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?
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。
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。
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。
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。
有的系统把微分作用分出调节器以外。比如火电厂主汽温度控制,许多厂家用了“微分导前调节”。所谓的“微分导前”,就是把微分分出调节器,专门对温度前馈量进行微分运算,然后把运算的结果叠加到PID的输出,去控制执行机构。
2-11 比例积分微分综合整定一个精通参数整定的人,在具体草整定参数的时候,要熟悉系统工艺原理,更要熟悉系统操作。对待一个复杂系统如何操作的问题,整定参数的人甚至比专业的运行操作员更知道怎么操作,比他们更熟练的进行手工干扰。因为只有我们知道怎样操作是正确的,才能够知道PID发出的指令是否正确的,才能够知道怎样修改PID参数。另外,运行操作员往往抱着一种急切的心理,看到被调量偏差大,恨不得一下子调正常。心情可以理解,往往偏离了正常的调节方法。我们除了要整定参数外,有时候还要担负运行操作讲解员的责任。虽然在整体系统上我们不如他们,但是具体操作上,我们的理解有比他们强的地方。互相沟通才能共同进步,才能搞好系统。
同时,对于系统工艺操作的理解,对于实际发生的各种干扰问题,运行操作员又比我们更熟悉。所以,我们还要虚心向他们请教。系统发生了波动,到底是什么原因造成的?什么因素之干扰的主要因素?怎样操作弥补?了解清楚之后,再加上我们的分析,才能得到最真实的资料。
我们要记住:沟通是双向的。
切入正题,说说综合整定。
假设有一个水池,上面一个进水管下面一个排水管。进水管的流量不大确定,有时候稳定,有时候有波动。我们要调节排水阀的开度来调整水池水位。如果水位高,我们要开排水阀放水。如果我们想要迅速平抑水位,那就要大开排水阀。大开排水阀造成水位急剧降低,这时候我们该怎么办?水位急剧降低表明排水阀开过度了,也就是比例带过小,水位急剧降低需要我们稍微关闭排水阀,否则水位按照目前降低的速度来看,有可能造成水位过低。那么,关闭排水阀属于比例带的调节作用。为什么?我们还记得么?比例作用趋势图的特征是:输出曲线和被调量是相似形。我们这里调节器是正作用,那么水位急剧降低,我们的排水阀也应该急剧关闭。
比例先生比较规矩,干事情循规蹈矩,他的行为准则是一切跟着偏差走。他总是看偏差的脸色行事,设定值不变的情况下,也就是看被调量的脸色了。被调量怎样走,他就怎样走,一点都不知道变通。太不浪漫了。我们这个系统还有积分作用存在。积分女士比较自私,眼光也短,比例作用总说她不顾全大局。她说:我不管你什么大局小节,只要偏差存在我就要一直积下去。 问题出来了:水位急剧降低,需要稍微关闭排水阀才能抑制水位降低的速度,可是积分女士这时候因为偏差大,反而更加起劲的要开排水阀。头疼!
作为调节器统揽全局的你该怎么办?你要权衡两者的作用。水位急剧降低,说明了比例过强,你要批评比例先生,让他再谨慎点,让比例带大点。积分小姐也别得意,你也有问题。你的问题在于不顾大局,水位都恁低了你还要开,你的积分时间也要大点。
比例先生和积分小姐的意见一综合叠加,决定:如果水位下降太慢,积分就再开点也无妨;如果下降得快,比例先生可要发挥作用;如果不算快也不算慢,两个意见相加的结果抵消,喔,我也不知道该咋办了,等形势明朗了再决定,现在静观待变。
水位急剧下降,你决定让排水阀稍微关闭,水位下降势头得到抑制,水位保持在低于设定值的位置不变了,迟迟看不到水位变化,怎么办?
积分小姐,别矜持了,逐渐关闭些,一直等到水位达到目标才行。如果积分增益太小,你就需要增加积分增益了。
积分小节慢吞吞的行使职责,这时候坏了!进水管突然捣蛋,进水阀门虽然没有开,可是进水流量不知道为什么突然增加,眼看着水位蹭蹭蹭往上窜。
急什么,比例,快点开,你要跟着水位的升高而升高。
积分小姐也跟着使劲,因为这时候水位高于设定值了。
正当大家手忙脚乱的调整的时候,突然进水阀流量又减小了,水位又急着降低!急得比例积分满头大汗,那个乱啊!一边抱怨:都怪那个捣蛋鬼进水流量,他一直折腾我们!
对啊!我要监视捣蛋鬼!把捣蛋鬼纳入监听,只要他增加,排水阀别管比例积分说什么,只管开——哦不——在比例积分的面子还是要给的,在他们命令的基础上再额外增加一个开度!瞧,前馈是个好办法。
这时候我们的系统改变了,由一个司令部变成了两个:串级调节系统诞生了。
还有人说不。为了精兵简政,不要后面的司令部,后面弄个加法块咋样?
前面的司令部不答应,他不是不要权力,而是跟踪让他手忙脚乱。
跟踪为了告诉司令部现在前方部队——阀门开到什么位置了。在司令部休息的时候(手动状态),司令部掌握前方部队的位置,一旦司令部工作起来(自动状态),司令部只要告诉前方部队在现在的位置上增加或者减少多少就可以了。
可是因为司令部后面有个加法块捣乱,司令部得到的始终是加后值。司令部由休息转到工作的时候,就会出现工作失误,一直循环叠加,会出问题的。
所以还是要俩司令部的好。
那个谁,第二个司令部,就不给你配备女秘书了。你别管水位高低,不要无差调节,你要积分也没啥用。
突然,前馈尖兵报告:等我知道消息已经晚了,水量已经大幅度波动了。
这时候即使叠加了前馈调节,调节效果还是不明显。要是能够提前知道捣蛋鬼的动作就好了。前馈尖兵回答:进水管太孬了,前面几十米弯弯曲曲,没办法设立监听站。
怎么办呢?
一旁有个诗人含酸带醋的,幽幽的道:唉!漫漫长夜,悠悠我心。世无伯乐,沉吟至今……这个诗人叫做微分。
抱歉,冷落微分很久了。
把微分放在前馈尖兵上,效果马上好转。因为诗人有点神经质,前馈没有波动的时候他趴着不动弹,一有波动他马上就跳起来,吓得司令部赶紧进行调节,扰动得到了有效的遏制。
调节效果好了,第一司令部有意见了。他说:给我施加点压力吧,我要上进,后面那个司令部就取消了,好么?
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