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调节作用,个人认为,T6 和T8 时刻,同样值得关注。 还需要说明的是,毛刺的产生不仅仅与微分时间有

关,还与微分增益有关。他们是两个相关联的两个参数。 当微分增益增大的时候,要消除毛刺,就要相应提高微 分时间,反之减小。可是如果为了消除毛刺而过分增大

微分时间,就影响了T6 时刻所带来的超前调节作用,超

前调节作用就受到影响。合理搭配参数才能够起到良好的调节作用。

同样的道理,比例积分微分三个参数的大小也是相对的。比如说在比例带为80 的时候, 积分时间为120 也许会感觉比较正常。可是当你把比例带调为200 的时候,积分作用如果还 不变化,那么积分就会对调节带来副作用,系统就可能不能稳定。这时候就需要你把积分时 间也要增大。

我们在整定系统的时候,要有这么一个观念:比例积分微分三个参数的大小都不是绝对 的,都是相对的。切不可以为我发现一个参数比较合适,就把这个参数固定死,不管别的参 数怎么变化,永远不动前面固定的参数。这样的整定是机械的整定,要不得的。我们要在多 个参数之间反复权衡,既要把握原则性,又要学会灵活性。哦,又回到了上一节的话题。 2-7 整定参数的几个原则

大家看过百家讲坛里面王广雄教授讲自动调节系统么?我没有看过,很遗憾。不过我听 别人说王教授这么说自动调节系统:她里面处处闪烁着哲学的光辉。这个光辉我也经常感觉 得到。并且我觉得,似乎它不仅仅是一门技术,而且还是一门艺术。因为对于一个复杂的自 动调节系统,你永远不能确定哪个参数是最好的。只要你愿意下功夫去整定,似乎总有更适 合的参数等着你。而等到一个系统遇到了很复杂的大干扰的时候,一般情况下,你总想修改 已经极其膨胀了的控制策略,效果虽有好转,可总是难以适应各种工况,参数愈来愈多,整 定愈来愈复杂。可是等到你某一天突然灵光一闪,想到一个新鲜思路的时候,你激动得恨不 得马上从床上爬下来要去应用,第二天你发现既不需要修改控制策略,应用效果又出奇的好 的时候,你会感到一种艺术的成就感和满足感。这就是自动调节系统的魅力。它需要你在各 个问题、各个参数之间反复权衡,在灵活性和原则性之间思想游走,在全面和孤立之间合并 分解。

机械与权衡的变通、灵活性和原则性的关系前面已经说过了。下面还要说说全面和孤立 的关系。对于一个复杂调节系统,既要全面看待一个系统,又要学会孤立看待一个系统。原 则与灵活,全面与孤立,都是个辩证的问题。

其实谁都知道要全面看待问题这个说法。要全面了解整个调节系统,要对工艺流程、测 量回路、数据处理DCS 或者PLC、控制调节过程、PID 各个参数、操作器、伺服放大器、执 行器、位置反馈、阀门线形等各个环节都要了解,出了问题才能够快速准确的判断。可是孤 立分析问题这个提法,是不似有点新鲜?怎样才算孤立看待问题?

我们首先要把复杂的问题简单化,简单化有利于思路清晰。那么怎样孤立简化呢? 1) 把串级调节系统孤立成两个单回路。把主、副调隔离开来,先整定一个回路,再全 面考虑;

2) 至于先整定内回路还是先整定外回路,因系统而异。一般来说,对于调节周期长的 系统可以先整定内回路。我们还可以手动调整系统稳定后,投入自动,先整定内回 路;

3) 把相互耦合的系统解耦为几个独立的系统,在稳态下,进行参数判断。让各个系统 之间互不干扰,然后再考虑耦合;

4) 把P、I、D 隔离开来。先去掉积分、微分作用,让系统变为纯比例调节方式。然后 再考虑积分,然后再考虑微分。

在学习观察曲线的时候,要学会把问题简单化,孤立看待系统;在分析问题的时候,要 既能够全面看待问题,也能够孤立逐个分析。咱们下面讨论如何整定参数的时候,也是先要 把参数孤立起来看待的。

以前曾经有一个化工的朋友说:自动调节系统哪有这么复杂?无非是一个PID,对其参

数进行整定一番就可以了。我对他说:很不幸,你工作在一个简单调节系统的环境下,你没 有真正接触过复杂的自动调节系统。是的,火电厂自动调节系统要复杂些。可惜我没有机会 接触更为复杂的自动调节系统,深为遗憾!至今为止,我所接触到最复杂的自动调节系统, 无非是火电厂的蒸汽温度、汽包水位、蒸汽压力,还有一个大杂烩——协调。至于脱硫方面 的,都交给运行自行调节,懒得去管。 2-8 整定比例带

整定参数要根据上面提到的孤立分析的原则,先把系统设置为纯比例作用。也就是说积 分时间无穷大,微分增益为0。

最传统原始的提法是比例带。比例带是输入偏差和输出数值相除的差。比例带越大,比 例作用越弱。据说美国人喜欢直来直去,他们提出一个比例增益的概念,就是说比例作用越 强,比例增益也就越大。具体的做法就是比例增益等于比例带的倒数。

整定比例作用比较笨的办法,逐渐加大比例作用,一直到系统发生等幅震荡,然后在这 个基础上适当减小比例作用即可,或者把比例增益乘以0.6~0.8。

不过上述方法是有一点点风险的。有的系统不允许设定值偏差大,初学者要想明显地看 出来什么是等幅震荡,就有可能威胁系统安全。并且,在比例作用比较弱的时候,波动曲线 往往也是震荡着的,有人甚至会把极弱参数下的波动当成了震荡,结果是系统始终难以稳定。 那么到底怎么判断震荡呢?一般来说,对于一个简单的单回路调节系统,比例作用很强的时 候,振荡周期是很有规律的,基本上呈正弦波形状。而极弱参数下的波动也有一定的周期, 但是在一个波动周期内,往往参杂了几个小波峰。根据这个我们几乎大致可以判断比例作用 了。

注意我的用词,“几乎大致”。是的,仅仅这样我们也不能完全确定比例作用一定是强是 弱。有的系统也不允许我们这样折腾。还有没有办法?

整定参数说实话,是不那么容易的。前面我说很简单,是给你们树立必胜的信念,现在 说很困难,是告诉你们不可能一蹴而就,需要持之以恒的努力,需要不断的探索。这篇文章 最难写的是哪一段?第一章很容易,手头有资料,平时多留心,就可以写出来。第三章很难 写,但是只要自己多观察、多体会、多分析、多积累,应该也能写出来。只有第二章的这一 节最难写。我花费了好几天都在考虑,怎么表达出来我的经验心得。好在自动控制也不是高 不可攀,我想到了一个表述办法:

亲自操作执行机构,或者查找运行操作的历史趋势,查找或者令执行机构的输出有一个 足够的阶跃量——这个阶跃量要足够大,但是千万不能给稳定运行带来危险——然后观察被 调量多久之后开始有响应。记录下响应时间。然后在整定参数的时候,你所整定的系统的波 动周期,大约是你记录响应时间的3-8 倍。声明:这只是个大约的数值。我也仅仅是在近几 天内观察考虑的。没有经过长久大量的观察。目前来看,这个思路应该是对的,不排除意外 的可能。

最终你所整定的系统,其调节效果应该是被调量波动小而平缓。在一个扰动过来之后, 被调量的波动应该是一很有名的说法:“一大一小两个波”。呵呵,这个字,目前属于敏感词

汇。

有人说:很麻烦,我的调节系统不容易看到调节周期。哦,恭喜你,你的系统整定工作 做得很好。不管是被调量还是调节输出,其曲线都不应该有强烈的周期特征。曾经有个人跟

我说:你看我的调节系统整定得多好,被调量的曲线简直跟正弦波一样好看。我回答说:不 用问,调节输出也跟正弦波一样吧?他说是。那你的执行机构还不跟正弦波一样不能歇着 啊?这样的调节系统的整定工作是不够好的,还有优化空间的。

自动调节的困难还在于:即使是很老练很在行的整定者,也不见得整定效果就很好。近 两年我见了一些自动调节的论文,有的论文中附有调节效果曲线。根据我的分析,有一些论 文所表现的调节质量并不够好,还有很大的参数优化空间。。

有许多人看系统难以稳定,就认为是控制策略的问题,就去修改控制策略。最终使得控 制策略庞大臃肿。控制策略臃肿的不利后果有三个: 1) 不利于检查问题和整定参数,程序越复杂越不利; 2) 容易出现编程错误甚至前后矛盾;

3) 增加了系统负担。DCS 系统要求单机负荷率要低。DCS 中,影响负荷率的最大因素 就是模拟量运算。自动调节系统的模拟量运算最大。所以,臃肿的调节系统增加了系统 负荷率。

具体的论文就不说了。只说最近论坛上经常对给水三冲量调节系统发表质疑。我个人认 为:给水三冲量自动调节系统是很完善很完美的,你之所以觉得不够好,是因为你没有把参 数整定好。如果你不认可,我给你整定,保证能让你的系统在经典的三冲量调节系统下,运 行得很好。

所以能够通过整定参数解决的问题,最好不通过控制策略来解决。所以,就要求我们广 大的自动调节工作者,在整定参数方面打好基本功。我说过,我感到整定参数不仅仅是一门 技术,而且像一门艺术。因为“艺无止境”。 2-9 整定积分时间

前面咱们已经说过,积分作用最容易被人误解。一个初学者往往过分注重积分作用,一 个整定好手往往又漠视积分作用。咱们先对初学者说怎么认识积分作用。

对于主调来说,主调的目的就是为了消除静态偏差。如果能够消除静态偏差,积分作用 就可以尽量的小。 在整定比例作用的时候,积分作用先取消。比例作用整定好的时候,就 需要逐渐加强积分作用,直到消除静差为止。

我们需要注意的是:一般情况下,如果比例参数设置不合理,那么静差也往往难以消除。 在没有设置好比例作用的时候,初学者往往以为是积分作用不够强,就一再加强比例作用, 结果造成了积分的干扰。

那么积分作用设置多少合理?咱们还要拐回头,看第2-5 节。为了查看方便,我重新把 图5 粘贴过来。

图中,我们最需要关注的几个点是:t5、t6、t7。在t5,t7 之间,t6 的时刻反映了积 分的强度。t6 过于 靠近t5,则积分作 用过弱;t6 过于靠 近t7,则积分作用 过强。t6 所处的位 置,应该在t5、t7 之间的1/3 靠前一 点。也就是说,t6 的位置在t5~(t7 —t5)*1/2 之间。 为了记住(t7—t5) 之间的这个特征点,

我们可以把(t7—

t5)*1/3 的这个区域叫做积分拐点。积分拐点这个概念很重要,输出的拐点不能比积分拐 点更靠后。

为什么积分要这么弱?

当被调量回调的时候(t5 时刻),说明调节器让执行机构发挥了调节作用,此时调节机 构的开度足以控制被调量不会偏差更大,为了消除静态偏差,可以保持这个开度,或者让执 行机构稍微继续动作一点即可。如果此时被调量回调迅速,则说明执行机构的调节已经过量, 那么必须也要让执行机构回调,执行机构的回调是怎样产生的?是比例作用克服了积分作用 而产生的,是比例和积分的叠加:Tout(δ)+Tout(i)。而此时Tout(δ)和Tout(i)所调节的 方向是不一样的,一个为正,一个为负。

从上面的叙述,我们还可以验证前面的一个推理:积分作用和比例作用是相对的。当比 例作用强的时候,积分也可以随之增强;比例作用弱的时候,积分也必须随之下调。积分作 用只是辅助比例作用进行调节,它仅仅是为了消除静态偏差。

还是那句话:搞自动的要善于灵活处理问题,一方面要把握原则,一方面要有灵活性。 切不可因为刚才调好了积分作用,就把积分参数固定死再也不变了。积分作用设置的关键在 于t6 的位置,要记住:不能超过积分拐点。

对于积分作用在特殊情况下的妙用,下一章会提到。咱现在还是牢牢掌握原则吧。 2-10 整定微分作用

微分作用比较容易判断,那就是PID 输出“毛刺”过多。

一般来说,微分作用包含两个参数:微分增益和微分时间。实际微分环节在前面已经说过。 图4 就是实际应用中的微分环节。其实理想的微分环节 并不是这样的。当阶跃扰动来临的时候,理想微分环节 带来的调节输出是无穷大的。如图所示:理想微分环节 为了工程应用方便,人们设计了实际微分环节。微

分的目的许多人都知道:它具有超前调节的功能。微分 为什么具有超前调节作用?

1) 波动来临时,不管波动的幅度有多大,只要波动 的速度够大,调节器就会令输出大幅度调整。也 就是说,波动即将来临的时候,波动的征兆就是 被调量的曲线开始上升。对于比例和积分作用来

说,开始上升不意味着大幅度调节;对于微分作

用来说,开始上升就意味着调节进行了,因为“开始”的时候,如果速度上去了, 输出就可以有一个大幅度的调整。这是超前调节的作用之一。见图6 的T8 时刻。

2) 波动结束后,如果调节器调节合理,一般被调量经过一个静止期后,还会稍微回调 一点。在被调量处于静止期间,因为微分时间的作用,不等被调量回调,调节器首 先回调。这是微分的超前作用之二。见图6 的T7 时刻。

在微分增益增大的时候,一定要考虑到微分时间的调整。否则调节曲线上会有很多毛刺。 毛刺直接影响到执行机构的频繁动作,一般来说,它是有害的。好的调节效果,往往在调节 曲线上是看不到毛刺的。只可以在输出曲线上看到一个突出的陡升或者陡降。要合理利用微 粉增益和微分时间的搭配,会取得很好的调节效果。

有许多人牢牢记住了“微分的超前调节作用”,只要觉得系统不够快,就会加微分。这 是一种懒人的思维。系统快不快不能看表面现象,有许多系统往往是参数整定不好造成的震 荡。震荡发生的时候,往往急得初学者恨不得马上让系统回调,不能马上回调,就想到了微 分。要记住:震荡的产生可能与三个参数都有关。一定要认真判读震荡曲线的特征,分辨是