自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)解析與PID整定

白志剛，多年從事熱工自動(dòng)化及相關(guān)的儀器儀表工作，具有豐富的現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)。于2000年，用獨(dú)創(chuàng)的方法解決了汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)閥門(mén)曲線惡化的問(wèn)題。他對(duì)帶有流量反饋信號(hào)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，有一套獨(dú)特的行之有效的經(jīng)驗(yàn)和方法；對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定，有深刻的理解和豐富的經(jīng)驗(yàn)。2009年前后，他開(kāi)始將自己的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)后在網(wǎng)上發(fā)表，取得了熱烈的反響。在中國(guó)工控論壇、北極星電力技術(shù)論壇、中國(guó)電力聯(lián)盟等專(zhuān)業(yè)論壇上，他的帖子成為本專(zhuān)業(yè)最火爆的帖子。在網(wǎng)友的建議下，匯總總結(jié)成此書(shū)。

引子1

第一章 PID誕生記5

一、中國(guó)古代的發(fā)明6

二、沒(méi)有控制理論的世界8

三、負(fù)反饋10

四、控制論12

五、PID13

六、再說(shuō)負(fù)反饋16

七、IEEE17

八、自動(dòng)控制發(fā)展里程碑18

九、調(diào)節(jié)器19

十、再說(shuō)PID21

第二章 吃透PID23

一、怎樣投自動(dòng)26

二、觀察哪些曲線27

三、幾個(gè)基本概念28

四、P——純比例作用趨勢(shì)圖的特征分析29

五、I——純積分作用趨勢(shì)圖的特征分析31

六、D——純微分作用趨勢(shì)圖的特征分析33

七、比例積分作用的特征曲線分析35

八、比例、積分、微分作用的特征曲線分析37

九、整定參數(shù)的幾個(gè)原則39

十、整定比例帶41

十一、整定積分時(shí)間43

十二、整定微分作用44

十三、比例、積分、微分綜合整定47

十四、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)51

十五、整定系統(tǒng)需要注意的幾個(gè)問(wèn)題52

十六、整定參數(shù)的幾個(gè)認(rèn)識(shí)誤區(qū)57

十七、趨勢(shì)讀定法整定口訣61

十八、先進(jìn)控制思想62

第三章 火電廠自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)67

一、火電廠自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的普遍特點(diǎn)68

二、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的跟蹤70

三、高低加水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)72

1.基本控制策略72

2.自平衡能力73

3.隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)74

4.對(duì)于系統(tǒng)耦合的解決辦法75

5.幾個(gè)問(wèn)題77

6.偏差報(bào)警與偏差切除79

四、汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)79

1.任務(wù)與重要性79

2.鍋爐汽包81

3.虛假水位82

4.汽包水位的測(cè)量82

5.影響汽包水位測(cè)量波動(dòng)的因素84

6.汽包供需平衡對(duì)汽包水位的影響87

7.制定控制策略88

8.捍衛(wèi)“經(jīng)典”90

9.正反作用與參數(shù)整定91

10.特殊問(wèn)題的處理方法95

11.變態(tài)調(diào)節(jié)96

五、過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)102

1.遲延與慣性102

2.過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要性103

3.壓紅線104

4.干擾因素105

5.一級(jí)減溫水調(diào)節(jié)系統(tǒng)108

6.導(dǎo)前微分自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)110

7.導(dǎo)前微分系統(tǒng)的參數(shù)整定111

8.串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)與參數(shù)整定的思想誤區(qū)114

9.串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定116

10.修改控制策略，增加抑制干擾能力120

11.變態(tài)調(diào)節(jié)方案126

六、蒸汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)129

1.重要性129

2.干擾因素129

3.直接能量平衡130

4.參數(shù)整定131

5.調(diào)節(jié)周期的認(rèn)識(shí)誤區(qū)133

七、協(xié)調(diào)系統(tǒng)136

1.重要性136

2.直接能量平衡公式137

3.間接能量平衡公式137

4.機(jī)跟爐138

5.機(jī)跟爐方式的參數(shù)整定139

6.爐跟機(jī)141

7.爐跟機(jī)方式的參數(shù)整定142

8.機(jī)爐之間的耦合與解耦143

9.再說(shuō)PID的參數(shù)整定146

八、CFBFGD脫硫方式下的SO2排放濃度控制150

1.工作原理150

2.傳統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)152

3.調(diào)節(jié)裕度問(wèn)題153

4.濃度溫度協(xié)調(diào)控制154

九、火電廠自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入情況的思考155

1.自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)檢查的現(xiàn)狀155

2.自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)電廠的經(jīng)濟(jì)性安全性的影響157

3.自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備及程序、參數(shù)的現(xiàn)狀159

4.難題與重點(diǎn)160

5.行業(yè)考核的主要參數(shù)164

第四章 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備問(wèn)題165

一、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的種類(lèi)166

二、執(zhí)行器誤動(dòng)作怎么辦？167

三、閥門(mén)線性167

1.直線型168

2.等百分比型169

3.拋物線型170

四、汽包水位三取中還是三平均171

1.三取中的優(yōu)劣172

2.三取平均的優(yōu)劣172

3.故障切換172

五、汽包水位變送器測(cè)量誤差問(wèn)題的消除173

六、磨煤機(jī)前軸承溫度異常缺陷分析及消除176

七、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選用與安裝178

1.角行程、直行程的墮走與制動(dòng)178

2.執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接1802100433B

《自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)解析與PID整定》采用生動(dòng)形象的語(yǔ)言，深入講解了PID參數(shù)整定的方法和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制策略的制定。書(shū)中帶領(lǐng)讀者一步一步理解PID參數(shù)的含義、曲線特征和整定方法，其中還有作者總結(jié)的整定口訣，好記好用，之后，通過(guò)火電廠自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)例，具體說(shuō)明了控制策略的制定和參數(shù)整定在實(shí)踐中的應(yīng)用，最后總結(jié)了自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)外圍設(shè)備的故障處理。 《自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)解析與PID整定》作者在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一線工作二十多年，對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)有深刻的認(rèn)識(shí)，具有非常豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。

《自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)解析與PID整定》采用生動(dòng)形象的語(yǔ)言，深入淺出地講解PID參數(shù)整定的方法和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制策略的制定，作者多年經(jīng)驗(yàn)助您成功。適用于化工、礦業(yè)、冶金、儀器儀表等自動(dòng)化技術(shù)人員。

PID整定Z - N參數(shù)整定法

Ziegler-Nichol響應(yīng)曲線法 ，是根據(jù)被控對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線獲取被控對(duì)象的模型式(1)，根據(jù)模型的增益K，時(shí)間常數(shù)T以及純滯后時(shí)間，再利用如下的經(jīng)驗(yàn)公式(2)整定PID控制器參數(shù)。

公式（1）：

公式（2）：

一般來(lái)說(shuō)由于Z-N整定的PID控制器超調(diào)較大。為此C.C.Hang提出改進(jìn)的Z-N法[8]，通過(guò)給定值加權(quán)和修正積分常數(shù)改善了系統(tǒng)的超調(diào)。這種方法被認(rèn)為是Z-N法最成功的改進(jìn)。

Ziegler-Nichols臨界振蕩法只對(duì)開(kāi)環(huán)穩(wěn)定對(duì)象適用。該方法首先對(duì)被控對(duì)象施加一個(gè)比例控制器，并且其增益很小，然后逐漸增大增益使系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定振蕩·則此時(shí)臨界振蕩增益就是比例控制器的數(shù)值K,，振蕩周期就是系統(tǒng)的振蕩周期凡，然后根據(jù)公式(3)整定PID控制器參數(shù)。

公式（3）：

類(lèi)似的整定方法有Cohen-Coon響應(yīng)曲線方法[9]，該方法同Ziegler-Nichols響應(yīng)曲線法操作相同，只是整定公式不同，其整定公式如式(4)：

公式（4）：

PID整定基于誤差性能指標(biāo)的整定方法

為評(píng)價(jià)控制性能的優(yōu)劣，定義了多種積分性能指標(biāo)，基于誤差性能指標(biāo)的參數(shù)整定方法 是以控制系統(tǒng)瞬時(shí)誤差函數(shù)e(θ,t)的泛函積分評(píng)價(jià)Jn(θ)為最優(yōu)控制指標(biāo)，它是評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)性能的一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的一種綜合性能指標(biāo)，一般以誤差函數(shù)的積分形式表示。其中Jn(θ)的基本形式如式(5)：

公式（5）：

n=0,m=0IAE

n=0,m=2ISE

n=1,m=2ISTE

Jn(θ)可以是ISE,1AE,1STE,1TAE等，然后經(jīng)過(guò)尋優(yōu)，搜索出一組PID控制器參數(shù)Kc，Ti，Td，使Jn(θ)的取值為最小，此時(shí)的PID控制器參數(shù)為最優(yōu)。

PID整定內(nèi)模整定

根據(jù)內(nèi)?？刂葡到y(tǒng) , 與常規(guī)反饋控制系統(tǒng)間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，必要時(shí)對(duì)模型進(jìn)行降階簡(jiǎn)化處理，便可完成IMC-PID設(shè)計(jì)

圖中Gp(s)為實(shí)際被控過(guò)程對(duì)象，Gm(s)為被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，即內(nèi)部模型，Q(s)為內(nèi)?？刂破鳎扔贕m(s)的最小相位部分的逆模型。u為內(nèi)模控制器的輸出，r，y，d分別為控制系統(tǒng)的輸入、輸出和干擾信號(hào)。

為抑制模型誤差對(duì)系統(tǒng)的影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，在控制器中加人一個(gè)低通濾波器F(s)，一般F(s)取最簡(jiǎn)單形式如下：

公式（6）：

式中階次n取決于模型的階次以使控制器可實(shí)現(xiàn)，r為時(shí)間常數(shù)。則內(nèi)模控制等效的控制器為：

公式（7）：

對(duì)于如式(1)表示的一階加純滯后過(guò)程，采用一階Pade近似，得到如下模型：

公式（8）：

將式(8)的最小相位部分代入式(7)，可得到如下的PID控制器參數(shù)：

公式（9）：

PID控制算法(ProportionalIntegral-Differential，比例一積分一微分)作為一種最常規(guī)，最經(jīng)典的控制算法，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的實(shí)踐檢驗(yàn)。因?yàn)檫@種控制具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，對(duì)模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中又較易于整定，所以它在工業(yè)過(guò)程控制中有著廣泛的應(yīng)用 。有調(diào)查表明，在煉油、化工、造紙等過(guò)程超過(guò)11,000個(gè)控制器中，有超過(guò)9796的控制器是PID類(lèi)控制器 ,PID控制器在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用也在增長(zhǎng)[6]。