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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。
1自动调节系统的发展历程
1-1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。
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。
咱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1538—1615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,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。
1712年英国人托玛斯·
纽考门(公元1663~1729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?
上面这张图片经常被各种书籍引用。
因为它代表了自动控制历程的一个重要发展阶段。
它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,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世纪四十年代才诞生——科学的发展有时候也真够艰难的。
1-2
控制论
许多人都迷信英雄人物,总是相信某一个时代,有那么一个人物横空出世,一下子就解决了一切问题,后人所做的只有是崇拜和赞美了。
其实远不是那么一回事。
一切事物的发展都有着清晰的脉络的。
即使是爱因斯坦,在他发现相对论之前,前人也为这个伟大理论的诞生作了很多铺路的工作。
20世纪末,人们认为物理学的发展似乎已经到了极致,后人似乎不可能在物理大厦上再增加一层楼了,后人所能做的也不过是拧个螺丝,修补窗户什么的工作。
当时的科学家们确实发现了物理大厦上有几个螺丝没有拧。
他们把这几个螺丝叫做“物理学的天空飘着那么几朵乌云”。
科学家们对这几朵乌云深究细考费尽了脑筋,也诞生了许多解释办法,但是解释得都不彻底。
突然有那么个爱因斯坦,提出物理大厦要拧紧这几个螺丝,就必须要再增加几层楼——相对论诞生了。
有人说,是爱因斯坦一个人凭空想象出了相对论,这是不切合实际的。
咱们的控制论也是这样的。
20世纪之前,人们在考虑怎么控制的时候,总是专注于对被控对象和控制手段,控制水平始终上不了台阶,当然,也可能跟当时对控制水平的要求不高有关。
20世纪30~40年代,人们开始发现控制信息的重要。
英美一些数学家或者工程学家对信息在工程中的应用,提出了理论。
1932年美国通信工程师H.奈奎斯特发现电子电路中负反馈放大器的稳定性条件,即著名的奈奎斯特稳定判据。
至此,自动控制的准备工作已经做足,只等着一个英雄人物横空出世了。
1945年,美国数学家维纳把乃奎斯特的反馈概念推广到一切工程控制中,1948年维纳发表奠基性著作《控制论》。
这本书的副标题是“关于动物和机器中控制和通信的科学”。
在此之前西方没有控制论这个词。
维纳先生根据希腊词Kubernetes(舵手)创造了一个词:
cybernetics。
舵手是干什么的?
控制船的方向的。
“cyber”一词在今天已经被重新定义为“对电子、机械和生物系统的控制过程的理论性研究,特别是对这些系统中的信息流动的研究。
”——由最初的“舵手”变成了后来的“指导者”和“统治者”,由“驾驭航向”转变为“控制别人”。
且慢,维纳说:
控制论是“对电子、机械和生物系统的控制过程的理论性研究”?
电子需要控制论,机械需要控制论,生物也需要?
恩,咱开头就说了,人们生产活动都离不开的。
虽然你在泡妞的时候,从没有想过那讨厌的比例积分微分什么的概念,但是你实际上切切实实无意识地一直在运用控制论的方法。
维纳运用自己丰富的学识敏锐的观察深刻的分析,把这些基本原理提炼出来,最终,创立了控制论。
维纳少年时期就是天才,用咱们的话说是神童。
咱不了解美国20世纪初的教育制度,我很惊讶维纳11岁就上了大学,学习数学(这个时候我还在上小学学习解应用题),是不是当时美国的大学数学研究的项目是鸡兔同笼?
否则一个11岁的小孩子……迷惑中。
这个天才兴趣广泛,除了专业之外,还喜欢物理、无线电、生物和哲学。
这在当时可能都属于比较热门的学科。
14岁他又考入了哈佛大学研究生学院,学习生物学和哲学(这个时候我在上初中,背诵为什么社会主义终将取代资本主义)。
18岁获得了哈佛大学数理逻辑博士学位。
可能是他的成绩比较突出,后来又专门去欧洲向罗素(写出好多《论哲学》之类的豆腐块文章,曾经一度在国内很流行)和希尔伯特(都是世界级的大腕啊!
该腕儿提出了20世纪数学的23个问题,哄着数学家们都一古脑的研究那些问题)学习数学。
好了,不罗列他上学的内容了。
深厚而又广博的学识,为维特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。
1-3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?
比如发现政策使得经济过热了,那么下一步就要修改政策,抑制经济过热。
我们总要把这个信号进行相反处理,这个对收集到的信号进行相反处理的办法叫做负反馈。
朱镕基先生在当总理的时候,发现电力建设过快,就严格控制电力建设的审批,使得电力建设的步伐放缓。
等到温家宝先生当总理的时候,发现坏了,电力建设步伐过慢,与国家的快速经济发展不相适应,国家到处出现电荒。
于是温政府放松电力建设审批,电力建设急速加快。
过了几年发现又坏了,电力建设审批门槛过低,能源浪费严重。
然后开始实行适度控制电力建设的办法,电力建设得到良好有序地发展。
这一段时期对电力建设的控制是个比较典型的负反馈过量的问题。
看样子,温家宝先生似乎比朱镕基先生在自动控制方面学习成绩要好一点。
不过也不好说,说不定是前车之鉴,使得后来总结了经验。
维纳当年就认识到反馈信息过量的后果。
这里还涉及到一个问题,就是控制过度,使得系统发生震荡。
控制过度其实就是比例带过小。
负反馈是不是过量,也跟比例带的设置有关系。
这些个问题在后面的“稳定性”章节中具体探讨。
商业管理中也广泛应用负反馈原理。
最近老板们总是强调执行力。
执行力怎么体现?
收集反馈信息。
老板们往往要求我们命令要有回复,回复就是反馈。
如果老板们还要判断命令是否合理,那就需要用负反馈原理。
我们走路的时候,不能闭着眼睛,因为眼睛是反馈环节。
即使视力出现故障,也要有导盲犬、探路棍、盲道等措施弥补,所有这些措施都是提供反馈环节。
大脑收集到反馈以后,一定会进行负反馈处理。
为什么是负反馈呢?
走路的时候,眼睛看路,他会告诉你个信号:
偏左了,偏右了,然后让你脑子进行修正。
信号发到你脑子里面后,你脑子里要对反馈信号与目标信号相减,然后进行修正。
偏左了就向右点,偏右了就向左点。
对这个相减的信号就是负反馈。
如果相加就是正反馈了,那样走着走着你就掉进坑里去了。
但是,保证你不掉进坑里,那仅仅是给你怎样走路给了一个大致的方向。
具体每一步走多大,向左向右偏多少,还要进行具体计算。
前面说的都是定性的问题,步子走多大,向左右偏多少是定量的问题。
光定性不定量还是没办法控制的。
下面就介绍如何定量:
1-4调节器
控制理论这个大厦基本上建立起来了。
其实我更关心的是PID控制方法的建立。
说老实话,我总觉得维纳虽然伟大,可是总觉得他的理论不那么“精巧”,说白了谁都能明白。
相比之下,我对PID理论的发明人更加佩服。
说起来非常简单,不就是比例积分微分运算么,可具体要提出这种方法,还是需要一定的天才的。
PID是什么?
要弄清楚怎样定量之前,我们先要理解一个最基本的概念:
调节器。
调节器是干什么的?
调节器就是人的大脑,就是一个调节系统的核心。
任何一个控制系统,只要具备了带有PID的大脑或者说是控制方法,那它就是自动调节系统。
如果没有带PID的控制方法呢?
那可不一定不是自动调节系统,因为后来又涌现各种控制思想。
比如时下研究风头最劲的模糊控制,以前还有神经元控制等等;
后来又产生了具有自组织能力的调节系统,说白了也就是自动整定参数的能力;
还有把模糊控制,或者神经元控制与PID结合在一起应用的综合控制等等。
在后面咱们还会有介绍。
咱们这个文章,只要不加以特殊说明,都是指的是传统的PID控制。
可以这样说:
凡是具备控制思想和调节方法的系统都叫自动调节系统。
而放置最核心的调节方法的东西叫做调节器。
基本的调节器具有两个输入量:
被调量和设定值。
被调量就是反映被调节对象的实际波动的量值。
比如水位温度压力等等;
设定值顾名思义,是人们设定的值,也就是人们期望被调量需要达到的值。
被调量肯定是经常变化的。
而设定值可以是固定的,也可以是经常变化的,比如电厂的AGC系统,机组负荷的设定值就是个经常变化的量。
基本的调节器至少有一个模拟量输出。
大脑根据情况运算之后要发布命令了,它发布一个精确的命令让执行机构去按照它的要求动作。
在大脑和执行机构(手)之间还会有其他的环节,比如限幅、伺服放大器等等。
有的限幅功能做在大脑里,有的伺服放大器做在执行机构里。
上面说的输入输出三个量是调节器最重要的量,其它还有许多辅助量。
比如为了实现手自动切换,需要自动指令;
为了安全,需要偏差报警等等。
这些可以暂不考虑。
为了思考的方便,咱们只要记住这三个量:
设定值、被调量、输出指令。
事实上,为了描述方便,大家习惯上更精简为两个量:
输入偏差和输出指令。
输入偏差是被调量和设定值之间的差值,这就不用罗嗦了吧?
1-5PID
回到刚才的提问:
什么是PID?
P就是比例,就是输入偏差乘以一个系数;
I就是积分,就是对输入偏差进行积分运算;
D就是微分,对输入偏差进行微分运算。
就这么简单。
很多年后,我还始终认为:
这个理论真美!
这个方法的发明人似乎是尼可尔斯(Nichols)。
我手头没有更多资料,不能确定是不是尼可尔斯发明的。
可是PID参数的整定方法确实是他做的。
其实这个方法已经被广大系统维护者所采用,浅白一点说,就是先把系统调为纯比例作用,然后增强比例作用让系统震荡,记录下比例作用和震荡周期,然后这个比例作用乘以0.6,积分作用适当延长。
虽然本文的初衷是力图避免繁琐的计算公式,而用门外汉都能看懂的语言来叙述工程问题,可是对于最基本的公式还要涉及以下的,况且这个公式也很简单,感兴趣的看一下,不感兴趣的可以不看哈。
公式表达如下:
Kp=0.6*Km
Kd=Kp*π/4*ω
Ki=Kp*ω/π
Kp为比例控制参数
Kd为微分控制参数
Ki为积分控制参数
Km为系统开始振荡时的比例值;
ω为极坐标下振荡时的频率
这个方法只是提供一个大致的思路,具体情况要复杂得多。
比如一个水位调节系统,微分作用可以取消,积分作用根据情况再调节;
还有的系统超出常人的理解,某些参数可以设置得非常大或者非常小。
具体调节方法咱们后面会专门介绍。
微分和积分对系统的影响状况后面也会专门分析。
科学家们都说科学当中存在着美。
我的理解,那种美是力图用最简洁的定义或者公式,去描述宇宙万物的运行规律。
比如牛顿的三大运动规律,和他的加速度和力的关系的公式:
F=ma。
表达极其简洁,涵盖范围却非常之广,所以它们都很美。
同样的,我们的PID调节法也是这样的,叙述极简洁,可在调节系统中应用却极普遍。
所以,不由得人不感叹它的美!
不过说实话,PID控制法虽然精巧,可是并不玄奥。
现在,世界控制理论有了更大的发展,涌现出了各种各样控制方法。
比如神经元控制、模糊控制等等,这些控制过程中,我只接触过模糊控制。
用我自己最粗浅的理解,要是对控制系统要求更为精准严格的话,还是要用PID控制来配合的。
并且,对于火电厂自动调节系统,我还没有发现有哪种系统用PID调节法不能实现的。
如果你认为你所观察的某个系统,单纯用传统的PID调节方法不能解决问题,那存在两个可能:
一是你的控制策略可能有问题,二是你的PID参数整定得不够好。
PID控制法已经当之无愧的成了经典控制方法。
我们要讲的,也就是这种经典的PID控制。
1-6怎样投自动
判断一个人是不是业内人士的方法之一,就是看他说不说外行话,有时候甚至一个词语就可以判断。
判断修改确认PID参数的过程,咱们业内人士有个专用词语:
整定。
如果读者现在跟谁谁谈话的时候,说PID整定怎么怎么,那么,恭喜你,你是“业内人士”了。
我刚上班的时候,对自动调节系统一窍不通。
在学校仅仅学过一本《热力过程自动化》,一毕业都还给老师了。
一上班为了跟上别人,狠劲学习电工电子,以为能维修执行器变送器就可以做好自动工作了。
后来一个师傅一句话点醒了我。
他说:
在自动专业,水平的高低最直接的衡量办法——会不会投自动,也就是看会不会整定参数。
当时我就想:
自动该有多复杂多难学啊!
等我后来掌握了,突然觉得,原来整定参数是这么的简单!
原来整定参数是这么的简单!
是的,其实很简单。
任何人,只要下过一番功夫,方法对头,就一定能够搞好自动。
记住:
方法要对。
确立了方法之后,下一番枯燥的功夫,观察分析尝试总结,由浅入深,最后你就一定能够投好一套简单的自动。
复杂的自动还需要另外一项功夫:
多学习,多与运行人员交流。
多与运行人员交流。
这是我告诉你们的第一条秘诀。
聊天聊得好就等于看书了。
有时候甚至比看书还好。
这个秘诀我轻易不传给别人的哦。
说了一个秘诀,干脆告诉你另一个秘诀:
其实咱们前面说过了,要肯下一番枯燥的功夫,去了解比例积分微分的最基本最本质最浅显的原理。
等到你了解了比例积分微分的最基本原理,那你就能够判断它们是如何影响调节曲线的了,进而就能够整定参数了,进而你就是行家了。
要掌握复杂的公式么?
可以不掌握。
当然,能掌握我也不反对,它们其实是很有用的。
成为行家原来这么简单。
那么你怎么判断一个人是不是自动的行家呢?
很简单,我的经验,你只要看他观察哪些曲线就可以了。
1-7观察哪些曲线
我曾经见过一个自动好手整定参数,我看他收集的曲线后,我就断定这个自动他投不好。
给他提建议,但是因为他的名望比较高,没有听取咱的建议。
后来果然没投好。
观察曲线是发现问题的最方便的办法。
现在DCS功能很强大,想收集什么曲线就收集什么曲线,只要这个测点被引入DCS。
最初可不是这样的。
90年代初我用的是DDZ-II型调节器,后来是MZ-III组件型调节系统,再后来是KMM调节器,后来才有了集中控制系统,再后来有了DCS。
前三种都不能显示曲线的。
只能靠两只眼睛盯着指针或者数字,根据记忆去判断调节曲线,那个费劲啊!
可是当时我并不觉得费劲,现在用惯了DCS以后,再拐回头去看数字,才觉得真费劲!
还是老话说得好:
由俭入奢易,由奢入俭难啊。
那么到底要观察哪些曲线呢?
说实话,开始我没有把这个事情当成个问题,觉得是水到渠成的事情。
可后来我发现许多人都不善于收集曲线,才觉得有必要说一下。
我们要收集的曲线有:
1、设定值。
作为比较判断依据;
2、被调量波动曲线。
3、PID输出。
如果是串级调节系统,我们还要收集:
4、副调的被调量曲线;
5、PID输出曲线。
为什么不收集副调的设定值了?
因为主调的输出就是副调的设定啊。
在一个比较复杂的调节系统中,副调的被调量往往不只一个,那就有几个收集几个。
只有收集到了这些曲线后,你才能根据曲线的波动状况进行分析。
还有的调节系统更加复杂。
投不好自动,总要去分析其原因,看看有什么干扰因素存在其中,你怀疑哪个因素干扰就把哪个曲线放进来。
一般的DCS都支持8组曲线在一个屏幕中,如果放不下,你就考虑怎么精简吧。
不过现在咱们还没有到那个地步,复杂调节系统在后面介绍。
我估计早就有人等得不耐烦了。
自动调节系统,归根结底在于整定PID,如果不会整定PID,该多掉份!
可是最见功夫的,最考验能力的也就是PID参数的整定了。
PID的整定有多难?
一点都不难!
只要你找着我的话去做,一步步训练下去,保证你也成为整定PID的行家里手。
第二章PID参数整定
上一章简单介绍了自动调节的发展历程。
搞自动的人,许多人对如何整定PID参数感到比较迷茫。
这个东西其实一点都不高深,上过初中的人,只要受过严格训练,都可以成为整定参数的好手。
什么?
初中生理解积分微分的原理么?
恩,初中生没有学过微积分,可是一旦你给他讲清楚微积分的物理意义,然后认真训练判断曲线的习惯和能力,完全可以掌握好PID的参数整定。
怎么才算受过严格训练呢?
我不了解别人是怎么训练的,我只根据我自己理解的情况,把我认为正确的理解给大家讲述一下。
咱既然说了,初中生都可以理解,那么咱依旧避免繁琐的公式推导,只对其进行物理意义分析。
提前声明:
这些物理意义的分析,非常简单,非常容易掌握,但是你必须要把下面一些推导结论的描述弄熟弄透,然后才能够进行参数整定。
很简单的哦。
在介绍PID参数整定之前,先介绍几
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