由入门到精通-吃透PID

由入门到精通－吃透PID２．０版(原创连载)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！目录第一章自动调节系统的发展历程1-1中国古代的自动调节系统1-2指南车的可行性分析1-3没有控制理论的世界1-4负反馈1-5控制论1-6PID1-7再说负反馈1-8IEEE1-9著作里程碑1-10调节器1-11再说PID1-12怎样投自动1-13观察哪些曲线第二章吃透PID2-1几个基本概念2-2P——纯比例作用趋势图的特征分析2-3I——纯积分作用趋势图的特征分析2-4D——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趋势读定法整定口诀2-16其它先进控制方法简介2-17先进控制思想2-18再说智能控制2-19自动调节漫谈2-20电脑作诗机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、汽包水位的测量五、影响汽包水位测量波动的因素六、汽包供需平衡对汽包水位的影响七、制定控制策略八、捍卫“经典“九、正反作用与参数整定十、特殊问题的处理方法十一、变态调节十二、三取中还是三平均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、串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、AGC3-8磨煤机优化燃烧绪言杨过出了一会神，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。自动调节系统说复杂其实也很简单。其实每个人从生下来以后，就逐渐地从感性上掌握了自动调节系统。比方说桌子上放个物体，样子像块金属，巴掌大小。你心里会觉得这个物体比较重，就用较大力量去拿，可是这个东西其实是海绵做的，外观被加工成了金属的样子。手一下子“拿空了”，打住了鼻子。这是怎么回事？比例作用太强了。导致你的大脑发出指令，让你的手输出较大的力矩，导致“过调”。还是那个桌子，还放着一块相同样子的东西，这一次你会用较小的力量去拿。可是东西纹丝不动。怎么回事？原来这个东西确确实实是钢铁做的。刚才你调整小了比例作用，导致比例作用过弱。导致你的大脑发出指令，命令你的手输出较小的力矩，导致“欠调”。还是那个桌子，第三块东西样子跟前两块相同，这一次你一定会小心点了，开始力量比较小，感觉物体比较沉重了，再逐渐增加力量，最终顺利拿起这个东西。为什么顺利了呢？因为这时候你不仅使用了比例作用，还使用了积分作用，根据你使用的力量和物体重量之间的偏差，逐渐增加手的输出力量，直到拿起物品以后，你增加力量的趋势才得以停止。这三个物品被拿起来的过程，就是一个很好的整定自动调节系统参数的过程。前面咱们说的杨过拿剑也是一个道理。当他去拿第二柄剑的时候，心里已经预设了比例带，可惜比例带有点大了，用的力量不够，所以没有拿起来。他第二次拿重剑，增强了比例作用，很容易就拿起来重剑。可是当他拿第三柄剑的时候，没有根据被调节对象的情况进行修改，比例作用还是很大，可是被调量已经很轻了，所以“力道”用过头了。其实上面所说的例子不能算是一个连续的自动调节系统。骑自行车可以说是一个高级复杂的自动调节。什么？你也会骑？恭喜你，你连模糊控制都会了！书归正传。很久以前，我觉得自动控制很难。老师给我找到了整定口诀，我还是迷迷瞪瞪的，不知道怎么应用。不久后来，我觉得自动控制很简单。说白了也就那么回事，夸张点说，中学生都可以掌握。相信你们都见过那个PID整定口诀。不嫌麻烦，兹抄录如下：参数整定找最佳，从小到大顺序查。先是比例后积分，最后再把微分加。曲线振荡很频繁，比例度盘要放大。曲线漂浮绕大弯，比例度盘往小扳。曲线偏离回复慢，积分时间往下降。曲线波动周期长，积分时间再加长。曲线振荡频率快，先把微分降下来。动差大来波动慢，微分时间应加长。理想曲线两个波，前高后低四比一。一看二调多分析，调节质量不会低。这个口诀对不对？我可以负责任的告诉你：对，现在审视一下，没有一点错误。可是，对于当初一个初学者的我，还是不能判断怎么算绕大弯，怎么叫做快怎么叫做慢。也许是那时候我很傻？可能。不过我估计对于诸位读者，到底怎么算快怎么算慢，也不见得几个人能说彻底。好了，这个帖子里，最终我将要给你们个彻底的解答。解答之前，都先别急，我一点点给你们把事情的经过说出来。遵循讲故事的一般规律，话说历史.......第一章自动调节系统的发展历程自文艺复兴以来，科学家们被无数的科学成就鼓舞着，突破一个又一个难题，最终，充分揭示了能量、质量、效率、运动之间的关系，并把们准确概括为一个个美妙的公式。宇宙的神秘面纱通过这些公式，被慢慢的揭开了。有一门学科很神奇。“他完全不去考虑能量，质量和效率等因素”（钱学森《工程控制论》），在别的学科中，这些因素是必须被研究的。并且，虽然他不用考虑这些因素，却完成了对这些因素的控制调节功能。如果说这个世界是艘船，那这门学科就是船舵，如果说这个世界是一辆车，那么这门学科就是车把。目前所有在从事这项工作和研究的人，却不都知道自己有这么大的权力和力量。本文的前一部分，就是要告诉你：你所从事的行业是多美伟大神奇。自豪吧，自动调节的工程师们。是的，这门学科就是自动调节，更多的人说是自动控制。为什么咱们说“调节”而不说“控制”，咱们慢慢感悟。自动调节，又称自动控制，如今已经涵盖了社会生活的方方面面。在工程控制领域，理所应当的属于应用最普遍的范畴，但是在生物、电子、机械、军事等各个领域。甚至连政治经济领域，似乎也隐隐存在着自动控制的原理。可是考察自动控制的发展历程，从公认的有着明确的控制系统产生的十九世纪以来，其历史也就短短的一百多年。而自动控制理论诞生的明确的成熟的标志——《控制论》，其产生时间在1948年，至今也不过60余年的历史。60年来，尤其在工程控制领域，自动控制得到了极其普遍的应用，取得了辉煌的效果。毫不夸张地说：如果没有自动控制，我们的社会就不可能发展到现在这个地步。1-1中国古代的自动调节系统学术界曾经对中国古代的自动调节机构进行了发掘，认为中国古代也存在着一些符合自动调节规律的机构。因而我们可以自豪的宣称：中国古代有“自动装置”（自动控制专家万百五《我国古代自动装置的原理分析及其成就的探讨》，1965年自动化学报）。1991年万百五他又补充新材料为《中国大百科全书：自动控制与系统工程卷》写成新条目“我国古代自动装置”。文中例举：指南车是采用扰动补偿原理的方向开环自动调整系统；铜壶滴漏计时装置是采用非线性限制器的多级阻容滤波；浮子式阀门是用于铜壶滴漏计时装置中保持水位恒定的闭环自动调节系统，又用于饮酒速度自动调节器；记里鼓车是备有路程自动测量装置的车；漏水转浑天仪是天文表现仪器，采用仿真原理的水运浑象；候风地动仪是观测地震用的自动检测仪器；水运仪象台采用仿真原理演示或观测天象的水力天文装置，内有枢轮转速恒定系统采用内部负反馈并进行自振荡的系统。首先说，我们承认中国古代存在着自动调节系统的应用现象。并对万百五老师致以敬意。可是如果按照这样朝自动理论上靠的话，那么我们甚至可以说张衡的地动仪也应用到了自动调节——小球的力学传动有比例作用的影子；弩发射机构也是比例作用中比例带很小的机构；中医的望闻问切是对反馈的重视等等。所有这些都只是对于自动调节原理的某一个侧重点的应用，它是不完整的，不能算的上是自动调节机构的。我们公认的自动调节机构的诞生，应该是瓦特的蒸汽机转速调节机构（见下图）。其中包含了自动调节的几个必要条件：1)输出执行机构有效控制被调量；2)被调量参与调节；3)调节参数可以修改（修改小球的重量或者摆干的长度）。而我们目前所看到的中国古代自动调节例子都不能全部符合上述特征。有的情况只是跟自动调节系统中某一个特点有些类似。严格的说，他们不能算得上自动调节机构同样的道理，我们考察欧洲的自动发展历程，也不能把水钟等物品纳入严格的自动调节系统的范畴。1-2指南车的可行性分析指南车据说黄帝时候就有了。崔豹《古今注》卷上：“作司南车以示四方……”后来，有历史记载的张衡、马均、祖冲之等人都造出了指南车。黄帝时期的指南车是什么样子的，没有留下记载。后来所造的指南车都声称“追修古法”（《南齐书·祖沖之传》），可是是否跟黄帝时候的司南车原理一致，没有详细的记载不好下结论。历代所造的指南车也都没有留下图纸。我们现在所说的指南车原理，都是自己想当然的设计。万百五老师说指南车是采用扰动补偿原理的方向开环自动调整系统，网络上不知名作者说“指南车使用了差动齿轮装置”都是根据记载想象出来的。没有切实的依据的。虽然如此，现代人不管根据什么原理，所复原的指南车，都有以下特征：1）蓄力拖动；2）车轮转动，车轮将转动的角度传给指南机构；3）齿轮传动；4）机械制造。那么，所有这种原理的指南车存在如下问题：1）指南车在行进过程中，不可避免的存在地面摩擦与轮轴传动摩擦的矛盾。如果轮轴等一系列传动摩擦大于车轮与地面摩擦的时候，就可能发生车轮停止转动的情况。如果某一段地面较为光滑，就会发生指南车方向错误。黄帝时期，即使算是青铜时代，克服传动摩擦的水平也不会很高，所以在黄帝时期，这种原理的指南车不会太可靠。何况中国传统上讲，轮毂轴承一般都采用木制，摩擦力很大。方向误差会更大。而汉朝张衡以后，金属制造工艺发展，这种原理的指南车会较为可靠。2)马车带动指南车在野外快速行走的时候，会产生较大颠簸，一旦车轮一侧腾空，车轮旋转虽有惯性，但是还会使得该侧车轮变慢甚至停转。不管变慢还是停转，都会使得指向误差产生。3)当时行军打仗，人力已经无法辨别方向，即使有大雾产生也说明行军线路况较为复杂。而上述两个问题的发生几率不可忽视，而且会产生累加。作为行军的指向工具，行驶了数百公里后，最终指南车将变得不可靠，不能作为指向工具。千军万马的生命，甚至国家的命运，都寄托在这样一个不可靠的指向工