自动调节系统解析与PID整定

白志刚，多年从事热工自动化及相关的仪器仪表工作，具有丰富的现场工作经验。于2000年，用独创的方法解决了汽包水位调节系统阀门曲线恶化的问题。他对带有流量反馈信号的调节系统，有一套独特的行之有效的经验和方法；对自动调节系统的参数整定，有深刻的理解和丰富的经验。2009年前后，他开始将自己的经验总结后在网上发表，取得了热烈的反响。在中国工控论坛、北极星电力技术论坛、中国电力联盟等专业论坛上，他的帖子成为本专业最火爆的帖子。在网友的建议下，汇总总结成此书。

引子1

第一章 PID诞生记5

一、中国古代的发明6

二、没有控制理论的世界8

三、负反馈10

四、控制论12

五、PID13

六、再说负反馈16

七、IEEE17

八、自动控制发展里程碑18

九、调节器19

十、再说PID21

第二章 吃透PID23

一、怎样投自动26

二、观察哪些曲线27

三、几个基本概念28

四、P——纯比例作用趋势图的特征分析29

五、I——纯积分作用趋势图的特征分析31

六、D——纯微分作用趋势图的特征分析33

七、比例积分作用的特征曲线分析35

八、比例、积分、微分作用的特征曲线分析37

九、整定参数的几个原则39

十、整定比例带41

十一、整定积分时间43

十二、整定微分作用44

十三、比例、积分、微分综合整定47

十四、自动调节系统的质量指标51

十五、整定系统需要注意的几个问题52

十六、整定参数的几个认识误区57

十七、趋势读定法整定口诀61

十八、先进控制思想62

第三章 火电厂自动调节系统67

一、火电厂自动调节系统的普遍特点68

二、自动调节系统的跟踪70

三、高低加水位自动调节系统72

1.基本控制策略72

2.自平衡能力73

3.随动调节系统74

4.对于系统耦合的解决办法75

5.几个问题77

6.偏差报警与偏差切除79

四、汽包水位调节系统79

1.任务与重要性79

2.锅炉汽包81

3.虚假水位82

4.汽包水位的测量82

5.影响汽包水位测量波动的因素84

6.汽包供需平衡对汽包水位的影响87

7.制定控制策略88

8.捍卫“经典”90

9.正反作用与参数整定91

10.特殊问题的处理方法95

11.变态调节96

五、过热蒸汽温度调节系统102

1.迟延与惯性102

2.过热蒸汽温度调节系统的重要性103

3.压红线104

4.干扰因素105

5.一级减温水调节系统108

6.导前微分自动调节系统110

7.导前微分系统的参数整定111

8.串级调节系统与参数整定的思想误区114

9.串级调节系统的参数整定116

10.修改控制策略，增加抑制干扰能力120

11.变态调节方案126

六、蒸汽压力调节系统129

1.重要性129

2.干扰因素129

3.直接能量平衡130

4.参数整定131

5.调节周期的认识误区133

七、协调系统136

1.重要性136

2.直接能量平衡公式137

3.间接能量平衡公式137

4.机跟炉138

5.机跟炉方式的参数整定139

6.炉跟机141

7.炉跟机方式的参数整定142

8.机炉之间的耦合与解耦143

9.再说PID的参数整定146

八、CFBFGD脱硫方式下的SO2排放浓度控制150

1.工作原理150

2.传统控制策略设计152

3.调节裕度问题153

4.浓度温度协调控制154

九、火电厂自动调节系统投入情况的思考155

1.自动调节系统检查的现状155

2.自动调节系统对电厂的经济性安全性的影响157

3.自动调节系统设备及程序、参数的现状159

4.难题与重点160

5.行业考核的主要参数164

第四章 自动调节系统设备问题165

一、执行机构的种类166

二、执行器误动作怎么办？167

三、阀门线性167

1.直线型168

2.等百分比型169

3.抛物线型170

四、汽包水位三取中还是三平均171

1.三取中的优劣172

2.三取平均的优劣172

3.故障切换172

五、汽包水位变送器测量误差问题的消除173

六、磨煤机前轴承温度异常缺陷分析及消除176

七、执行机构的选用与安装178

1.角行程、直行程的堕走与制动178

2.执行机构的连接1802100433B

《自动调节系统解析与PID整定》采用生动形象的语言，深入讲解了PID参数整定的方法和自动调节系统控制策略的制定。书中带领读者一步一步理解PID参数的含义、曲线特征和整定方法，其中还有作者总结的整定口诀，好记好用，之后，通过火电厂自动调节系统的实例，具体说明了控制策略的制定和参数整定在实践中的应用，最后总结了自动调节系统外围设备的故障处理。 《自动调节系统解析与PID整定》作者在自动调节系统一线工作二十多年，对自动调节系统有深刻的认识，具有非常丰富的现场经验。

《自动调节系统解析与PID整定》采用生动形象的语言，深入浅出地讲解PID参数整定的方法和自动调节系统控制策略的制定，作者多年经验助您成功。适用于化工、矿业、冶金、仪器仪表等自动化技术人员。

PID整定Z - N参数整定法

Ziegler-Nichol响应曲线法 ，是根据被控对象的阶跃响应曲线获取被控对象的模型式(1)，根据模型的增益K，时间常数T以及纯滞后时间，再利用如下的经验公式(2)整定PID控制器参数。

公式（1）：

公式（2）：

一般来说由于Z-N整定的PID控制器超调较大。为此C.C.Hang提出改进的Z-N法[8]，通过给定值加权和修正积分常数改善了系统的超调。这种方法被认为是Z-N法最成功的改进。

Ziegler-Nichols临界振荡法只对开环稳定对象适用。该方法首先对被控对象施加一个比例控制器，并且其增益很小，然后逐渐增大增益使系统出现稳定振荡·则此时临界振荡增益就是比例控制器的数值K,，振荡周期就是系统的振荡周期凡，然后根据公式(3)整定PID控制器参数。

公式（3）：

类似的整定方法有Cohen-Coon响应曲线方法[9]，该方法同Ziegler-Nichols响应曲线法操作相同，只是整定公式不同，其整定公式如式(4)：

公式（4）：

PID整定基于误差性能指标的整定方法

为评价控制性能的优劣，定义了多种积分性能指标，基于误差性能指标的参数整定方法 是以控制系统瞬时误差函数e(θ,t)的泛函积分评价Jn(θ)为最优控制指标，它是评价控制系统性能的一类标准，是系统动态特性的一种综合性能指标，一般以误差函数的积分形式表示。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，然后经过寻优，搜索出一组PID控制器参数Kc，Ti，Td，使Jn(θ)的取值为最小，此时的PID控制器参数为最优。

PID整定内模整定

根据内模控制系统 , 与常规反馈控制系统间存在的对应关系，必要时对模型进行降阶简化处理，便可完成IMC-PID设计

图中Gp(s)为实际被控过程对象，Gm(s)为被控过程的数学模型，即内部模型，Q(s)为内模控制器，它等于Gm(s)的最小相位部分的逆模型。u为内模控制器的输出，r，y，d分别为控制系统的输入、输出和干扰信号。

为抑制模型误差对系统的影响，增强系统的鲁棒性，在控制器中加人一个低通滤波器F(s)，一般F(s)取最简单形式如下：

公式（6）：

式中阶次n取决于模型的阶次以使控制器可实现，r为时间常数。则内模控制等效的控制器为：

公式（7）：

对于如式(1)表示的一阶加纯滞后过程，采用一阶Pade近似，得到如下模型：

公式（8）：

将式(8)的最小相位部分代入式(7)，可得到如下的PID控制器参数：

公式（9）：

PID控制算法(ProportionalIntegral-Differential，比例一积分一微分)作为一种最常规，最经典的控制算法，经过了长期的实践检验。因为这种控制具有简单的结构，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，在实际应用中又较易于整定，所以它在工业过程控制中有着广泛的应用 。有调查表明，在炼油、化工、造纸等过程超过11,000个控制器中，有超过9796的控制器是PID类控制器 ,PID控制器在嵌入式系统中的应用也在增长[6]。