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PID算法详解:发展、原理与火电厂应用
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更新于2024-07-18
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本文档深入探讨了PID(比例-积分-微分)控制器的相关知识,从自动调节系统的历史发展、PID控制原理的详解,到火电厂自动调节系统的具体应用。文章首先回顾了自动调节系统的发展历程,包括中国古代的自动调节实践如指南车,以及控制理论的演变,强调了负反馈在控制系统中的核心地位和控制论的重要性。PID控制方法在此处被详细介绍,它是基于比例、积分和微分三个要素,用于纠正偏差并稳定系统性能。 在"吃透PID"这一章节,作者详细解释了PID各部分的作用,例如P(比例)主要用来快速响应,I(积分)消除稳态误差,D(微分)则预测未来变化。通过趋势图分析,读者可以理解不同参数组合下系统的行为。此外,整定参数的原则、方法和常见误区也进行了阐述,如比例带、积分时间和微分时间的调整技巧,以及如何根据系统质量指标进行优化。 火电厂自动调节系统部分,着重介绍了调节系统的构成、跟踪能力、耦合问题解决、以及汽包水位和过热器温度调节的具体控制策略。汽包水位调节涉及虚假水位的识别、测量精度的影响因素,以及正反作用与参数整定的实践。过热器温度调节则关注迟延效应、干扰因素处理和高级控制技术如导前微分和串级调节的运用。 文档还提到了主汽压力的调节,强调了干扰因素的考虑和控制策略的调整。整体而言,本文不仅提供了一种从入门到精通的PID学习路径,还结合实际应用展示了PID在火电厂自动化控制中的关键作用。通过阅读本文,读者不仅能掌握PID控制的基本原理,还能提高对自动调节系统设计和优化的理解。
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好了,不罗列他上学的内容了。深厚而又广博的学识,为维纳将来的工作奠定了坚实的
基础。同时,因为他对多种学科都有深入的研究,使得它能够触类旁通,并且能把相邻学科
的一些知识方法,应用到另外的学科当中。有些人可能对这一点不太理解。80、90 年代,
国内兴起一种理论,叫做方法论,它就是专门研究不同学科之间的研究方法的应用的。下面
咱们还要说到维纳的广博知识对他的研究起到的作用。
第二次世界大战期间,维纳参与研究美国军方的防空火力自动控制系统的工作。咱们可
以大致说一下这种系统的情况。
假如前面来了一辆敌机,当时要打下来这辆敌机,需要知道敌机的方位、高度、速度这
些个量,然后根据这两个量算出提前量。也就是说,防空炮要把目标指向飞机前面一段距离,
等到打出去的炮弹到达飞机的高度的时候,飞机正好飞到炮弹周围。注意,不是要炮弹贯穿
飞机,那样概率太低,而是让炮弹在这个时候正好爆炸,依靠爆炸的力量把飞机摧毁。这种
情况下,我们不仅仅需要敌机的方位、高度、速度,还要计算出提前量和爆炸时间,并且有
专门一个人管炸弹的引信,设定几秒钟后爆炸。这样一个系统是比较复杂的,维纳在研究过
程中,提出了一个重要概念:负反馈。咱们搞自动控制的都知道,一个控制系统中,负反馈
回路可以使得系统稳定,正反馈使得系统发散。
科学就是科学,她是热情而又冰冷的。就像一个高傲的淑女,在你摸不着门道的时候,
她对你冷酷无情,不管你费多少精力也都白搭;而当你掌握了她的规律脾气的时候,她会向
你敞开怀抱,通过拥有她,从而拥有认识掌握大自然的力量。但是,这个高傲的淑女有时候
也会被权贵们打扮。《控制论》也有过这样的遭遇。欧洲的前社会主义国家,以苏联为首,
曾经挞伐声讨维纳的《控制论》,认为维纳竟然把人和机器相提并论,这是帝国主义用以为
战争服务的工具,这是伪科学!幸而,那段扭曲冷酷的历史已经过去。愿地球上再也没有随
意打扮科学和学术的现象产生。只是这个祝愿似乎有点苍白。只要将来的发展,出现社会性
的狂热,科学恐怕还会被人侮弄。
1-6 PID
我始终认为,在自动调节的发展历程中,PID 的创立是非常重要的一环。PID,就是对
输入偏差进行比例积分微分运算,运算的叠加结果去控制执行机构。关于 PID 的方法,咱
们以后还要多次讲述。PID 的表述是这么的简单,应用范围却是无比的广泛。从洗澡水的控
制到神七上天,从空调控温到导弹制导,从能源化工到家电环保制造加工军事航天等等,如
今从生活到工厂,方方面面都有它的影子,角角落落都可以看到它在发挥作用。
那么,PID 是谁创立的呢?为了寻找这个问题的答案,我花费了不少精力。百家讲坛里
面王广雄教授说是尼克尔斯(Nichols)创立的,可是我找不到更多的佐证。我所能找到的
是齐格勒(Zegler)和尼克尔斯想出了对 PID 参数进行整定的办法。以至于后来一些人干脆
把经典的 PID 控制叫做尼克尔斯 PID。但是从我所能找到的资料来看,这个提法的佐证不
强。后来,经过山东建筑大学魏建平老师的帮助,我找到了 1936 年的美国专利文献《The past
of pid controllers》(变物理量的 pid 控制)(美国专利,专利号 2,175,985,美国存档时间:1936
年 2 月 17 日,大不列颠存档时间:1935 年 2 月 13 日;1939 年 10 月 10 日批准美国专利申
请)。由此基本搞明白了 PID 的创立过程。在此鸣谢魏建平老师。以下关于 PID 创立的资料
基本是在魏老师提供的基础上整合了其它资料形成的。
从前面的叙述可以看到,自动调节的发展历程,与两个情况有关:当时工业控制的要求,
和自动控制理论的研究。而 PID 控制器的发展,与自动化仪表,特别是一些处于世界领先
地位的自动化仪表公司息息相关,同时也与工业实践紧密联合的。
了解自动调节的人,经过分析应该可以看出来:当初瓦特所用的小锤控制转速,实际上
是纯比例调节。调节杠杆的长度就是改变比例带。比例作用比较容易被人理解。后来工业领
域的控制器都只有比例作用。如 1907 年,美国 C.J.Tagliabue 公司在纽约的一家牛奶巴士灭
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菌器生产厂里安装了第一台气动自动温度控制器。采用气动控制,测量单元用的是压差,通
过不锈钢温度计的水银推动舵阀,舵阀控制空气压力作用到主阀上,主阀来调整对象的流
量。该控制器从原理上讲是比例控制。
但是直到这个时候,所谓的比例控制,也没有明晰的提法。在应用过程中,人们发现这
种控制方法有很大局限。最主要的问题是系统被控对象很不容易达到要设定的目标值,我们
现在称 之为存在 静态 偏差。科学 家和工程 师们为此又继 续努力了 。到了 1929 年,
Leeds&Northrup 公司生产出一种他们称为具有“比例步”(Proporational step)控制动作的电
子机械控制器,即 PI 控制器。注意,这个公司把比例控制由自觉变成了有意,并且也注意
到了积分作用。但是这个公司的产品并没有影响到整个控制界,似乎他们的思想也没有给后
来的自动控制带来太大影响。
其他公司还在继续探索。1939 年,Foxboro 仪器公司为了克服静态偏差问题,他们想了
一个方法:手动增强调节系统的比例作用,使得系统调节“恰好”弥补偏差。他们称之为“重
置”(hyper-reset)。后来人们专门设置了自动重置技术(Automatic reset),每一时刻都根据
上一时刻的偏差,自动修改系数,使得偏差不为零的时候,执行机构一直动作下去,很明显,
这就是积分作用了。后来,某些专业的人们至今还把这个积分参数称之为“重置率”。Foxboro
仪器公司的 Stabilog 气动控制器中加入了 hyper-reset 技术。同年,Taylor 仪器公司发布了一
款全新设计的气动控制器:Fulscope,新仪器提供了“预动作”(pre-act)控制作用。这个所
谓的预动作,就是微分作用。后来的相当长的时间内,微分作用都被称作“预动作”。
从上面可以看出,PID 已经诞生了。但是我们常规上不说 PID 的创立者是上述的公司。而是
另有其人。为什么呢?上面所述的功能虽然等同于 PID 的功能,但是与真正意义的 PID 还
是有所不同的,它们只是在实际使用意义上等同于积分微分环节。真正彻底清晰的 PID 理
论其实早几年就提出了,只是提出者在大洋彼岸的英国。1936 年,英国诺夫威治市帝国化
学有限公司(Imperial Chemical Limited in Northwich, England)的考伦德(Albert Callender)
和斯蒂文森(Allan Stevenson)等人给出了一个温度控制系统的 PID 控制器的方法,并于 1939
年获得美国专利。从美国专利局的网站上,可以找到当年获得专利的 PID 计算公式:
这个公式与我们现在使用的 PID 公式已经没有很大区别。式中,θ 代表温度。只是当时
把比例积分微分的增益倍数分开了,可以想象当初这样做的原因:用 K1 来确定积分的强度
(斜率),用 K3 来确定微分的强度。面对这个美妙的、简洁的、普适的思想,我们还是多
花点时间关注一下她的生日吧。她的专利的美国存档时间是 1936 年 2 月 17 日。英国的档时
间:1935 年 2 月 13 日;1939 年 10 月 10 日批准美国专利申请。这说明 PID 的诞生时间应
该在 1935 年初了,只是出生证明开在 1936 年。
PID 问世了。可惜这个过程被忽略了很久。
1-7 再说负反馈
咱们前面说了,维纳在上学期间,精通数学、物理、无线电、生物和哲学。而在电子领
域,乃奎斯特已经提出了负反馈回路可以使得系统稳定这个概念。维纳通过在电子学领域的
知识,在控制领域取得了重大突破。其实瓦特的蒸汽转速控制系统,本身也不知不觉地应用
了负反馈系统:转速反馈到连杆上后,控制汽阀关小,使得转速降低。只是瓦特没有把这个
机构中的原理提炼出来,上升到理论高度。说着容易做着难,这个理论经过了 200 年才被提
出来。
负反馈理论应用非常广泛。维纳本人研究的物理、无线电、生物学,在这些领域都广泛
的应用着负反馈原理,这些学科很可能都给他提出负反馈理论以支持。不光物理、无线电、
生物学使用负反馈,也不光工业控制使用负反馈,大到国家宏观调控,中到商业管理,小到
个人的行为,角角落落,无不出现负反馈的身影。国家每一项宏观调控政策出台后,总要收
集各种数据观察政策发布后的效果,这个收集的信息叫反馈。对收集到的信息如何处理呢?
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