PID控制详解：从入门到精通，解析火电厂自动调节系统

下载需积分: 9 | PDF格式 | 3.84MB | 更新于2024-07-27 | 137 浏览量 | 举报

"《由入门到精通－吃透PID》是一本电子书，旨在帮助读者深入了解和掌握PID（比例积分微分）控制器的工作原理及其应用。该书由焦作华润白志刚原创连载，内容详尽地阐述了自动调节系统的发展历程，从古代的自动调节装置如指南车，到现代控制理论的兴起，如负反馈、控制论的诞生和IEEE标准的制定。书中重点讲解了PID算法的基本概念，包括P、I、D三个部分各自的作用特点以及它们组合起来的趋势。章节2详细介绍了PID控制的不同参数整定技巧，如比例带、积分时间和微分时间的选择，以及如何根据系统特性确定合适的参数设置，确保系统的稳定性。此外，还讨论了自动调节系统的质量指标，比如超调量、振荡次数等，并指出了整定过程中可能遇到的误区。第3章则深入到实际工业应用，如火电厂的自动调节系统，涉及高低加水位和汽包水位、过热器温度以及主汽压力的调节。作者分析了这些系统的特点、控制策略、参数整定方法，以及如何应对干扰和特殊问题。例如，通过探讨汽包水位的虚假信号、滞后效应和干扰因素，强调了正确选择正反作用和参数调整的重要性。《由入门到精通－吃透PID》不仅提供了一个从基础到实践的知识体系，而且通过实例和案例，使读者能够理解和掌握PID控制器在工程中的实际操作技巧，对于初学者和从事自动化控制工作的工程师来说，这是一本非常实用的学习资料。"

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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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