PID算法详解.pdf
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1、由由入门到精通入门到精通吃透吃透 PID版版(原创连载原创连载) 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 1-6 PID 1-7 再说负反馈 1-8 IEEE 1-9 著作里程碑 1-10 调节器 1-11 再说 PID 1-12 怎样投自动 1-13 观察哪些曲线 第二章 吃透 PID 2
2、-1 几个基本概念 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 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
3、 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、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
4、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、AGC 3-8 磨煤机优化燃烧 绪言绪言 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
5、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
6、 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
7、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
8、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
9、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
10、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. 第一章第一章 自动调节系统的发展历程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
11、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
12、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中国古代的自动调节系统统 学术界曾
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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具上面,有点近于儿戏的感觉。 综上所述,除非我们更换更可靠的思路,否则这种靠车轮带动、机械传动的指向工具在 行军打仗中,基本不可信。所以,我更倾向于至少黄帝时期的指南车不靠机械传动的思路。 根据当时发展状况,有可能是车上装载磁铁指向。虽然说黄帝时期还没有被明确认为发明了 指南针,但是偶然的发现被应
19、用于实践的可能性是存在的。而汉朝以后有了金属零件的的指 南车,只是作为新奇的构想,或者皇帝仪仗的显摆工具,采用机械传动倒较为可信。 1-3 没有控制理论的世界没有控制理论的世界 虽然说人甚至连动物都是从生下来就在掌握自动调节系统 , 并且在儿童时期就 是一个自动调节系统的高手,可以应付很复杂的自动调节系统了,那么我们国家 5000 年的 文明,就没有发展出一条自动调节理论么?很遗憾地告诉您,没有。这个问题在本章的附文 中,咱们会专门探讨。 自动调节系统的理论,是针对工业过程的控制理论。以前我们国家没有一个完整的工业 结构,所以几乎不可能发展出一条自动调节理论的。即使是工业化很早了的欧美,真正完
20、整 的自动控制理论的确立,也是很晚时期的事情了。 咱先把理论的事情放到一边,先说说是谁先弄出一套真正的自动调节系统产品的吧。 大家都知道蒸汽机是瓦特发明的。可是实际上在此之前还有人在钻研蒸汽推动技术。不嫌累 赘的话,咱罗列一下研究蒸汽推动的历史。没有兴趣的可以隔过不看。1606 年,意大利人 波尔塔(公元 15381615 年)在他撰写的灵学三问中,论述了如何利用蒸汽产生压力, 使水槽中的液位升高。还阐述了如何利用水蒸汽的凝结产生吸力,使液位下降。在此之后, 1615 年,法国斯科,1629 年,意大利布兰卡,1654 年,德国发明家盖里克,1680 年,荷兰 物理学家惠更斯,法国物理学家帕潘
21、,随后的英国军事工程师托玛斯沙弗瑞都先后进行了 研究。这些研究仅仅是初步探索阶段,还用不到自动调节。年英国人托玛斯纽考 门(公元年)发明了可以连续工作的实用蒸汽机。可是为什么我们都说 蒸汽机是瓦特发明的,不说是纽考门发明的呢?因为他的蒸汽机没有转速控制系统,转速不 能控制的话,后果可想而知。纽考门的蒸汽机因为无法控制,最终不能应用。瓦特因为有了 转速控制系统,蒸汽机转速可以稳定安全的被控制在合理范围内,瓦特的名字就被写到了教 科书上。那么瓦特是怎么实现转速控制的呢? 上图就是瓦特的转速控制的模型。蒸汽机的输出轴通过几个传动部分,最终连接着两个 小球,连接小球的棍子的另一端固定。蒸汽机转动的时候
22、,传动部分带动两个小球旋转,小 球因为离心力的原因张开,小球连杆带动装置控制放汽阀。如果转速过快,小球张开就大, 放汽阀就开大,进汽减少,转速就降低。 可以看出,这是个正作用调节系统。虽然没有任何电子元器件,可是它确确实实就是一 个自动调节系统。虽然咱没有资料表明它如何调节参数,可是咱可以想象影响调节参数的因 素:小球的位置。小球越靠近连杆根部,抑制离心力的力量就越小,比例作用越大。 瓦特发明了蒸汽机,瓦特又发明了转速控制系统?我总是怀疑,这不应该是一个人的功劳。 一个人的能力再大,也不可能搞了这个又搞那个。很可能是一批人共同的成果,或者说,瓦 特发明了主要的蒸汽机,其它的东西都寄到瓦特的名下
23、了。不过史书里没有说,咱就权且都 当成瓦特一个人的发明吧。 从瓦特之后,工业革命的大门就打开了。我们记住了瓦特,一部分原因就是:他有了可 靠的自动调节系统。否则,他的蒸汽机就没有办法控制,要么转速过低,要么转所过高造成 危险事故。而瓦特之前的那些人的努力,一部分原因是因为他们没有自动调节系统,我们要 找到他们,大约要到大型图书馆某个积满灰尘的角落里了。 瓦特之后的一段时间内,工业革命虽然发展迅速,自动调节系统也有了一个方法,可是 他们没有一个清晰的理论作指导,自动控制始终不能上一个台阶。我们搞自动的都知道,工 业控制的对象千差万别 , 我们不能够都用瓦特的小球进行控制吧?这个理论指导直到二十
24、世 纪四十年代才诞生科学的发展有时候也真够艰难的。 直到 1868 年,英国物理学家马克斯威尔(J.C.Maxwell)研究了小球控制系统,用微分 方程作为工具,讨论了系统可能产生的不稳定现象。在他的论文“论调节器”中,指出稳定 性取决于特征方程的根是否具有负的实部。并给出了系统的稳定性条件。Maxwell 的工作开 创了控制理论研究的先河。这是公认的第一篇研究自动控制的论文。 (资料出自自动控制 理论的早期发展历史 。作者王庆林,中国科学院自动化研究所) 马克斯威尔先生深刻认识到工业控制对控制理论的需要 。 因而他不仅自己对控制系统进行研 究,而且鼓励引导科学家们去更多关注自动理论的研究工作
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