比如火电厂主汽温度调节，我们需要尽可能高的温度，以提高蒸汽的做功能力，增加热效率；同时又不让蒸汽温度过高，蒸汽温度过高管道就会变软，耐压就会降低，专业名词叫做产生“高温蠕变”。为了兼顾经济性和安全性，咱们可以精确的给蒸汽温度一个设定值，尽力让温度保持在这个设定值周围。如果自动调节不好用，温度波动大，设定值就要降低，防止温度过高；如果自动调节效果好，设定值可以适当提高。
而有的系统不是这样的。比如水位控制，高一点低一点都无所谓，误差几十毫米对系统影响不大。可是传统的PID控制必须要有一个明确的设定值，超出设定值的波动都要进行调节。这样就产生了调节浪费。还有的系统，在一定范围内可以缓慢调节，超出一定范围的时候需要急剧调节，这些问题，传统的PID调节有它不太擅长的地方。模糊控制就是专门针对这种情况设计的。
模糊控制诞生于1965年。创始人是美国（又是美国！）的扎德教授（L.A.Zadeh）。老外把模糊控制叫做Fuzzy，最初咱们国家翻译的时候，根据音译也有人叫“乏晰控制”——缺乏明晰的控制。
咱上高中时候学的集合论为模糊控制奠定了基础。一听集合论大家就应该明白一些东西，模糊控制就是人为地把采集到的清晰的数据模糊集合化，把控制目标模糊集合化，最终再把模糊化的东西清晰化去实现控制。够费劲吧？实际中的模糊控制策略确实够费劲的。
在上世纪90年代的时候，我自己根据模糊控制的原理编辑了一个低加水位控制程序。火电厂热控的人员都知道，低加水位控制应该算是最简单的控制了。我把水位模糊化为安全区、调节区、危险区三个区域，又把水位波动的趋势模糊化为缓慢、中速、急剧三个层次，再把输出调节划分为细调、匀调、大幅度调节三个阶段，经过复杂的调节策略，最终实现了模糊控制。水位不高不低的时候，不调节；水位小波动也不调节；水位快速波动的时候快速调节；急剧波动的时候急剧调节。
正当我在欣赏自己的成绩的时候，突然发现：一个PID调节中，再简单不过的调节系统，用模糊控制就需要至少7个参数，串级系统需要十几个参数，控制策略又这么复杂，还不把人给累死啊！这个参数是我自己整出来的，估计每个人整出来的也会不一样。但是有一点是相同的：控制策略很复杂，调节参数又多。
因为模糊控制对精细调节的优势不明显，后来又诞生了模糊+PID控制，精细的区域用PID调节，之外用模糊——绕了一个大弯，又回到了PID。当初…….
如果说它对危险区域（大幅度偏离设定值）的控制有优点的话，那么前面咱们提过的PID输入偏差加平方运算似乎也可以达到这个目的。
恩，模糊控制有它的优点，可是它的缺点也太明显了。控制策略很复杂。
05年的时候，我见到了自动专家张鼎燕老师。向他请教当前眼花缭乱的先进控制的优缺点。他说先进控制，尤其是模糊控制，日本研究比较好，应用的也多。他曾经跟一个日本控制专家讨论：模糊控制和传统控制比起来，优越性是PID不可替代的么？日本专家回答：最终还是离不开传统的PID控制的。
* * *
PID调节方法表述这么的简单，应用范围这么的广，调节效果又非常的好，她几乎深入到了工程控制的犄角旮旯，目前没有任何一种方法可以完全替代它。她又是那么的迷人，她的脸庞谁都能看到，似乎触手可及，真要触摸一下却需要你费尽心机；她的思想一目了然，真要深刻领会却需要你去仔细研究探讨。她深邃的眼神在看着你，你想拥有她么？你想了解她思想么？只要得到了她，在工程控制领域你几乎可以所向披靡。她是小姑娘，她的心思需要你耐心的琢磨；她是女神，她有着深刻的魅力；她是电脑游戏，可以吸引着你离不开她；她是通向成功控制的加权值，加权值等于……你想要多少？
科学发展现在这个水平，有许多方法或者产品，我们明明白白感受到了科技的力量。比如计算机、手机，比如自动调节系统。自动调节系统的发展过程中，我们往往感受不到他发展的速度。因为我们身在其中啊。有些所谓先进的控制思想，早就应用到我们生产实践中了。
比如说吧，离散控制。名字听着似乎很时髦很先进。它的本质就是让调节器的输出不是一个固定的量。偏差变化了，调节器该怎么调节？调节器的最直接的输出不是直接发出一个开度的量，而是发出一个在上一时刻的开度下改变多少的量。
打个比方：水位测量范围是50~150mm，比例带为100，第一个周期检测到水位是100mm，此时排水阀假设开度为50%。第二个检测周期内，调节器检测到当水位升高到101mm，此时调节器的输出为：
T（out）= 50+(101-100) 1/δ
投自动之前，调节器输出始终跟踪阀门开度。自打投自动的那一刻起，那一刻的阀门开度被记录，以后下一时刻运算的值，在被记录的值上累加，以后每一时刻都是累加上一时刻的值。
应该说，现在所有的DCS都采用了这个方法。
下面要认真介绍几个先进控制思想：
一、 神经网络控制
这个系统表述起来比较麻烦。也有人叫它神经元控制。
他的成长也经历过波折。
20世纪40年代心理学家Mcculloch和数学家Pitts提出了形式神经元的数学模型，后来不断补充完善。1969年他遭受了一个打击：两个数学家从数学上证明它有很大的局限性，甚至可以说是无解的。一下子弄得研究人员灰头土脑的，都没精神了。研究停顿下来。1982年有人用“能量函数”的概念拯救了神经网络控制。一直到现在，该思想方法不断取得进展。
从上面的情况来看，有人说数学是一切学科的工具，这句话真不假。各种先进控制法从诞生到发展，都离不开数学的影子。可咱们所讲的经典控制PID控制法，似乎与数学无关吧？不是的，息息相关。经典控制法其实完全离不开数学模型，本文前面之所以没有很多数学的影子，是因为咱们是在别人建立模型的基础之上的应用。包括下一章所要讨论的电厂各个实际自动调节系统，都离不开当初数学模型的建立或者指导。还有些情况下，我们能够给控制策略进行修改添加，能否成功，数学上都能够找到依据。
总的来说，神经网络控制是模拟生物感知控制。它将每个信号进行加权运算和小信号切除后，进行层运算，最终多路输出。并行计算、分步信息储存、容错能力强是它突出的优点。
这东西在工程控制上的应用，有多大好处不好说，咱没有具体实践过。为了克服它的缺点，后来又产生了模糊神经网络控制。简言之，杂交优势在工程上也是比较明显的。
二、 模糊控制
在前面咱们提到过，骑自行车是模糊控制。什么叫做模糊控制呢？
PID调节是精确调节，它清楚地知道调节的目标（设定值），和下达命令的大小（执行机构开度）。对于有些系统来说是很必要的。比如火电厂主汽温度调节，我们需要尽可能高的温度，以提高蒸汽的做功能力，增加热效率；同时又不让蒸汽温度过高，蒸汽温度过高管道就会变软，耐压就会降低，专业名词叫做产生“高温蠕变”。为了兼顾经济性和安全性，咱们可以精确的给蒸汽温度一个设定值，尽力让温度保持在这个设定值周围。如果自动调节不好用，温度波动大，设定值就要降低，防止温度过高；如果自动调节效果好，设定值可以适当提高。
而有的系统不是这样的。比如水位控制，高一点低一点都无所谓，误差几十毫米对系统影响不大。可是传统的PID控制必须要有一个明确的设定值，超出设定值的波动都要进行调节。这样就产生了调节浪费。还有的系统，在一定范围内可以缓慢调节，超出一定范围的时候需要急剧调节，这些问题，传统的PID调节有它不太擅长的地方。模糊控制就是专门针对这种情况设计的。
模糊控制诞生于1965年。创始人是美国（又是美国！）的扎德教授（L.A.Zadeh）。老外把模糊控制叫做Fuzzy，最初咱们国家翻译的时候，根据音译也有人叫“乏晰控制”——缺乏明晰的控制。
咱上高中时候学的集合论为模糊控制奠定了基础。一听集合论大家就应该明白一些东西，模糊控制就是人为地把采集到的清晰的数据模糊集合化，把控制目标模糊集合化，最终再把模糊化的东西清晰化去实现控制。够费劲吧？实际中的模糊控制策略确实够费劲的。
在上世纪90年代的时候，我自己根据模糊控制的原理编辑了一个低加水位控制程序。火电厂热控的人员都知道，低加水位控制应该算是最简单的控制了。我把水位模糊化为安全区、调节区、危险区三个区域，又把水位波动的趋势模糊化为缓慢、中速、急剧三个层次，再把输出调节划分为细调、匀调、大幅度调节三个阶段，经过复杂的调节策略，最终实现了模糊控制。水位不高不低的时候，不调节；水位小波动也不调节；水位快速波动的时候快速调节；急剧波动的时候急剧调节。
正当我在欣赏自己的成绩的时候，突然发现：一个PID调节中，再简单不过的调节系统，用模糊控制就需要至少7个参数，串级系统需要十几个参数，控制策略又这么复杂，还不把人给累死啊！这个参数是我自己整出来的，估计每个人整出来的也会不一样。但是有一点是相同的：控制策略很复杂，调节参数又多。
因为模糊控制对精细调节的优势不明显，后来又诞生了模糊+PID控制，精细的区域用PID调节，之外用模糊——绕了一个大弯，又回到了PID。当初…….
如果说它对危险区域（大幅度偏离设定值）的控制有优点的话，那么前面咱们提过的PID输入偏差加平方运算似乎也可以达到这个目的。
恩，模糊控制有它的优点，可是它的缺点也太明显了。控制策略很复杂。
05年的时候，我见到了自动专家张鼎燕老师。向他请教当前眼花缭乱的先进控制的优缺点。他说先进控制，尤其是模糊控制，日本研究比较好，应用的也多。他曾经跟一个日本控制专家讨论：模糊控制和传统控制比起来，优越性是PID不可替代的么？日本专家回答：最终还是离不开传统的PID控制的。
* * *
PID调节方法表述这么的简单，应用范围这么的广，调节效果又非常的好，她几乎深入到了工程控制的犄角旮旯，目前没有任何一种方法可以完全替代它。她又是那么的迷人，她的脸庞谁都能看到，似乎触手可及，真要触摸一下却需要你费尽心机；她的思想一目了然，真要深刻领会却需要你去仔细研究探讨。她深邃的眼神在看着你，你想拥有她么？你想了解她思想么？只要得到了她，在工程控制领域你几乎可以所向披靡。她是小姑娘，她的心思需要你耐心的琢磨；她是女神，她有着深刻的魅力；她是电脑游戏，可以吸引着你离不开她；她是通向成功控制的加权值，加权值等于……你想要多少？
发表于：2009-08-31 10:23:20
87楼
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
火电厂与其它行业的自动调节系统有一些不同。一般来说，火电厂的自动调节存在如下几个特点
一、 调节周期的长短。
一般来说，电厂自动调节系统的调节周期都在十几分钟内。不同的系统周期不一样，短的可以接近几分钟。
而化工行业的调节周期有的很长，甚至可以达到几个小时。周期长对于观察曲线不利，整定参数也慢。周期短有利于迅速确定参数。
也有的行业调节周期非常短，在几秒甚至几十毫秒之内。周期过短对控制系统要求很严，一般的DCS根本不能满足这么短的调节周期。因为DCS的巡测周期在200-1000毫秒之内，运算周期也长。个别的DCS卡件虽然可以达到毫秒级，但是它们不能进行复杂的PID运算。长的运算检测周期，不能捕捉到被调量的每一个波动，更加不能指挥控制被调量的波动了。所以特别短的调节周期需要专门的控制器。整定参数也只能放大调节周期，观察调节曲线。对维护人员来说，要更依靠对调节曲线的判断了。
二、 干扰因素多。
火电厂的干扰因素很多，尤其在我们国家，煤质严重不稳定。实际燃烧用煤不仅波动大，甚至还严重偏离设计煤种，对燃烧造成困难，对自动调节系统也造成很大的干扰。还有的问题有：某些电厂设计磨煤机出力偏大，单台启停干扰大。送引风机出力偏小，风压调节裕度小。我不知道这些问题在欧美国家是否存在，但是我感觉在国内的现象偏多。
上述问题的存在影响最大的系统有：汽压不容易稳定，燃烧不稳定，主汽温度干扰大，风压不容易稳定，炉膛压力不容易稳定，汽包水位受到影响。
这些干扰的存在使得火电厂自动投入比较困难。它可能比水电核电化工等行业的自动调节都麻烦。
三、 滞后和惯性的长短
火电厂的调节系统，滞后和惯性都一般都在10秒~5分钟以内，一般的调节系统都小于1分钟；比较大的滞后和惯性系统是蒸汽温度调节系统，滞后也在5分钟以内。
有的化工调节系统，滞后和惯性要超过几个小时。所以那些系统要解决的重要问题就是克服滞后和惯性。
对于火电厂来说，蒸汽温度控制的复杂，不仅仅在于滞后和惯性较大，还在于各种干扰因素同时存在，难以穷列各个因素，因而控制策略往往难以确定，给自动的投入带来很大的困难。
四、 系统耦合多
火电厂机组负荷与蒸汽压力互相耦合干扰，送引风之间相互耦合，高低加除氧器之间相互耦合等等。耦合产生干扰。投自动的时候，需要考虑耦合系统的干扰，考虑解耦。
五、 系统复杂
一般来说，其它行业采用单回路的系统多，双回路的系统比较少。火电厂大量应用双回路甚至更为复杂的调节系统。双回路比较典型的是汽包水位三冲量调节系统。更为复杂的是协调系统，它包括了串级、并联多回路、多变量、多耦合多输出等调节系统的综合。
协调系统的控制策略看起来虽然很麻烦，可是只要掌握了控制原理，分回路进行参数整定，系统整定也没有那么困难。
总而言之，要善于把复杂系统简单化。
3-1 火电厂自动调节系统的普遍特点
火电厂与其它行业的自动调节系统有一些不同。一般来说，火电厂的自动调节存在如下几个特点
一、 调节周期的长短。
一般来说，电厂自动调节系统的调节周期都在十几分钟内。不同的系统周期不一样，短的可以接近几分钟。
而化工行业的调节周期有的很长，甚至可以达到几个小时。周期长对于观察曲线不利，整定参数也慢。周期短有利于迅速确定参数。
也有的行业调节周期非常短，在几秒甚至几十毫秒之内。周期过短对控制系统要求很严，一般的DCS根本不能满足这么短的调节周期。因为DCS的巡测周期在200-1000毫秒之内，运算周期也长。个别的DCS卡件虽然可以达到毫秒级，但是它们不能进行复杂的PID运算。长的运算检测周期，不能捕捉到被调量的每一个波动，更加不能指挥控制被调量的波动了。所以特别短的调节周期需要专门的控制器。整定参数也只能放大调节周期，观察调节曲线。对维护人员来说，要更依靠对调节曲线的判断了。
二、 干扰因素多。
火电厂的干扰因素很多，尤其在我们国家，煤质严重不稳定。实际燃烧用煤不仅波动大，甚至还严重偏离设计煤种，对燃烧造成困难，对自动调节系统也造成很大的干扰。还有的问题有：某些电厂设计磨煤机出力偏大，单台启停干扰大。送引风机出力偏小，风压调节裕度小。我不知道这些问题在欧美国家是否存在，但是我感觉在国内的现象偏多。
上述问题的存在影响最大的系统有：汽压不容易稳定，燃烧不稳定，主汽温度干扰大，风压不容易稳定，炉膛压力不容易稳定，汽包水位受到影响。
这些干扰的存在使得火电厂自动投入比较困难。它可能比水电核电化工等行业的自动调节都麻烦。
三、 滞后和惯性的长短
火电厂的调节系统，滞后和惯性都一般都在10秒~5分钟以内，一般的调节系统都小于1分钟；比较大的滞后和惯性系统是蒸汽温度调节系统，滞后也在5分钟以内。
有的化工调节系统，滞后和惯性要超过几个小时。所以那些系统要解决的重要问题就是克服滞后和惯性。
对于火电厂来说，蒸汽温度控制的复杂，不仅仅在于滞后和惯性较大，还在于各种干扰因素同时存在，难以穷列各个因素，因而控制策略往往难以确定，给自动的投入带来很大的困难。
四、 系统耦合多
火电厂机组负荷与蒸汽压力互相耦合干扰，送引风之间相互耦合，高低加除氧器之间相互耦合等等。耦合产生干扰。投自动的时候，需要考虑耦合系统的干扰，考虑解耦。
五、 系统复杂
一般来说，其它行业采用单回路的系统多，双回路的系统比较少。火电厂大量应用双回路甚至更为复杂的调节系统。双回路比较典型的是汽包水位三冲量调节系统。更为复杂的是协调系统，它包括了串级、并联多回路、多变量、多耦合多输出等调节系统的综合。
协调系统的控制策略看起来虽然很麻烦，可是只要掌握了控制原理，分回路进行参数整定，系统整定也没有那么困难。
总而言之，要善于把复杂系统简单化。
发表于：2009-09-01 10:50:32
89楼
发表于：2009-09-07 11:39:21
93楼
3-2 自动调节系统的构成
随着时代的发展，自动调节系统所能应用的范围越来越宽，越来越广泛。所能调节的对象越来越丰富，调节的手段也数不胜数。总结一下：
1、被控对象，也叫被调量。
包括压力、温度、水位、流量、浓度、功率、转速、电压、电流、含量、位移、方向、比例等等。电厂常用的是压力、温度、水位、转速、功率。
2、调节器。
最初是单回路，后来发展到串级调节系统。现在一般课本上把串级调节系统也叫做双回路。副调叫做内回路，主调叫做外回路，合称双回路。
我觉得这种叫法不大合适。为什么呢？因为当时只考虑到了两个PID串在一起组成一个调节系统，却没有考虑到两个PID不串在一起，却仍旧是一个调节系统的情况。所以给咱现在的表述造成困难。当时的标准：两个PID不串在一起，那就是两个调节系统。不一定的。比如两个互为备用的系统，控制的是一个被调量。有人说是两套系统，不妥。也有两个串级之间相互切换的，比如两个给水泵互为备用，调节汽包水位。它们都是控制一个被调量，应该算做一个调节系统。
更为复杂的，电厂的都知道协调系统。严格来说，协调包括了两套调节系统：功率回路和汽压回路。可是一般咱们都说协调，基本上都说在一起了。当然，协调系统说成两个系统也未尝不可，毕竟它们各有各的被调量。
如果为了自动投入率的考核的话，那把系统说的越多越好，增加分子了啊，“率”提高了。
4、 执行机构。
执行机构应该包括执行器和阀门两大部分。他的分类很多：
从改变位移或者角度的方面来说，包括执行器，伺服阀，电磁阀等。与之对应的被控设备有阀门，调速汽门，给粉机和下料装置等
从改变电量的方面来说，包括继电器，变频器，固态继电器，双向可控硅，广义还包括电炉丝等。
从控制方式来说，包括：控制开度、转速、可控硅导通角、PMW（占空比）、位移、速度、力矩、通断等等。
从阀门种类来说，包括调节阀，开关阀。
这里需要专门说一说开关阀。有人会问：开关阀怎么实现自动调节功能？
可以实现的。
举最常用的例子来说，有一种虽然称不上阀门但是可以用开关方式调节的的“执行机构”——双向可控硅控制加热装置。也有的把双向可控硅叫双向电子开关。可控硅的导通频率可以相当大，每秒钟可以完成10多次通断的动作，我们把可控硅的每分钟或者每秒钟导通的时间除以分钟或秒，称之为占空比。用PID来调节占空比，同样也可以达到自动调节的目的。现在，用这种方法控制加热丝以调节温度的方法应用相当普遍，效果也非常之好。一般控制精度可以达到±1℃之内。
在真正的调节阀应用上，有的调节阀门直径非常细，小于10mm，这样的调节阀调节起来很麻烦，也很难找到直径这么小阀门线性还能保持很好的调节阀。有人就利用占空比的控制原理，用气动阀门控制调节阀。这个利用占空比原理调节的气动阀门就是开关阀。
曾经有朋友做这个行业的工作，他向有关院校咨询调节方法。老教授们可能不知道这样一种新型的控制方法，当时断定开关阀不能做为调节系统的执行机构。后来我了解了动作原理后，认为这种阀门利用了调节占空比的原理，可以达到调节的作用。只要控制阀门的气动执行器可以高频率工作，从原理上说，调节就没有问题。后来经过调试证明，效果良好。
随着时代的发展，自动调节系统所能应用的范围越来越宽，越来越广泛。所能调节的对象越来越丰富，调节的手段也数不胜数。总结一下：
1、被控对象，也叫被调量。
包括压力、温度、水位、流量、浓度、功率、转速、电压、电流、含量、位移、方向、比例等等。电厂常用的是压力、温度、水位、转速、功率。
2、调节器。
最初是单回路，后来发展到串级调节系统。现在一般课本上把串级调节系统也叫做双回路。副调叫做内回路，主调叫做外回路，合称双回路。
我觉得这种叫法不大合适。为什么呢？因为当时只考虑到了两个PID串在一起组成一个调节系统，却没有考虑到两个PID不串在一起，却仍旧是一个调节系统的情况。所以给咱现在的表述造成困难。当时的标准：两个PID不串在一起，那就是两个调节系统。不一定的。比如两个互为备用的系统，控制的是一个被调量。有人说是两套系统，不妥。也有两个串级之间相互切换的，比如两个给水泵互为备用，调节汽包水位。它们都是控制一个被调量，应该算做一个调节系统。
更为复杂的，电厂的都知道协调系统。严格来说，协调包括了两套调节系统：功率回路和汽压回路。可是一般咱们都说协调，基本上都说在一起了。当然，协调系统说成两个系统也未尝不可，毕竟它们各有各的被调量。
如果为了自动投入率的考核的话，那把系统说的越多越好，增加分子了啊，“率”提高了。
4、 执行机构。
执行机构应该包括执行器和阀门两大部分。他的分类很多：
从改变位移或者角度的方面来说，包括执行器，伺服阀，电磁阀等。与之对应的被控设备有阀门，调速汽门，给粉机和下料装置等
从改变电量的方面来说，包括继电器，变频器，固态继电器，双向可控硅，广义还包括电炉丝等。
从控制方式来说，包括：控制开度、转速、可控硅导通角、PMW（占空比）、位移、速度、力矩、通断等等。
从阀门种类来说，包括调节阀，开关阀。
这里需要专门说一说开关阀。有人会问：开关阀怎么实现自动调节功能？
可以实现的。
举最常用的例子来说，有一种虽然称不上阀门但是可以用开关方式调节的的“执行机构”——双向可控硅控制加热装置。也有的把双向可控硅叫双向电子开关。可控硅的导通频率可以相当大，每秒钟可以完成10多次通断的动作，我们把可控硅的每分钟或者每秒钟导通的时间除以分钟或秒，称之为占空比。用PID来调节占空比，同样也可以达到自动调节的目的。现在，用这种方法控制加热丝以调节温度的方法应用相当普遍，效果也非常之好。一般控制精度可以达到±1℃之内。
在真正的调节阀应用上，有的调节阀门直径非常细，小于10mm，这样的调节阀调节起来很麻烦，也很难找到直径这么小阀门线性还能保持很好的调节阀。有人就利用占空比的控制原理，用气动阀门控制调节阀。这个利用占空比原理调节的气动阀门就是开关阀。
曾经有朋友做这个行业的工作，他向有关院校咨询调节方法。老教授们可能不知道这样一种新型的控制方法，当时断定开关阀不能做为调节系统的执行机构。后来我了解了动作原理后，认为这种阀门利用了调节占空比的原理，可以达到调节的作用。只要控制阀门的气动执行器可以高频率工作，从原理上说，调节就没有问题。后来经过调试证明，效果良好。
发表于：2009-09-07 18:12:17
94楼
2-17 再说智能控制
可能是上面模糊控制的表述太简单了，有些人对我的表述有异议。那么咱就进一步说一下：
很简单常用的一个例子：假如一个人头上一根头发都没有，那么，毫无疑问他是一个秃子。如果这个人头上只有一根头发，我们仍旧可以坚决的认为他是秃子。如果有两根呢？三根呢？哪怕有十根也是。我们就这么不断问下去，有100根呢？……有1000根呢？如果你没有不耐烦的话，我相信你的底气开始不够充足了。
那么到底有多少根头发才不算秃子？低于多少根不是秃子？没有人知道。我们的数学很难告诉我们这个问题。
模糊数学建立起来后，这个问题开始被重视了。
假如说我们的头发大约有五十万根吧，那么至少30万根的时候，他还不是秃子。我们可以设定一个界限：30万根不是秃子。他有三十万根头发的时候，是秃子的可能性为0。如果他有299999根头发的时候，是秃子的可能性为1/30万。这时候不管从现实中还是从数学上，他仍旧不是秃子。当这个可能性增加到10%左右的时候，我们会有点模糊的描述：那个人，头发有点稀；当这个可能性增加到20%左右的时候，我们会说他头发微微有点秃；随着可能性的增加，说他秃的人也在增加，模糊的表述也越来越少。当这个可能性增加到90%左右的时候，我们就可以说他秃了，虽然还有头发，不多。
模糊数学就是这样，他把一个系统集合化。制定一个规则，然后判断符合这个规则的相似度。
我们骑自行车，目标值是一条路，而不是一条直线。只要在安全范围，我们的控制就不需要大脑干预调节，而只需要稳定平衡。我们的目标只是一个模糊的范围。
模糊控制要把被调量模糊化，但不需要过细地判断相似度。拿一个水池水位来说，我们可以制定一个规则，把水位分为超高、高、较高、中、较低、低、超低几个区段；再把水位波动的趋势分为甚快、快、较快、慢、停几个区段，并区分趋势的正负；把输出分为超大幅度、大幅度、较大幅度、微小几个区段。当水位处于中值、趋势处于停顿的时候，不调节；当水位处于中值、趋势缓慢变化的时候，也可以暂不调节；当水位处于较高、趋势缓慢变化的时候，输出一个微小调节两就够了；当水位处于中值、趋势较快变化的时候，输出进行叫大幅度调节……
如上所述，我们需要制定一个控制规则表，然后制定参数判断水位区段的界值、波动趋势的界值、输出幅度的界值。
通过上面的描述我们可以看出，模糊控制的优点在于：
1、 如果规则和参数制定合理，那么系统具有小偏差和静差根据情况灵活调节、大偏差快速调节的效果。比单纯的PID调节反应灵活且快速；
2、 执行机构要么不动，要么一下子调节到位。
模糊控制的复杂在于：
1、 规则的制定要占用较大的精力；
2、 参数（界值）过多，整定起来较为复杂。
上面仅仅是一个简单的单回路调节系统。如果让我们来制定减温水调节系统的规则，那么系统规则会变得更复杂，参数也会更多；制定一个三冲量调节系统，系统就更庞大。如果再加上与PID控制的结合，系统就显得臃肿了。
但是，科学和工程研究是无极限的。我上面的叙述仅仅是二十世纪九十年代的控制发展，后来的控制不光综合了PID，还有自学习功能的研究。现在自学习功能的调节器发展很快。今年我参加一个自动化会议的时候，就有公司推广他们的外挂PID参数整定和自学习系统了。
自动调节的发展历程，不光是数学、生物、电子、工程、测量等科学和技术的发展，还是一个仿生技术的发展。尤其是二十世纪下半叶，仿生学日益被重视。人们在研究自动控制的时候，也不断的研究参考仿生原理，取得了不可忽视的成果。前面所说的神经网络控制就是仿生学成就之一。
我们的自动调节取得了巨大成就，可以说，在工程控制领域，几乎“无所不控”。但是我们的自动调节还有很长的路需要走。举个简单的例子：骑自行车就是一个很复杂很高超的自动调节系统。它不仅仅包含了模糊控制和PID控制原理，还包含了自学习、变参数的方法。并且在一些复杂场所，甚至新环境下，还包含了改变控制策略、改变控制方法、自动检查控制策略和参数的功能。
比如我们骑自行车。虽然说目标值是一个模糊的范围，属于模糊控制。可是我们还要做到让自行车不倒，就需要我们时刻调节双手的平衡。目标值的修改用大脑，双手调节平衡属于条件反射，用脊髓神经。
当我们骑车调节平衡的时候，大脑不去干涉。当双手调节平衡出现问题，或者路况突然改变，我们的大脑就要接管条件反射，进行干预调节。在干预调节的同时，我们的条件反射并不完全解除控制，而是大脑一边思考控制策略是否需要修改，一边考虑已经固化到脊髓神经的PID参数是否需要整定，一边还依赖条件反射进行微调。当这个复杂路况反复走过，大脑制定了新的控制策略、熟悉了新的PID参数，并发现新的东西能够适应这个路况后，反复走几次这个路，这个新的控制方式就被固化到脊髓神经，从而也变成了条件反射，再走这条路，基本不用大脑干预了。
从上面对骑自行车的控制的叙述我们可以发现：对于仿生学来说，我们的工程自动调节系统还显得太简单。至少对一个调节系统来说，我们的研究还不能做到自动确认到底多大的参数能够稳定运行。上海一个教授叫张卫东，他曾经发表一篇论文，阐述了对于一个系统采用多大范围的参数可以让系统稳定运行。
以前看一个文章，说我国某研究机构研究多自由度的平衡问题。比如手指上直立一根筷子，移动手指让筷子不倒，这也是一个调节系统。那个研究机构可以做到在二维空间内（即左右方向上）再叠加一个筷子，让筷子不倒。这就是一个更高级的调节系统。前些日子南方一个大学生就跟我探讨过倒立摆的控制问题，估计就是那项研究的简单应用。
通过看电视新闻，我很赞叹日本的自动调节水平。他们的机器人可以直立行走做复杂的动作，我认为这里面同样也反映了日本自动调节的发展。
对于将来的系统调节，除了大家正在研究的问题以外，我还有一个设想：把最简单的成熟的调节系统固化起来，我们只考虑复杂和意外情况下怎样修改策略，怎样整定参数。就好像一个社会，复杂情况下领导只考虑制定策略，越往基层，做的事情越繁杂；正常情况下，领导只做选择题。
我相信：在若干年后的将来，像我们这些专门维护调节系统整定参数的人将会失业，或着干别的事情。因为将来的自动调节已经发展到相当完备，一切电脑都可以帮我们解决了。这一天终将到来，否则机器人的高级智慧只能是空想。终将有一天，我们人脑能够做到的事情，电脑必将也能够做到。
可能是上面模糊控制的表述太简单了，有些人对我的表述有异议。那么咱就进一步说一下：
很简单常用的一个例子：假如一个人头上一根头发都没有，那么，毫无疑问他是一个秃子。如果这个人头上只有一根头发，我们仍旧可以坚决的认为他是秃子。如果有两根呢？三根呢？哪怕有十根也是。我们就这么不断问下去，有100根呢？……有1000根呢？如果你没有不耐烦的话，我相信你的底气开始不够充足了。
那么到底有多少根头发才不算秃子？低于多少根不是秃子？没有人知道。我们的数学很难告诉我们这个问题。
模糊数学建立起来后，这个问题开始被重视了。
假如说我们的头发大约有五十万根吧，那么至少30万根的时候，他还不是秃子。我们可以设定一个界限：30万根不是秃子。他有三十万根头发的时候，是秃子的可能性为0。如果他有299999根头发的时候，是秃子的可能性为1/30万。这时候不管从现实中还是从数学上，他仍旧不是秃子。当这个可能性增加到10%左右的时候，我们会有点模糊的描述：那个人，头发有点稀；当这个可能性增加到20%左右的时候，我们会说他头发微微有点秃；随着可能性的增加，说他秃的人也在增加，模糊的表述也越来越少。当这个可能性增加到90%左右的时候，我们就可以说他秃了，虽然还有头发，不多。
模糊数学就是这样，他把一个系统集合化。制定一个规则，然后判断符合这个规则的相似度。
我们骑自行车，目标值是一条路，而不是一条直线。只要在安全范围，我们的控制就不需要大脑干预调节，而只需要稳定平衡。我们的目标只是一个模糊的范围。
模糊控制要把被调量模糊化，但不需要过细地判断相似度。拿一个水池水位来说，我们可以制定一个规则，把水位分为超高、高、较高、中、较低、低、超低几个区段；再把水位波动的趋势分为甚快、快、较快、慢、停几个区段，并区分趋势的正负；把输出分为超大幅度、大幅度、较大幅度、微小几个区段。当水位处于中值、趋势处于停顿的时候，不调节；当水位处于中值、趋势缓慢变化的时候，也可以暂不调节；当水位处于较高、趋势缓慢变化的时候，输出一个微小调节两就够了；当水位处于中值、趋势较快变化的时候，输出进行叫大幅度调节……
如上所述，我们需要制定一个控制规则表，然后制定参数判断水位区段的界值、波动趋势的界值、输出幅度的界值。
通过上面的描述我们可以看出，模糊控制的优点在于：
1、 如果规则和参数制定合理，那么系统具有小偏差和静差根据情况灵活调节、大偏差快速调节的效果。比单纯的PID调节反应灵活且快速；
2、 执行机构要么不动，要么一下子调节到位。
模糊控制的复杂在于：
1、 规则的制定要占用较大的精力；
2、 参数（界值）过多，整定起来较为复杂。
上面仅仅是一个简单的单回路调节系统。如果让我们来制定减温水调节系统的规则，那么系统规则会变得更复杂，参数也会更多；制定一个三冲量调节系统，系统就更庞大。如果再加上与PID控制的结合，系统就显得臃肿了。
但是，科学和工程研究是无极限的。我上面的叙述仅仅是二十世纪九十年代的控制发展，后来的控制不光综合了PID，还有自学习功能的研究。现在自学习功能的调节器发展很快。今年我参加一个自动化会议的时候，就有公司推广他们的外挂PID参数整定和自学习系统了。
自动调节的发展历程，不光是数学、生物、电子、工程、测量等科学和技术的发展，还是一个仿生技术的发展。尤其是二十世纪下半叶，仿生学日益被重视。人们在研究自动控制的时候，也不断的研究参考仿生原理，取得了不可忽视的成果。前面所说的神经网络控制就是仿生学成就之一。
我们的自动调节取得了巨大成就，可以说，在工程控制领域，几乎“无所不控”。但是我们的自动调节还有很长的路需要走。举个简单的例子：骑自行车就是一个很复杂很高超的自动调节系统。它不仅仅包含了模糊控制和PID控制原理，还包含了自学习、变参数的方法。并且在一些复杂场所，甚至新环境下，还包含了改变控制策略、改变控制方法、自动检查控制策略和参数的功能。
比如我们骑自行车。虽然说目标值是一个模糊的范围，属于模糊控制。可是我们还要做到让自行车不倒，就需要我们时刻调节双手的平衡。目标值的修改用大脑，双手调节平衡属于条件反射，用脊髓神经。
当我们骑车调节平衡的时候，大脑不去干涉。当双手调节平衡出现问题，或者路况突然改变，我们的大脑就要接管条件反射，进行干预调节。在干预调节的同时，我们的条件反射并不完全解除控制，而是大脑一边思考控制策略是否需要修改，一边考虑已经固化到脊髓神经的PID参数是否需要整定，一边还依赖条件反射进行微调。当这个复杂路况反复走过，大脑制定了新的控制策略、熟悉了新的PID参数，并发现新的东西能够适应这个路况后，反复走几次这个路，这个新的控制方式就被固化到脊髓神经，从而也变成了条件反射，再走这条路，基本不用大脑干预了。
从上面对骑自行车的控制的叙述我们可以发现：对于仿生学来说，我们的工程自动调节系统还显得太简单。至少对一个调节系统来说，我们的研究还不能做到自动确认到底多大的参数能够稳定运行。上海一个教授叫张卫东，他曾经发表一篇论文，阐述了对于一个系统采用多大范围的参数可以让系统稳定运行。
以前看一个文章，说我国某研究机构研究多自由度的平衡问题。比如手指上直立一根筷子，移动手指让筷子不倒，这也是一个调节系统。那个研究机构可以做到在二维空间内（即左右方向上）再叠加一个筷子，让筷子不倒。这就是一个更高级的调节系统。前些日子南方一个大学生就跟我探讨过倒立摆的控制问题，估计就是那项研究的简单应用。
通过看电视新闻，我很赞叹日本的自动调节水平。他们的机器人可以直立行走做复杂的动作，我认为这里面同样也反映了日本自动调节的发展。
对于将来的系统调节，除了大家正在研究的问题以外，我还有一个设想：把最简单的成熟的调节系统固化起来，我们只考虑复杂和意外情况下怎样修改策略，怎样整定参数。就好像一个社会，复杂情况下领导只考虑制定策略，越往基层，做的事情越繁杂；正常情况下，领导只做选择题。
我相信：在若干年后的将来，像我们这些专门维护调节系统整定参数的人将会失业，或着干别的事情。因为将来的自动调节已经发展到相当完备，一切电脑都可以帮我们解决了。这一天终将到来，否则机器人的高级智慧只能是空想。终将有一天，我们人脑能够做到的事情，电脑必将也能够做到。
发表于：2009-11-10 17:16:44
100楼
三、 虚假水位
柴火多，烧得旺，水位升高，这是实打实的升高了。还有一种升高是虚假的升高：
假如是蒸汽流量突然增加，进水量还没有来得及改变，出汽量先增加了，进的少出的多，水位应该降低。实际情况不是这样的。
大锅里面的蒸汽减少，锅内压力降低。导致水里面产生的汽泡增多，汽泡哄抬着水位升高了。
矛盾出来了。出气量增加水位不降反升，反升的水位叫做“虚假水位”。
虚假水位不仅仅是指水位虚高，也可以指水位虚低。假设汽机调门突然下关，蒸汽挤在一起压力升高，锅内压力升高，水位降低。可是蒸汽流量降低导致进水不变出汽减少，水位要增加的的。这就是水位虚低。
那有人说了：给水泵增加出力导致给水压力增大，也应该干扰水位的。恩，是这样的。可是能产生虚假水位的前提条件是：干扰来得很快很猛，造成一瞬间汽泡大量增加或减少，产生虚假水位。而给水泵产生的给水压力干扰没有那么快，汽泡变化没有那么猛烈，所以产生不了虚假水位。包括锅炉燃烧，都会导致锅炉压力改变，但是都不能造成虚假水位。
虚假水位让自动调节很为难。本来负荷升高应该增加给水量，可这时候自动调节系统明明看到水位偏高了，水位偏高了就要减少给水量，这样一调节，最终让水位变得更低。
所以，要调节水位，必须要考虑虚假水位。
四、 汽包水位的测量
汽包水位的测量是个很重要很麻烦的问题。一般来说，从概念上讲，调节系统的被调量不要求太精确，只要求趋势准确就可以了。可是对于汽包水位，有许多地方测量误差较大，设定值的设定就要斟酌了。如果误差足够大，对系统的安全性是有很大影响的。安全性降低，自动当然也受到危险。
汽包水位的测量方式有很多种。常见的有电接点水位计、云母水位计电视监测装置、平衡容器差压测量变送器。
1、电接点水位计测量直观可靠。可以远传，如果愿意，可以进入DCS。但是因为该测量方式属于间隔式测量，不能连续不间隔发送水位信号，故只作为一个检测手段，不能作为调节系统的被调量。
电接点测量方式也有测量误差的。因为测量筒伸出汽包之外，温度会比真实的汽包水位有所降低。温度降低，密度增大，故水位会有所偏低。目前，已有内置式电接点水位计，可以弥补这个缺点。
2、云母水位计也是用连通管引到汽包之外，用云母显示实际的汽包水位，然后通过摄像头传到远方。云母水位电视监测装置可以显示连续信号，显示也比较可靠，只是不能转化为电信号，所以也不能作为调节系统的被调量来用。
目前也有一种磁翻板液位计，通过摄像头传递到远方。原理同上。
3、平衡容器差压变送器测量是目前应用广泛的，作为调节系统被调量的测量方式。
我们知道，测量液位内部的的压力，可以反映液位的高度。在一般的开式容器中，容器内的环境压力变化微小，相比于液位高度，环境压力变化基本可以忽略不计。所以，开式容器或者是容器内环境压力基本没有变化的容器，其液位测量基本上使用压力变送器测量。
但是火电厂的汽包水位内，环境压力是经常波动的。如果用单纯的压力变送器的话，不能反映水位的变化。为此人们设计了双室平衡容器。
平衡容器汽包水位测量方式进行了多次改进。在改进的过程中，主要的测量方式有：双室平衡容器、具有压力补偿的平衡容器、单室平衡容器等。目前，应用广泛的是单室平衡容器。测量也较为可靠。
不管哪种平衡容器测量方式，都是把平衡容器中的高度差转换成电信号。下面绘出了单室平衡容器的测量原理图：
图中，平衡容器给测量提供了一个参比压力，它给差压变送器提供了正压侧压力P+。汽包内的水通过管路进入变送器的负压侧，负压侧的压力反映了水位的变化。
当汽包内部环境压力改变的时候，正压侧和负压侧同时感受到了压力的改变，两者相减，得到了纯粹的水位波动量。这个纯粹的波动量就是汽包水位了。
柴火多，烧得旺，水位升高，这是实打实的升高了。还有一种升高是虚假的升高：
假如是蒸汽流量突然增加，进水量还没有来得及改变，出汽量先增加了，进的少出的多，水位应该降低。实际情况不是这样的。
大锅里面的蒸汽减少，锅内压力降低。导致水里面产生的汽泡增多，汽泡哄抬着水位升高了。
矛盾出来了。出气量增加水位不降反升，反升的水位叫做“虚假水位”。
虚假水位不仅仅是指水位虚高，也可以指水位虚低。假设汽机调门突然下关，蒸汽挤在一起压力升高，锅内压力升高，水位降低。可是蒸汽流量降低导致进水不变出汽减少，水位要增加的的。这就是水位虚低。
那有人说了：给水泵增加出力导致给水压力增大，也应该干扰水位的。恩，是这样的。可是能产生虚假水位的前提条件是：干扰来得很快很猛，造成一瞬间汽泡大量增加或减少，产生虚假水位。而给水泵产生的给水压力干扰没有那么快，汽泡变化没有那么猛烈，所以产生不了虚假水位。包括锅炉燃烧，都会导致锅炉压力改变，但是都不能造成虚假水位。
虚假水位让自动调节很为难。本来负荷升高应该增加给水量，可这时候自动调节系统明明看到水位偏高了，水位偏高了就要减少给水量，这样一调节，最终让水位变得更低。
所以，要调节水位，必须要考虑虚假水位。
四、 汽包水位的测量
汽包水位的测量是个很重要很麻烦的问题。一般来说，从概念上讲，调节系统的被调量不要求太精确，只要求趋势准确就可以了。可是对于汽包水位，有许多地方测量误差较大，设定值的设定就要斟酌了。如果误差足够大，对系统的安全性是有很大影响的。安全性降低，自动当然也受到危险。
汽包水位的测量方式有很多种。常见的有电接点水位计、云母水位计电视监测装置、平衡容器差压测量变送器。
1、电接点水位计测量直观可靠。可以远传，如果愿意，可以进入DCS。但是因为该测量方式属于间隔式测量，不能连续不间隔发送水位信号，故只作为一个检测手段，不能作为调节系统的被调量。
电接点测量方式也有测量误差的。因为测量筒伸出汽包之外，温度会比真实的汽包水位有所降低。温度降低，密度增大，故水位会有所偏低。目前，已有内置式电接点水位计，可以弥补这个缺点。
2、云母水位计也是用连通管引到汽包之外，用云母显示实际的汽包水位，然后通过摄像头传到远方。云母水位电视监测装置可以显示连续信号，显示也比较可靠，只是不能转化为电信号，所以也不能作为调节系统的被调量来用。
目前也有一种磁翻板液位计，通过摄像头传递到远方。原理同上。
3、平衡容器差压变送器测量是目前应用广泛的，作为调节系统被调量的测量方式。
我们知道，测量液位内部的的压力，可以反映液位的高度。在一般的开式容器中，容器内的环境压力变化微小，相比于液位高度，环境压力变化基本可以忽略不计。所以，开式容器或者是容器内环境压力基本没有变化的容器，其液位测量基本上使用压力变送器测量。
但是火电厂的汽包水位内，环境压力是经常波动的。如果用单纯的压力变送器的话，不能反映水位的变化。为此人们设计了双室平衡容器。
平衡容器汽包水位测量方式进行了多次改进。在改进的过程中，主要的测量方式有：双室平衡容器、具有压力补偿的平衡容器、单室平衡容器等。目前，应用广泛的是单室平衡容器。测量也较为可靠。
不管哪种平衡容器测量方式，都是把平衡容器中的高度差转换成电信号。下面绘出了单室平衡容器的测量原理图：
图中，平衡容器给测量提供了一个参比压力，它给差压变送器提供了正压侧压力P+。汽包内的水通过管路进入变送器的负压侧，负压侧的压力反映了水位的变化。
当汽包内部环境压力改变的时候，正压侧和负压侧同时感受到了压力的改变，两者相减，得到了纯粹的水位波动量。这个纯粹的波动量就是汽包水位了。
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