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过程自动化控制的发展和理论详解(篇2)

更新时间:2021-03-31 14:58

简要描述:

自动控制的科普综述文章少之又少,这一篇是难得好文章,语言精致,生动有趣,把自动控制的发展过程及精髓用非常通俗的语言描述了出来,其中不乏精彩的比喻,对于自动控制人员来说实在...

详细介绍

原文标题:过程自动化控制的发展和理论详解(篇2)



 

过程自动化控制的发展和理论详解(篇2)




【按语】自动控制的科普综述文章少之又少,这一篇是难得好文章,语言精致,生动有趣,把自动控制的发展过程及精髓用非常通俗的语言描述了出来,其中不乏精彩的比喻,对于自动控制人员来说实在是不可多得的宝贵资料。

 
  文章虽然长一些,但非常值得静下心来好好读一读。由于原文有35000字,数十页之长,所以本站编辑根据文章内容,将之分解为“过程控制理论”,“现代控制理论”、“系统辨识”、“工程控制算法”四篇,供读者阅读学习。本文是第一篇:过程控制理论。

【本文主要内容】

  3、PID:比例-积分-微分控制规律;
 
  4、PID参数整定;
 
  本文字数:6329字,阅读大概需要5分钟;
 
  本文地址:http://nyujt.com/jszl/68.html

【作者旁白】

小时候喜欢看杂书,没什么东西看,不正在那十年嘛?不过看进去了两个“化”:机械化和自动化。打小就没有弄明白,这机械化和自动化到底有什么差别,机器不是自己就会动的吗?长大了,总算稍微明白了一点,这机械化是力气活,用机器代替人的体力劳动,但还是要人管着的,不然机器是不知道该干什么不该干什么的;这自动化嘛,就是代替人的重复脑力劳动,是用来管机器的。也就是说,自动化是管着机械化的,或者说学自动化的是管着学机械的……
 
  啊,不对,不对,哪是哪啊!

  【PID:比例-积分-微分控制规律】

 
  家用空调机中,连续可调的不占多数,但冲热水淋浴是一个典型的连续控制问题,因为水龙头可以连续调节水的流量。冲淋浴时,假定冷水龙头不变,只调节热水。那温度高了,热水关小一点;温度低了,热水开打一点。换句话说,控制作用应该向减少控制偏差的方向变化,也就是所谓负负反馈。控制方向对了,还有一个控制量的问题。温度高了1度,热水该关小多少呢?
 
  经验告诉我们,根据具体的龙头和水压,温度高1度,热水需要关小一定的量,比如说,关小一格。换句话说,控制量和控制偏差成比例关系,这就是经典的比例控制规律:控制量=比例控制增益*控制偏差,偏差越大,控制量越大。控制偏差就是实际测量值和设定值或目标值之差。在比例控制规律下,偏差反向,控制量也反向。也就是说,如果淋浴水温要求为40度,实际水温高于40度时,热水龙头向关闭的方向变化;实际水温低于40度时,热水龙头向开启的方向变化。
 
  但是比例控制规律并不能保证水温能够精确达到40度。在实际生活中,人们这时对热水龙头作微调,只要水温还不合适,就一点一点地调节,直到水温合适为止。这种只要控制偏差不消失就渐进微调的控制规律,在控制里叫积分控制规律,因为控制量和控制偏差在时间上的累积成正比,其比例因子就称为积分控制增益。工业上常用积分控制增益的倒数,称其为积分时间常数,其物理意义是偏差恒定时,控制量加倍所需的时间。这里要注意的是,控制偏差有正有负,全看实际测量值是大于还是小于设定值,所以只要控制系统是稳定的,也就是实际测量值最终会稳定在设定值上,控制偏差的累积不会是无穷大的。这里再啰嗦一遍,积分控制的基本作用是消除控制偏差的余差(也叫残差)。
 
  比例和积分控制规律可以应付很大一类控制问题,但不是没有改进余地的。如果水管水温快速变化,人们会根据水温的变化调节热水龙头:水温升高,热水龙头向关闭方向变化,升温越快,开启越多;水温降低,热水龙头向开启方向变化,降温越快,关闭越多。这就是所谓的微分控制规律,因为控制量和实际测量值的变化率成正比,其比例因子就称为比例控制增益,工业上也称微分时间常数。微分时间常数没有太特定的物理意义,只是积分叫时间常数,微分也跟着叫了。微分控制的重点不在实际测量值的具体数值,而在其变化方向和变化速度。微分控制在理论上和实用中有很多优越性,但局限也是明显的。如果测量信号不是很“干净”,时不时有那么一点不大不小的“毛刺”或扰动,微分控制就会被这些风吹草动搞得方寸大乱,产生很多不必要甚至错误的控制信号。所以工业上对微分控制的使用是很谨慎的。
 
  比例-积分-微分控制规律是工业上最常用的控制规律。人们一般根据比例-积分-微分的英文缩写,将其简称为PID控制。即使在更为先进的控制规律广泛应用的今天,各种形式的PID控制仍然在所有控制回路中占85%以上。
 
  在PID控制中,积分控制的特点是:只要还有余差(即残余的控制偏差)存在,积分控制就按部就班地逐渐增加控制作用,直到余差消失。所以积分的效果比较缓慢,除特殊情况外,作为基本控制作用,缓不救急。微分控制的特点是:尽管实际测量值还比设定值低,但其快速上扬的冲势需要及早加以抑制,否则,等到实际值超过设定值再作反应就晚了,这就是微分控制施展身手的地方了。作为基本控制使用,微分控制只看趋势,不看具体数值所在,所以最理想的情况也就是把实际值稳定下来,但稳定在什么地方就要看你的运气了,所以微分控制也不能作为基本控制作用。比例控制没有这些问题,比例控制的反应快,稳定性好,是最基本的控制作用,是“皮”,积分、微分控制是对比例控制起增强作用的,极少单独使用,所以是“毛”。在实际使用中比例和积分一般一起使用,比例承担主要的控制作用,积分帮助消除余差。微分只有在被控对象反应迟缓,需要在开始有所反应时,及早补偿,才予以采用。只用比例和微分的情况很少见。
 

  【PID参数整定】

 
  连续控制的精度是开关控制所不可比拟的,但连续控制的高精度也是有代价的,这就是稳定性问题。控制增益决定了控制作用对偏差的灵敏度。既然增益决定了控制的灵敏度,那么越灵敏岂不越好?非也。还是用汽车的定速巡航控制做例子。速度低一点,油门加一点,速度低更多,油门加更多,速度高上去当然就反过来。但是如果速度低一点,油门就加很多,速度更低,油门狂加,这样速度不但不能稳定在要求的设定值上,还可能失控。这就是不稳定。所以控制增益的设定是有讲究的。在生活中也有类似的例子。国民经济过热,需要经济调整,但调整过火,就要造成“硬着陆”,引起衰退;衰退时需要刺激,同样,刺激过火,会造成“虚假繁荣”。要达成“软着陆”,经济调整的措施需要恰到好处。这也是一个经济动态系统的稳定性问题。
 
  实际中到底多少增益才是最合适的,理论上有很多计算方法,但实用中一般是靠经验和调试来摸索最佳增益,业内行话叫参数整定。如果系统响应在控制作用后面拖拖沓沓,大幅度振荡的话,那一般是积分太过;如果系统响应非常神经质,动不动就打摆子,呈现高频小幅度振荡的话,那一般是微分有点过分。中频振荡当然就是比例的问题了。不过各个系统的频率都是不一样的,到底什么算高频,什么算低频,这个几句话说不清楚,应了毛主席那句话:“具体情况具体分析”,所以就打一个哈哈了。
 
  再具体说起来,参数整定有两个路子。一是首先调试比例增益以保证基本的稳定性,然后加必要的积分以消除余差,只有在最必要的情况下,比如反映迟缓的温度过程或容量极大的液位过程,测量噪声很低,才加一点微分。这是“学院派”的路子,在大部分情况下很有效。但是工业界有一个“歪路子”:用非常小的比例作用,但大大强化积分作用。这个方法是完全违背控制理论的分析的,但在实际中却是行之有效,原因在于测量噪声严重,或系统反应过敏时,积分为主的控制规律动作比较缓和,不易激励出不稳定的因素,尤其是不确定性比较高的高频部分,这也是“稳定压倒一切”的初衷吧。

  文章写于2015年,作者晨枫,具有扎实的理论基础和丰富的现场经验,目前旅居加拿大,一直从事化工控制方面的工作和研究。
 
  著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。
 

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