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              自動調節縱橫談——從入門到精通之二
              發布日期:2018-09-13 來源:  瀏覽次數:

              白志剛

              焦作華潤熱電有限公司

              第二章   PID參數整定

               上一章簡單介紹了自動調節的發展歷程。搞自動的人,許多人對如何整定PID參數感到比較迷茫。課本上說:整定參數的方法有理論計算法和經驗試湊法兩種。

              理論計算法需要大量的計算,對于初學者和數學底子薄弱的人會望而卻步,并且計算效果還需要進一步的修改整定,至今還有人在研究理論確認調節參數地方法。所以,在實際應用過程中,理論計算法比較少。

              經驗試湊法最廣為人知的就是第一章提到的整定口訣了。該方法提供了一個大致整定的方向形性思路。當時整定參數,需要兩只眼睛盯著數據看,不斷地思考琢磨。上世紀90年代的時候,我就曾經面對著I型和II型儀表,就這么琢磨。如果是調節周期長的系統,比如汽溫控制,需要耗費大量的時間。

              科學發展到了今天,DCS應用極其普遍,趨勢圖收集極其方便。對于單個儀表,也大都有趨勢顯示功能。所以,我們完全可以借助趨勢圖功能,進行參數整定。

              我們可以依靠分析比例、積分、微分的基本性質,判讀趨勢圖中,比例、積分、微分的基本曲線特征,從而對PID參數進行整定。這個方法雖然基本等同于經驗試湊法,但是它又比傳統的經驗試湊法更快速更直觀的,更容易整定。因而,我把這種依靠對趨勢圖的判讀,整定參數的辦法,稱之為:

              趨勢讀定法。

              趨勢讀定法三要素:

              設定值、被調量、輸出。三個曲線缺一不可。串級系統參照這個執行。

              這個所謂的趨勢讀定法,其實早就被廣大的自動維護人員所掌握,只是有些人的思考還不夠深入,方法還不夠純熟。這里我把它總結起來,大家一起思考。

              這個東西看著新鮮,其實一點都不高深,上過初中的人,只要受過嚴格訓練,都可以成為整定參數的好手。什么?初中生理解積分微分的原理么?恩,初中生沒有學過微積分,可是一旦你給他講清楚微積分的物理意義,然后認真訓練判斷曲線的習慣和能力,完全可以掌握好PID的參數整定。 苦功夫還要花的。必須要經過比較嚴格的訓練。

              怎么才算受過嚴格訓練呢?我不了解別人是怎么訓練的,我只根據我自己理解的情況,把我認為正確的理解給大家講述一下。咱既然說了,初中生都可以理解,那么咱依舊避免繁瑣的公式推導,只對其進行物理意義分析。

              提前聲明:這些物理意義的分析,非常簡單,非常容易掌握,但是你必須要把下面一些推導結論的描述弄熟弄透,然后才能夠進行參數整定。很簡單的哦。

              在介紹PID參數整定之前,先介紹幾個基本概念: 

              2-1 幾個基本概念

              單回路:就是只有一個PID的調節系統。

              串級:一個PID不夠用怎么辦?把兩個PID串接起來,形成一個串級調節系統。又叫雙回路調節系統。在第三章里面,咱們還會更詳細的講解串級調節系統。在此先不作過多介紹。

              主調:串級系統中,要調節被調量的那個PID叫做主調。

              副調:串級系統中,輸出直接去指揮執行器動作的那個PID叫做副調。主調的輸出進入副調作為副調的設定值。一般來說,主調為了調節被調量,副調為了消除干擾。

              正作用:比方說一個水池有一個進水口和一個出水口,進水量固定不變,依靠調節出水口的水量調節水池水位。那么水位如果高了,就需要調節出水量增大,對于PID調節器來說,輸出隨著被調量增高而增高,降低而降低的作用,叫做正作用。

              負作用:還是這個水池,我們把出水量固定不變,而依靠調節進水量來調節水池水位。那么如果水池水位增高,就需要關小進水量。對于PID調節器來說,輸出隨著被調量的增高而降低的作用叫做負作用。

              動態偏差:在調節過程中,被調量和設定值之間的偏差隨時改變,任意時刻兩者之間的偏差叫做動態偏差。簡稱動差。

              靜態偏差:調解趨于穩定之后,被調量和設定值之間還存在的偏差叫做靜態偏差。簡稱靜差。

              回調:調節器調節作用顯現,使得被調量開始由上升變為下降,或者由下降變為上升。

              階躍:被觀察的曲線呈垂直上升或者下降,這種情況在異常情況下是存在的,比如人為修改數值,或者短路開路。 

              2-2  P —— 純比例作用趨勢圖的特征分析

              前面說過,所謂的P,就是比例作用,就是把調節器的輸入偏差乘以一個系數,作為調節器的輸出。

              溫習一下:調節器的輸入偏差就是被調量減去設定值的差值。

              一般來說,設定值不會經常改變,那就是說:當設定值不變的時候,調節器的輸出只與被調量的波動有關。那么我們可以基本上得出如下一個概念性公式:

              輸出波動=被調量波動*比例增益

              注意,這只是一個概念性公式,而不是真正的計算公式。咱們弄個概念性公式的目的在于:像你我這樣的聰明人,不屑于把精力用在考證那些繁瑣的公式上面,我們關注什么呢?我們關注的是公式內部的深層含義。呵呵。我們就來努力挖掘它的深層含義。

              通過概念性公式,我們可以得到如下結論,對于一個單回路調節系統,單純的比例作用下:

              輸出的波形與被調量的波形完全相似。

              純比例作用的曲線判斷其實就這么一個標準。一句話簡述:被調量變化多少,輸出乘以比例系數的積就變化多少?;蛘哒f:被調量與輸出的波形完全相似

              為了讓大家更深刻理解這個標準,咱們弄幾個輸出曲線和被調量曲線的推論:

              1、對于正作用的調節系統,頂點、谷底均發生在同一時刻。

              2、對于負作用的調節系統,被調量的頂點就是輸出的谷底,谷底就是輸出的頂點。

              3、對于正作用的調節系統,被調量的曲線上升,輸出曲線就上升;被調量曲線下降,輸出曲線就下降。兩者趨勢完全一樣。

              4、對于負作用的調節系統,被調量曲線和輸出曲線相對。

              5、波動周期完全一致。

              6、只要被調量變化,輸出就變化;被調量不變化,不管靜態偏差有多大,輸出也不會變化。

              上面6條推論很重要,請大家牢牢記住。記住不記住其實沒有關系,只要你能把它溶化在你的思想里也行。

               

              溶化了么?那我出個思考題:

              1、被調量回調的時候,輸出必然回調么?

              2、 被調量不動,設定值改變,輸出怎么辦?

              3、 存在單純的比例調節系統么?

              4、  純比例調節系統會消除靜差么?

              第一條回答:是。

              第二條回答:相當于被調量朝相反方向改變。你想啊,調節器的輸出等于輸入偏差乘以一個系數,設定值改變就相當于設定值不變被調量突變。對吧?

              第三條回答:是。在電腦出現之前,還沒有DCS,也沒有集中控制系統。為了節省空間和金錢,對于一些最簡單的有自平衡能力的調節系統,比如水池水位,就用一個單純的比例調節系統完成調節。

              第四條回答:否。單純的比例調節系統可以讓系統穩定,可是他沒有辦法消除靜態偏差。那么怎么才能消除靜態偏差呢?依靠積分調節作用。

              為了便于理解,咱們把趨勢圖畫出來分析。見圖2

              自動調節縱橫談——從入門到精通之二
              2:比例作用下的調節曲線

              假設被調量偏高時,調門應關小,即PID為負作用。在定值有一階躍擾動時,調節器輸入偏差為-e。此時Tout 也應有一階躍量e ·1 / δ),然后被調量不變。經過一個滯后期t2,被調量開始響應Tout。因為被調量增加,Tout也開始降低。一直到t4時刻,被調量開始回復時,Tout才開始升高。兩曲線雖然波動相反,但是圖形如果反轉,就可以看出是相似形。

               

              一般來說,積分作用往往被初學者過度重視。因為積分作用造成的超調往往被誤讀為比例作用的不當。

              而對于一個很有經驗的整定高手來說,在一些特殊情況況下,積分作用往往又被過度漠視。因為按照常理,有經驗的人往往充分理解積分作用對靜態偏差的作用,可是對于積分作用特殊情況下的靈活運用,卻反而不容易變通。

              以前看史書,毛澤東曾指著鄧小平對一個蘇聯人說:瞧見那個小個子了沒有?這個人很了不起,既有原則性,又有靈活性。

              瞧見沒有,最高明的政治家們都注重原則性和靈活性之間的微妙的關系,咱們搞自動的,實際上也離不開原則性和靈活性啊。

              當然了,對于一般的初學者,還不到感悟靈活性的時候。初學者只有老老實實先把原則掌握再說。靈活性是建立在原則的基礎之上的。就如同現實生活中一樣,沒有原則的靈活是什么?老滑頭。

              什么時候才可以靈活?等你能夠徹底解讀調節曲線,并能夠迅速判斷參數大小的時候,才可以稍微嘗試了解靈活性。千萬不要?;^哦。

               

              2-6              比例積分微分作用的特征曲線分析

               

              2-7              整定參數的幾個原則

              大家看過百家講壇里面王廣雄教授講自動調節系統么?我沒有看過,很遺憾。不過我聽別人說王教授這么說自動調節系統:她里面處處閃爍著哲學的光輝。這個光輝我也經常感覺得到。并且我覺得,似乎它不僅僅是一門技術,而且還是一門藝術。因為對于一個復雜的自動調節系統,你永遠不能確定哪個參數是最好的。只要你愿意下功夫去整定,似乎總有更適合的參數等著你。而等到一個系統遇到了很復雜的大干擾的時候,一般情況下,你總想修改已經極其膨脹了的控制策略,效果雖有好轉,可總是難以適應各種工況,參數愈來愈多,整定愈來愈復雜??墒堑鹊侥隳骋惶焱蝗混`光一閃,想到一個新鮮思路的時候,你激動得恨不得馬上從床上爬下來要去應用,第二天你發現既不需要修改控制策略,應用效果又出奇的好的時候,你會感到一種藝術的成就感和滿足感。

              這就是自動調節系統的魅力。它需要你在各個問題、各個參數之間反復權衡,在靈活性和原則性之間思想游走,在全面和孤立之間合并分解。

              機械與權衡的變通、靈活性和原則性的關系前面已經說過了。下面還要說說全面和孤立的關系。對于一個復雜調節系統,既要全面看待一個系統,又要學會孤立看待一個系統。原則與靈活,全面與孤立,都是個辯證的問題。

              其實誰都知道要全面看待問題這個說法。要全面了解整個調節系統,要對工藝流程、測量回路、數據處理DCS或者PLC、控制調節過程、PID各個參數、操作器、伺服放大器、執行器、位置反饋、閥門線形等各個環節都要了解,出了問題才能夠快速準確的判斷。

              可是孤立分析問題這個提法,是不似有點新鮮?怎樣才算孤立看待問題?

              我們首先要把復雜的問題簡單化,簡單化有利于思路清晰。那么怎樣孤立簡化呢?

              1、 把串級調節系統孤立成兩個單回路。把主、副調隔離開來,先整定一個回路,再全面考慮;

              2、 至于先整定內回路還是先整定外回路,因系統而異。一般來說,對于調節周期長的系統可以先整定內回路。我們還可以手動調整系統穩定后,投入自動,先整定內回路;

              3、 把相互耦合的系統解耦為幾個獨立的系統,在穩態下,進行參數判斷。讓各個系統之間互不干擾,然后再考慮耦合;

              4、 P、I、D隔離開來。先去掉積分、微分作用,讓系統變為純比例調節方式。然后再考慮積分,然后再考慮微分。

              在學習觀察曲線的時候,要學會把問題簡單化,孤立看待系統;在分析問題的時候,要既能夠全面看待問題,也能夠孤立逐個分析。咱們下面討論如何整定參數的時候,也是先要把參數孤立起來看待的。

              以前曾經有一個化工的朋友說:自動調節系統哪有這么復雜?無非是一個PID,對其參數進行整定一番就可以了。我對他說:很不幸,你工作在一個簡單調節系統的環境下,你沒有真正接觸過復雜的自動調節系統。

              是的,火電廠自動調節系統要復雜些??上覜]有機會接觸更為復雜的自動調節系統,深為遺憾!至今為止,我所接觸到最復雜的自動調節系統,無非是火電廠的蒸汽溫度、汽包水位、蒸汽壓力,還有一個大雜燴——協調。至于脫硫方面的,都交給運行自行調節,懶得去管。

               

              2-8              整定比例帶

              有人說:很麻煩,我的調節系統不容易看到調節周期。哦,恭喜你,你的系統整定工作做得很好。

              不管是被調量還是調節輸出,其曲線都不應該有強烈的周期特征。

              曾經有個人跟我說:你看我的調節系統整定得多好,被調量的曲線簡直跟正弦波一樣好看。我回答說:不用問,調節輸出也跟正弦波一樣吧?他說是。那你的執行機構還不跟正弦波一樣不能歇著???這樣的調節系統的整定工作是不夠好的,還有優化空間的。

              自動調節的困難還在于:即使是很老練很在行的整定者,也不見得整定效果就很好。近兩年我見了一些自動調節的論文,有的論文中附有調節效果曲線。根據我的分析,有一些論文所表現的調節質量并不夠好,還有很大的參數優化空間。。

              有許多人看系統難以穩定,就認為是控制策略的問題,就去修改控制策略。最終使得控制策略龐大臃腫??刂撇呗杂纺[的不利后果有三個:

              1、 不利于檢查問題和整定參數,程序越復雜越不利;

              2、 容易出現編程錯誤甚至前后矛盾;

              3、 增加了系統負擔。DCS系統要求單機負荷率要低。DCS中,影響負荷率的最大因素就是模擬量運算。自動調節系統的模擬量運算最大。所以,臃腫的調節系統增加了系統負荷率。

              具體的論文就不說了。只說最近論壇上經常對給水三沖量調節系統發表質疑。我個人認為:給水三沖量自動調節系統是很完善很完美的,你之所以覺得不夠好,是因為你沒有把參數整定好。如果你不認可,我給你整定,保證能讓你的系統在經典的三沖量調節系統下,運行得很好。

              所以能夠通過整定參數解決的問題,最好不通過控制策略來解決。所以,就要求我們廣大的自動調節工作者,在整定參數方面打好基本功。

              我說過,我感到整定參數不僅僅是一門技術,而且像一門藝術。因為“藝無止境”。

              2-9 整定積分時間

              前面咱們已經說過,積分作用最容易被人誤解。一個初學者往往過分注重積分作用,一個整定好手往往又漠視積分作用。咱們先對初學者說怎么認識積分作用。

              對于主調來說,主調的目的就是為了消除靜態偏差。如果能夠消除靜態偏差,積分作用就可以盡量的小。

              在整定比例作用的時候,積分作用先取消。比例作用整定好的時候,就需要逐漸加強積分作用,直到消除靜差為止。

              我們需要注意的是:一般情況下,如果比例參數設置不合理,那么靜差也往往難以消除。在沒有設置好比例作用的時候,初學者往往以為是積分作用不夠強,就一再加強比例作用,結果造成了積分的干擾。

              那么積分作用設置多少合理?咱們還要拐回頭,看第2-5節。為了查看方便,我重新把圖5粘貼過來。

              這個區域叫做積分拐點。

              積分拐點這個概念很重要,輸出的拐點不能比積分拐點更靠后

              為什么積分要這么弱?

              當被調量回調的時候(t5時刻),說明調節器讓執行機構發揮了調節作用,此時調節機構的開度足以控制被調量不會偏差更大,為了消除靜態偏差,可以保持這個開度,或者讓執行機構稍微繼續動作一點即可。如果此時被調量回調迅速,則說明執行機構的調節已經過量,那么必須也要讓執行機構回調,執行機構的回調是怎樣產生的?是比例作用克服了積分作用而產生的,是比例和積分的疊加:Tout(δ)+Tout(i)。而此時Tout(δ)Tout(i)所調節的方向是不一樣的,一個為正,一個為負。

              從上面的敘述,我們還可以驗證前面的一個推理:積分作用和比例作用是相對的。當比例作用強的時候,積分也可以隨之增強;比例作用弱的時候,積分也必須隨之下調。積分作用只是輔助比例作用進行調節,它僅僅是為了消除靜態偏差。

              還是那句話:搞自動的要善于靈活處理問題,一方面要把握原則,一方面要有靈活性。切不可因為剛才調好了積分作用,就把積分參數固定死再也不變了。積分作用設置的關鍵在于t6的位置,要記?。翰荒艹^積分拐點。

              對于積分作用在特殊情況下的妙用,下一章會提到。咱現在還是牢牢掌握原則吧。 

              2-10          整定微分作用

              微分作用比較容易判斷,那就是PID輸出“毛刺”過多。

              一般來說,微分作用包含兩個參數:微分增益和微分時間。實際微分環節在前面已經說過。圖4就是實際應用中的微分環節。

              其實理想的微分環節并不是這樣的。當階躍擾動來臨的時候,理想微分環節帶來的調節輸出是無窮大的。如下圖所示:

              自動調節縱橫談——從入門到精通之二
              理想微分環節 

              為了工程應用方便,人們設計了實際微分環節。微分的目的許多人都知道:它具有超前調節的功能。

              微分為什么具有超前調節作用?

              1、波動來臨時,不管波動的幅度有多大,只要波動的速度夠大,調節器就會令輸出大幅度調整。也就是說,波動即將來臨的時候,波動的征兆就是被調量的曲線開始上升。對于比例和積分作用來說,開始上升不意味著大幅度調節;對于微分作用來說,開始上升就意味著調節進行了,因為“開始”的時候,如果速度上去了,輸出就可以有一個大幅度的調整。這是超前調節的作用之一。見圖6T8時刻。

              2、波動結束后,如果調節器調節合理,一般被調量經過一個靜止期后,還會稍微回調一點。在被調量處于靜止期間,因為微分時間的作用,不等被調量回調,調節器首先回調。這是微分的超前作用之二。見圖6T7時刻。

              在微分增益增大的時候,一定要考慮到微分時間的調整。否則調節曲線上會有很多毛刺。毛刺直接影響到執行機構的頻繁動作,一般來說,它是有害的。

              好的調節效果,往往在調節曲線上是看不到毛刺的。只可以在輸出曲線上看到一個突出的陡升或者陡降。

              要合理利用微粉增益和微分時間的搭配,會取得很好的調節效果。

              有許多人牢牢記住了“微分的超前調節作用”,只要覺得系統不夠快,就會加微分。這是一種懶人的思維。系統快不快不能看表面現象,有許多系統往往是參數整定不好造成的震蕩。震蕩發生的時候,往往急得初學者恨不得馬上讓系統回調,不能馬上回調,就想到了微分。要記?。赫鹗幍漠a生可能與三個參數都有關。一定要認真判讀震蕩曲線的特征,分辨是那個因素造成的,然后對癥下藥才能夠抑制震蕩。

              還有一些人不管三七二十一,把所有的系統都使用比例積分微分。比例積分可以都使用,但有些系統使用微分是不恰當的。

              微分的使用條件有:

              1、 被調量是水位、氣壓、風壓的調節系統不宜使用微分。它們本身的數值容易受各種因素影響,即使穩定的系統,被調量也很難穩定在一個數值。微分作用會因為被調量的小波動,使得輸出大幅度來回動作,形成干擾,而且對執行機構也不利;

              2、 被調量有微小擾動的時候,要先消除擾動再使用微分。

              3、 系統有大遲延的情況下應使用微分。

              微分作用是最容易判斷的。但是對于一個熟練整定PID參數的人來說,怎樣充分發揮微分參數的“超前調節”作用,并且不增加對系統有害的干擾,仍舊是一個需要長久思考的問題。

              有的系統把微分作用分出調節器以外。比如火電廠主汽溫度控制,許多廠家用了“微分導前調節”。所謂的“微分導前”,就是把微分分出調節器,專門對溫度前饋量進行微分運算,然后把運算的結果疊加到PID的輸出,去控制執行機構。

              使用微分導前而不使用串級調節系統,有它特殊的地方。目前,許多人對于到底是用微分導前還是串級很迷惑,這個問題在下一章我們會講到。這里暫略不表。

               

              2-11          比例積分微分綜合整定 

              一個精通參數整定的人,在具體草整定參數的時候,要熟悉系統工藝原理,更要熟悉系統操作。對待一個復雜系統如何操作的問題,整定參數的人甚至比專業的運行操作員更知道怎么操作,比他們更熟練的進行手工干擾。因為只有我們知道怎樣操作是正確的,才能夠知道PID發出的指令是否正確的,才能夠知道怎樣修改PID參數。另外,運行操作員往往抱著一種急切的心理,看到被調量偏差大,恨不得一下子調正常。心情可以理解,往往偏離了正常的調節方法。我們除了要整定參數外,有時候還要擔負運行操作講解員的責任。雖然在整體系統上我們不如他們,但是具體操作上,我們的理解有比他們強的地方?;ハ鄿贤ú拍芄餐M步,才能搞好系統。

              同時,對于系統工藝操作的理解,對于實際發生的各種干擾問題,運行操作員又比我們更熟悉。所以,我們還要虛心向他們請教。系統發生了波動,到底是什么原因造成的?什么因素之干擾的主要因素?怎樣操作彌補?了解清楚之后,再加上我們的分析,才能得到最真實的資料。

              我們要記?。簻贤ㄊ请p向的。

              切入正題,說說綜合整定。

              假設有一個水池,上面一個進水管下面一個排水管。進水管的流量不大確定,有時候穩定,有時候有波動。我們要調節排水閥的開度來調整水池水位。

              自動調節縱橫談——從入門到精通之二

              如果水位高,我們要開排水閥放水。如果我們想要迅速平抑水位,那就要大開排水閥。大開排水閥造成水位急劇降低,這時候我們該怎么辦?水位急劇降低表明排水閥開過度了,也就是比例帶過小,水位急劇降低需要我們稍微關閉排水閥,否則水位按照目前降低的速度來看,有可能造成水位過低。那么,關閉排水閥屬于比例帶的調節作用。為什么?我們還記得么?比例作用趨勢圖的特征是:輸出曲線和被調量是相似形。我們這里調節器是正作用,那么水位急劇降低,我們的排水閥也應該急劇關閉。

              比例先生比較規矩,干事情循規蹈矩,他的行為準則是一切跟著偏差走。他總是看偏差的臉色行事,設定值不變的情況下,也就是看被調量的臉色了。被調量怎樣走,他就怎樣走,一點都不知道變通。太不浪漫了。

              我們這個系統還有積分作用存在。積分女士比較自私,眼光也短,比例作用總說她不顧全大局。她說:我不管你什么大局小節,只要偏差存在我就要一直積下去。

              問題出來了:水位急劇降低,需要稍微關閉排水閥才能抑制水位降低的速度,可是積分女士這時候因為偏差大,反而更加起勁的要開排水閥。頭疼!

              作為調節器統攬全局的你該怎么辦?你要權衡兩者的作用。水位急劇降低,說明了比例過強,你要批評比例先生,讓他再謹慎點,讓比例帶大點。積分小姐也別得意,你也有問題。你的問題在于不顧大局,水位都恁低了你還要開,你的積分時間也要大點。

              比例先生和積分小姐的意見一綜合疊加,決定:如果水位下降太慢,積分就再開點也無妨;如果下降得快,比例先生可要發揮作用;如果不算快也不算慢,兩個意見相加的結果抵消,喔,我也不知道該咋辦了,等形勢明朗了再決定,現在靜觀待變。

              水位急劇下降,你決定讓排水閥稍微關閉,水位下降勢頭得到抑制,水位保持在低于設定值的位置不變了,遲遲看不到水位變化,怎么辦?

              積分小姐,別矜持了,逐漸關閉些,一直等到水位達到目標才行。如果積分增益太小,你就需要增加積分增益了。

              積分小節慢吞吞的行使職責,這時候壞了!進水管突然搗蛋,進水閥門雖然沒有開,可是進水流量不知道為什么突然增加,眼看著水位蹭蹭蹭往上竄。

              急什么,比例,快點開,你要跟著水位的升高而升高。

              積分小姐也跟著使勁,因為這時候水位高于設定值了。

              正當大家手忙腳亂的調整的時候,突然進水閥流量又減小了,水位又急著降低!急得比例積分滿頭大汗,那個亂??!一邊抱怨:都怪那個搗蛋鬼進水流量,他一直折騰我們!

              對??!我要監視搗蛋鬼!把搗蛋鬼納入監聽,只要他增加,排水閥別管比例積分說什么,只管開——哦不——在比例積分的面子還是要給的,在他們命令的基礎上再額外增加一個開度!瞧,前饋是個好辦法。

              這時候我們的系統改變了,由一個司令部變成了兩個:串級調節系統誕生了。

              還有人說不。為了精兵簡政,不要后面的司令部,后面弄個加法塊咋樣?

              前面的司令部不答應,他不是不要權力,而是跟蹤讓他手忙腳亂。

              跟蹤為了告訴司令部現在前方部隊——閥門開到什么位置了。在司令部休息的時候(手動狀態),司令部掌握前方部隊的位置,一旦司令部工作起來(自動狀態),司令部只要告訴前方部隊在現在的位置上增加或者減少多少就可以了。

              可是因為司令部后面有個加法塊搗亂,司令部得到的始終是加后值。司令部由休息轉到工作的時候,就會出現工作失誤,一直循環疊加,會出問題的。

              所以還是要倆司令部的好。

              那個誰,第二個司令部,就不給你配備女秘書了。你別管水位高低,不要無差調節,你要積分也沒啥用。

              突然,前饋尖兵報告:等我知道消息已經晚了,水量已經大幅度波動了。

              這時候即使疊加了前饋調節,調節效果還是不明顯。要是能夠提前知道搗蛋鬼的動作就好了。前饋尖兵回答:進水管太孬了,前面幾十米彎彎曲曲,沒辦法設立監聽站。

              怎么辦呢?

              一旁有個詩人含酸帶醋的,幽幽的道:唉!漫漫長夜,悠悠我心。世無伯樂,沉吟至今……

              這個詩人叫做微分。

              抱歉,冷落微分很久了。

              把微分放在前饋尖兵上,效果馬上好轉。因為詩人有點神經質,前饋沒有波動的時候他趴著不動彈,一有波動他馬上就跳起來,嚇得司令部趕緊進行調節,擾動得到了有效的遏制。

              調節效果好了,第一司令部有意見了。他說:給我施加點壓力吧,我要上進,后面那個司令部就取消了,好么?

              可以取消了。因為我們看:微分這個詩人雖然浪漫,可是有點懶。前饋有變化的時候,他動作很積極,前饋不變的時候,他賴著不動了。

              運行操作員在投自動的時候,都是系統穩定的時候。這時候搗蛋鬼沒有搗蛋,微分詩人在發呆,前方司令部的跟蹤的結果就是排水閥的開度。

              這時候如果取消第二司令部,用加法塊,完全可以。詩人打盹的時候,第一司令部的命令沒有被篡改。

              恩,這就是微分導前調節系統。

              你一定對詩人刮目相看了吧?你想要微分發揮更大作用么?那你就給水位增加個微分試試?不行的。進水掉下來,砸到水池里,水位本來就上下波動,詩人這時候的神經質發作了,他讓你的司令部一刻不停的發布命令,讓排水閥忽關忽開。

              前敵執行官排水閥叫林彪,他向司令部打報告:這是在走弓背路,亂指揮,我建議更換司令,讓有能力的人來干,否則我就罷工!

              得!怪誰?怪你,怪你用人不當。自古哪有詩人當大任的?

              看明白了么?指揮可不簡單咧! 

              2-12          自動調節系統的質量指標

              教科書里說的指標早就忘了,相關規定里面說的指標也沒工夫細看。根據我的經驗,這幾個指標需要重視:

              1、衰減率:大約為0.75最好。好的自動調節系統,用俗話說“一大一小兩個波”最好。用數學方法表示出來,就是合適的衰減率。

              2、最大偏差:一個擾動來臨之后,經過調節,系統穩定后,被調量與設定值的最大偏差。一個整定好的穩定的調節系統,一般第一個波動最大,因為“一大一小兩個波”,后面就趨于穩定了。如果不能趨于穩定,也就是說不是穩態,那就談不上調節質量,也就無所謂最大偏差了。

              3、波動范圍:顧名思義,沒必要多說。實際運行中的調節系統,擾動因素是不斷存在的,因而被調量是不斷波動著的,所以波動范圍基本要達到一個區間。

              4、執行機構動作次數。動作次數決定了執行機構的壽命。這里說的執行機構不光包括執行器,還包括調節閥門。執行機構頻繁動作不光損壞執行器,還會讓閥門線性惡化。下一節會更加詳細的予以說明。

              5、穩定時間:階躍擾動后,被調量回到穩態所需要的時間。穩定時間決定了系統抑制干擾偶的速度。

               

              2-13          整定系統需要注意的幾個問題

              1、  執行機構動作次數:

              執行機構動作次數不能過頻,過頻則容易燒壞電機。動作次數與比例積分微分作用都有關系。一般來說,合適的比例帶使得系統波動較小,調節器的輸出波動也就小,執行器波動也少;積分的章節已經說過:如果輸入偏差不為零,積分作用就會讓輸出一直向一個方向積下去。積分過強的話,會讓執行器一次只動作一點,但是頻繁地一點點向一個方向動作;微分作用會讓執行器反復波動。

              一般來說,國產DKJ系列的執行器的電機耐堵轉特性較好,其它性能不一。電機在剛得電動作的時候,電流大約是正常運轉電流的5-10倍。電機頻繁動作很容易升溫,從而燒壞電機。另外對執行機構的傳動部件也有較大磨損。

              一般來說,不管對于直行程還是角行程,對于國產還是進口,對于智能還是簡單的執行器,動作次數不大于10/分鐘。對于一些進口執行器,尤其是日本的,次數還要減少。

              對于執行機構是變頻調節的(這里是說純變頻調節,而不是指執行機構采用變頻電機),可以讓參數快點,因為變頻器始終處于運行狀態。需要注意的是,變頻器轉速線性不能太陡,否則變頻器輸出電流大幅度變化,影響變頻壽命。

              2、  PID死區問題:

              為了減少執行器動作次數,一般都對PID調節器設置個死區。在±死區內,都認為輸入偏差為0。當超過死區后,輸入偏差才從0開始計算。死區可以有效減少執行器的動作次數。但是死區過大的話又帶來了新的問題:調節精度降低,對于一般的調節系統,不要求調節精度過高,精度高意義也不大。

              提高死區降低精度的同時,也會降低調節系統穩定性。因為它造成了調節滯后。這一點不大容易被人理解。附圖8表明了死區過帶大來的調節滯后。

              自動調節縱橫談——從入門到精通之二

              8:前半部分是死區過大帶來調節滯后,影響系統穩定性。后半部分降低了死區,調節效果馬上有了大幅度的好轉。

               

              對于串級調節系統,主調的死區可以降低甚至取消。設置副調的死區就可以降低執行機構的動作次數了。

              3、 裕度問題:

              調節系統要有一個合適的調節裕度。如果執行機構經常處于關閉或者開滿狀態,那么調節裕度就很小,調節質量就受到影響。一般來說——都無數個“一般來說”了,誰讓現場情況復雜,咱們不能把話說絕了呢——閥門在80%以上,流量已經達到最大,所以執行機構經常開度在80%也可以說裕度減小了。

              這里所說的閥門,包括了各種調節工質流量的機構,包括閥門、泵的調速部分等。在第三章中,咱們專門要說一下執行機構的種類。

              4、 通流量問題:

              調節閥門的孔徑都是經過嚴格計算的。不過也存在計算失誤的時候。通流量過大,執行機構稍微動作一點就可能發生超調;反之執行機構大幅度動作還不能抑制干擾。所以這個問題也是個重要問題。如果通流量不合適,有些系統甚至不可能穩定運行。

              自動調節縱橫談——從入門到精通之二

              9表明了通流量過小,輸出波動較大,系統難以達到理想穩態的現象。

              5、  空行程問題

              在一定的開度內,調節器輸出有變化,執行器也動作了,可是閥門流量沒變化,這屬于空行程問題??招谐逃惺菆绦衅洚a生的,也有法門產生的。一般的機構都存在這個問題??招谐桃话愣急容^小,可以忽略??墒侨绻^大,就不得不要重視這個問題了。

              解決空行程的辦法有很多,一般都在DCS內完成。當然,如果執行器和閥門能夠解決的,要以硬件解決為主。

              6、  線性問題

              一般來說閥門開度與流量的關系都成平滑的線性關系。這些線性關系包括直線型、等百分比型、拋物線型等。如果閥門使用時間長,或者閥門受到損傷,線性就會改變。線性問題可以有多種解決辦法,既有參數整定的,也有控制策略的。當然最根本的解決辦法在于對線性惡化的治理。如果是比較貴重的調速泵線性惡化,難以治理更換,那只好從調節系統尋找解決辦法了。

              還有個在火電廠中普遍存在的問題:減溫水調節閥的線性惡化。這基本上是個頑疾。因為減溫水調節閥動作頻繁,經常在完全關閉和打開之間反復波動,相當多的電廠減溫水閥門線性都很不好,而且還伴隨著空行程偏大。兩個問題加起來,給自動調節帶來很大的困難。

              在第三章中,咱們要專門談到,怎么從自動方面解決線性惡化問題。

              7、  耦合問題

              一個調節系統或者執行機構的調節,對另一個系統產生干擾互相干擾,或者是兩個調節系統間互為干擾,產生直接耦合。解耦的辦法是先整定主動干擾的調節系統,再整定被動系統。也可以在主動干擾的輸出乘以一個系數,作為被動干擾的前饋。

              還有一種間接耦合。這個現象在協調控制中比較明顯:負荷與汽壓的關系是互為耦合。解決問題的辦法有兩種:一種是互為修正前饋,這個解決辦法的應用比較普遍,效果不是太好;更有效的辦法是整定參數,效果要比前者優越得多,抗干擾能力也很大,可惜擅長此道的人太少。如果有人有這方面的意愿,可以找我聯系。

               

              上述的七個問題,真正能夠解決的不多。除下第三、四條無法用參數解決只能用參數緩解以外,其它問題都可以通過控制策略、甚至僅僅靠整定參數就可以解決。我說句這句話真正相信的人不多,可是我就是這樣解決的。衡量一個人整定參數的水平就是看能不能解決復雜問題。舉個例子:

              我公司鍋爐蒸發量430/小時。我們的給水執行器平均每2分鐘動作1次。

              一次發生意外,左側主汽門突然關閉,蒸汽流量瞬間下降100/小時,負荷由130MW下降到80mw,蒸汽壓力下降1MPa。而汽包水位自動沒有退出,波動范圍是-49mm~73mm,設定值是39mm。而我們的控制策略就是很簡單很普遍的三沖量調節系統,沒有做任何修改。圖8是當時的調節效果截圖:

              自動調節縱橫談——從入門到精通之二

              9:主汽流量大干擾下的汽包水位波動曲線

              所以,我始終認為:國內目前的自動調節系統,參數整定的空間相當大。如果這方面有想法的,可以聯系我,歡迎交流。   

              2-14          整定參數的幾個認識誤區

              1、 對微分的認識誤區

              認為微分就是超前調節,如果被調量或者測量值有滯后,就要加微分。微分是有超前調節的功能,但是微分作用有些地方不能用:測量值存在不間斷的微小波動的時候。尤其是水位、氣壓測量,波動始終存在,我們一直在考慮濾波呢,再加個微分,就會造成調節干擾。不如不要微分。

              2、 對積分的認識誤區

              有些人發現偏差就要調積分,偏差存在有可能是系統調節緩慢,比例作用也有可能影響,如果積分作用蓋過了比例作用,那么這個系統就很難穩定。

              咱們上面說過:初學者容易強調積分作用,熟練者容易忽略積分作用。不再贅述。

              3、 對耦合系統中,超前調節的認識誤區

              對于耦合系統,不管初學者熟練者都容易考慮一個捷徑:增加前饋調節。這個問題甚至搞自動控制的老手都容易犯,畢竟捷徑誰都想走。比如眾所周知的協調控制,經典控制法中,就有負荷和汽壓互為前饋的控制策略設計。這個方法也不為錯,但是更普適更好的方法是一種整定參數的思想,參數設置合理的話這個前饋畫蛇添足。

              要積極探討各種控制辦法。

              4、 反饋過強

              復雜調節系統中,前饋信號和反饋信號過強的話,會造成系統震蕩,所以調解過程中不僅僅要注意PID參數,還要注意反饋參數。

              尤其在汽包水位三沖量調節系統中,蒸汽流量和給水流量的信號都要經過系數處理。有些未經處理的系統,在負荷波動的時候,就要退掉自動,否則會發生震蕩的危險。

              5、 死搬標準,強調個別指標

              教科書里,自動調節系統需要關注的指標有很多。這些指標都有助于自動調節系統的整定。但是自動好不好,不要硬套指標。最應關注的有兩個指標:被調量波動范圍、執行機構動作次數,其他都不是最必要的。

              曾經有一次,我幫助一個電廠整定自動調節系統??煲Y束的時候,對方專工說:按照國家制定的自動調節系統調試標準,在多大干擾的情況下,系統恢復穩定的時間要小于若干分鐘。我說按照這個標準,調節系統可能會發生震蕩。對方說震蕩沒關系,只要能達到國家標準就可以。我重新整定系統后完全可以達到這個標準,可是再強調系統存在震蕩的可能——大干擾情況下難以穩定——半個月后,這個參數下,該執行器燒壞。

              6、 改變設定值以抑制超調

              頻繁改變設定值是干擾自動調節。尤其減溫水系統,沒有必要依靠改變設定值來抑制超調。那么什么情況下,需要人為干擾呢?

              在系統輸出長時間最大或者最小的時候,說明達到了積分飽和,需要退出系統,然后再投即可。

              頻繁改變設定值是干擾自動調節

              7、 主調快還是副調快?因系統而定,因參數而定。常規參數:主調的比例弱,積分強,以消除靜差;副調的比例強,積分弱,以消除干擾。不絕對。 

              2-15            趨勢讀定法整定口訣

              我發現大家都對口訣很鐘情。為了讓大家用起來熟練,我也弄個口訣:

              自動調節并不難,復雜系統化簡單。

              整定要練硬功夫,圖形特征看熟練。

              趨勢讀定三要素:設定被調和輸出。

              三個曲線放一起,然后曲線能判讀。

               

              積分微分先去掉,死區暫時也不要。

              比例曲線最簡單,被調、輸出一般般。

              頂點谷底同時刻,升降同時同拐點。

              波動周期都一樣,靜態偏差沒法辦。

              比例從弱漸調強,階躍響應記時間。

              時間放大十來倍,調節周期約在內。

              然后比例再加強,沒有周期才算對。

               

              靜差消除靠積分,能消靜差就算穩。

              不管被調升或降,輸出只管偏差存。

              輸入偏差等于零,輸出才會不積分。

              積分不可加太強,干擾調節成擾因。

              被調拐點零點間,輸出拐點仔細辨,

              積分拐點再靠前,既消靜差又不亂。

              (積分拐點——第2-9節整定積分時間里面講過,被調量回調的拐點,與被調量回調到設定值的點,兩個點的時刻相減,乘以三分之一,這一點叫做積分拐點。)

               

              微分分辨最容易,輸入偏差多注意。

              偏差不動微分死,偏差一動就積極。

              跳動之后自動回,微分時間管回歸。

              系統若有大延遲,微分超前最適宜。

              風壓水位易波動,微分作用要丟棄。

               

              比例積分和微分,曲線判讀特征真。

              如果不會看曲線,多看杖策行吟文

              綜合比較靈活用,盛極而衰來扼殺因

               

              2-16          其它先進自動控制方式

              PID調節誕生后,取得了很好的應用效果。PID調節迅速普及。但是,現實總是復雜的。它不像牛頓三大運動定律一樣,一旦發布,就會看到手邊所有的物質都遵循這個規律——除非你用顯微鏡才可得到的微觀世界,和用望遠鏡才能看清楚的宏觀星際。牛頓只是發現了他們活動的普遍規律。自動控制可不是這么簡單,工程應用中,總會冒出各種各樣的問題。我也不敢說,在電廠什么系統我都能快速解決。我只可以說能夠在較短時間內總結出規律,然后想辦法克服。

              為了適應各種復雜情況,自動調節的先驅們也在不斷的總結經驗,不斷的探索。

              1985年,1月,國際電氣與電子工程師學會(IEEE)在美國紐約召開了第一節智能控制學術會議,討論的主題是:智能控制的原理和系統結構。一般來說,這個會議,標志著現代控制理論的形成。

              會議至今將近25年了,某些理論還在探索發展階段,有的理論已經應用。

              自從維納創立控制論以后,自動調節理論經歷了兩個發展階段——經典控制理論和現代控制理論。而所謂的經典和現代的劃分也不是完全不變的?,F在所普遍應用的自動調節,已經在你不知道的時候的地方,加入了一些現代控制的理念和方法。有些現代控制理論已經“隨風潛入夜,潤物細無聲”了。

              比如最初,串級調節系統都算是“先進控制法”咧?,F在應用得很稀松了,也就取消了他的“先進”稱號。

              還有前饋,這些都不說了。同志們都在前進,這都算是普通帶平常了。

              還有如在PID的輸入進行平方運算、smith預估算法等等,方法很多,沒用過,不敢置評。

              以上這些都是在PID控制法下面的改進,不算是有全新的控制思想。下面介紹全新的控制思想: 

              2-17 先進控制思想

              科學發展現在這個水平,有許多方法或者產品,我們明明白白感受到了科技的力量。比如計算機、手機,比如自動調節系統。自動調節系統的發展過程中,我們往往感受不到他發展的速度。因為我們身在其中啊。有些所謂先進的控制思想,早就應用到我們生產實踐中了。

              比如說吧,離散控制。名字聽著似乎很時髦很先進。它的本質就是讓調節器的輸出不是一個固定的量。偏差變化了,調節器該怎么調節?調節器的最直接的輸出不是直接發出一個開度的量,而是發出一個在上一時刻的開度下改變多少的量。

              打個比方:水位測量范圍是50~150mm,比例帶為100,第一個周期檢測到水位是100mm,此時排水閥假設開度為50%。第二個檢測周期內,調節器檢測到當水位升高到101mm,此時調節器的輸出為:

              Tout= 50+(101-100) 1/δ

              投自動之前,調節器輸出始終跟蹤閥門開度。自打投自動的那一刻起,那一刻的閥門開度被記錄,以后下一時刻運算的值,在被記錄的值上累加,以后每一時刻都是累加上一時刻的值。

              應該說,現在所有的DCS都采用了這個方法。

              下面要認真介紹幾個先進控制思想:

              一、  神經網絡控制

              這個系統表述起來比較麻煩。也有人叫它神經元控制。

              他的成長也經歷過波折。

              20世紀40年代心理學家Mcculloch和數學家Pitts提出了形式神經元的數學模型,后來不斷補充完善。1969年他遭受了一個打擊:兩個數學家從數學上證明它有很大的局限性,甚至可以說是無解的。一下子弄得研究人員灰頭土腦的,都沒精神了。研究停頓下來。1982年有人用“能量函數”的概念拯救了神經網絡控制。一直到現在,該思想方法不斷取得進展。

              從上面的情況來看,有人說數學是一切學科的工具,這句話真不假。各種先進控制法從誕生到發展,都離不開數學的影子??稍蹅兯v的經典控制PID控制法,似乎與數學無關吧?不是的,息息相關。經典控制法其實完全離不開數學模型,本文前面之所以沒有很多數學的影子,是因為咱們是在別人建立模型的基礎之上的應用。包括下一章所要討論的電廠各個實際自動調節系統,都離不開當初數學模型的建立或者指導。還有些情況下,我們能夠給控制策略進行修改添加,能否成功,數學上都能夠找到依據。

              總的來說,神經網絡控制是模擬生物感知控制。它將每個信號進行加權運算和小信號切除后,進行層運算,最終多路輸出。并行計算、分步信息儲存、容錯能力強是它突出的優點。

              這東西在工程控制上的應用,有多大好處不好說,咱沒有具體實踐過。為了克服它的缺點,后來又產生了模糊神經網絡控制。簡言之,雜交優勢在工程上也是比較明顯的。

              二、  模糊控制

              在前面咱們提到過,騎自行車是模糊控制。什么叫做模糊控制呢?

              PID調節是精確調節,它清楚地知道調節的目標(設定值),和下達命令的大?。▓绦袡C構開度)。對于有些系統來說是很必要的。比如火電廠主汽溫度調節,我們需要盡可能高的溫度,以提高蒸汽的做功能力,增加熱效率;同時又不讓蒸汽溫度過高,蒸汽溫度過高管道就會變軟,耐壓就會降低,專業名詞叫做產生“高溫蠕變”。為了兼顧經濟性和安全性,咱們可以精確的給蒸汽溫度一個設定值,盡力讓溫度保持在這個設定值周圍。如果自動調節不好用,溫度波動大,設定值就要降低,防止溫度過高;如果自動調節效果好,設定值可以適當提高。所以,此類系統的設定值可以精確些。

              而有的系統不是這樣的。比如水位控制,高一點低一點都無所謂,誤差幾十毫米對系統影響不大??墒菍τ趥鹘y的PID控制,必須要有一個明確的設定值,超出設定值的波動都要進行調節。這樣就產生了調節浪費。還有的系統,在一定范圍內可以緩慢調節,超出一定范圍的時候需要急劇調節,這些問題,傳統的PID調節有它不太擅長的地方。模糊控制就是專門針對這種情況設計的。

              模糊控制誕生于1965年。創始人是美國的扎德教授(L.A.Zadeh)。老外把模糊控制叫做Fuzzy,最初咱們國家翻譯的時候,根據音譯也有人叫“乏晰控制”——缺乏明晰的控制。

              咱上高中時候學的集合論為模糊控制奠定了基礎。一聽集合論大家就應該明白一些東西,模糊控制就是人為地把采集到的清晰的數據模糊集合化,把控制目標模糊集合化,最終再把模糊化的東西清晰化去實現控制。夠費勁吧?實際中的模糊控制策略確實夠費勁的。

              在上世紀90年代的時候,我自己根據模糊控制的原理編輯了一個低加水位控制程序?;痣姀S熱控的人員都知道,低加水位控制應該算是最簡單的控制了。我把水位模糊化為安全區、調節區、危險區三個區域,又把水位波動的趨勢模糊化為緩慢、中速、急劇三個層次,再把輸出調節劃分為細調、勻調、大幅度調節三個階段,經過復雜的調節策略,最終實現了模糊控制。水位不高不低的時候,不調節;水位小波動也不調節;水位快速波動的時候快速調節;急劇波動的時候急劇調節。

              正當我在欣賞自己的成績的時候,突然發現:一個PID調節中,再簡單不過的調節系統,用模糊控制就需要至少7個參數,串級系統需要十幾個參數,控制策略又這么復雜,還不把人給累死??!這個參數是我自己整出來的,估計每個人整出來的也會不一樣。但是有一點是相同的:控制策略很復雜,調節參數又多。

              因為模糊控制對精細調節的優勢不明顯,后來又誕生了模糊+PID控制,精細的區域用PID調節,之外用模糊——繞了一個大彎,又回到了PID。當初…….

              如果說它對危險區域(大幅度偏離設定值)的控制有優點的話,那么前面咱們提過的PID輸入偏差加平方運算似乎也可以達到這個目的。

              恩,模糊控制有它的優點,可是它的缺點也太明顯了??刂撇呗院軓碗s。

               

              2-18再說智能控制

              可能是上面模糊控制的表述太簡單了,有些人對我的表述有異議。那么咱就進一步說一下:

              很簡單常用的一個例子:假如一個人頭上一根頭發都沒有,那么,毫無疑問他是一個禿子。如果這個人頭上只有一根頭發,我們仍舊可以堅決的認為他是禿子。如果有兩根呢?三根呢?哪怕有十根也是。我們就這么不斷問下去,有100根呢?……1000根呢?如果你沒有不耐煩的話,我相信你的底氣開始不夠充足了。

              那么到底有多少根頭發才不算禿子?低于多少根不是禿子?沒有人知道。我們的數學很難告訴我們這個問題。

              模糊數學建立起來后,這個問題開始被重視了。

              假如說我們的頭發大約有五十萬根吧,那么至少30萬根的時候,他還不是禿子。我們可以設定一個界限:30萬根不是禿子。他有三十萬根頭發的時候,是禿子的可能性為0。如果他有299999根頭發的時候,是禿子的可能性為1/30萬。這時候不管從現實中還是從數學上,他仍舊不是禿子。當這個可能性增加到10%左右的時候,我們會有點模糊的描述:那個人,頭發有點??;當這個可能性增加到20%左右的時候,我們會說他頭發微微有點禿;隨著可能性的增加,說他禿的人也在增加,模糊的表述也越來越少。當這個可能性增加到90%左右的時候,我們就可以說他禿了,雖然還有頭發,不多。

              模糊數學就是這樣,他把一個系統集合化。制定一個規則,然后判斷符合這個規則的相似度。

              我們騎自行車,目標值是一條路,而不是一條直線。只要在安全范圍,我們的控制就不需要大腦干預調節,而只需要穩定平衡。我們的目標只是一個模糊的范圍。

              模糊控制要把被調量模糊化,但不需要過細地判斷相似度。拿一個水池水位來說,我們可以制定一個規則,把水位分為超高、高、較高、中、較低、低、超低幾個區段;再把水位波動的趨勢分為甚快、快、較快、慢、停幾個區段,并區分趨勢的正負;把輸出分為超大幅度、大幅度、較大幅度、微小幾個區段。當水位處于中值、趨勢處于停頓的時候,不調節;當水位處于中值、趨勢緩慢變化的時候,也可以暫不調節;當水位處于較高、趨勢緩慢變化的時候,輸出一個微小調節兩就夠了;當水位處于中值、趨勢較快變化的時候,輸出進行叫大幅度調節……

              如上所述,我們需要制定一個控制規則表,然后制定參數判斷水位區段的界值、波動趨勢的界值、輸出幅度的界值。

              通過上面的描述我們可以看出,模糊控制的優點在于:

              1、 不需要精確的數學模型,只要合理的制定規則就可以了;

              2、 如果規則和參數制定合理,那么系統具有小偏差和靜差根據情況靈活調節、大偏差快速調節的效果。比單純的PID調節反應靈活且快速;

              3、 執行機構要么不動,要么一下子調節到位。

              模糊控制的復雜在于:

              1、 規則的制定要占用較大的精力;

              2、 參數(界值)過多,整定起來較為復雜;

              3、 雖然不需要精確的數學模型,但是我們在制定規則的時候,還要對系統相當的熟悉,知道什么情況下怎么調節。

              上面僅僅是一個簡單的單回路調節系統。如果讓我們來制定減溫水調節系統的規則,那么系統規則會變得更復雜,參數也會更多;制定一個三沖量調節系統,系統就更龐大。如果再加上與PID控制的結合,系統就顯得臃腫了。

              2-19 自動調節漫談

              科學和工程研究是無極限的。我上面的敘述僅僅是二十世紀九十年代的控制發展,后來的控制不光綜合了PID,還有自學習功能的研究?,F在自學習功能的調節器發展很快。今年我參加一個自動化會議的時候,就有公司推廣他們的外掛PID參數整定和自學習系統了。

               

              自動調節的發展歷程,不光是數學、生物、電子、工程、測量等科學和技術的發展,還是一個仿生技術的發展。尤其是二十世紀末期,仿生學日益被重視。人們在研究自動控制的時候,也不斷的研究參考仿生原理,取得了不可忽視的成果。前面所說的神經網絡控制就是仿生學成就之一。

              我們的自動調節取得了巨大成就,可以說,在工程控制領域,幾乎“無所不控”。但是我們的自動調節還有很長的路需要走。舉個簡單的例子:騎自行車就是一個很復雜很高超的自動調節系統。它不僅僅包含了模糊控制和PID控制原理,還包含了自學習、變參數的方法。并且在一些復雜場所,甚至新環境下,還包含了改變控制策略、改變控制方法、自動檢查控制策略和參數的功能。

              比如我們騎自行車。雖然說目標值是一個模糊的范圍,屬于模糊控制??墒俏覀冞€要做到讓自行車不倒,就需要我們時刻調節雙手的平衡。目標值的修改用大腦,雙手調節平衡屬于條件反射,用脊髓神經。

              當我們騎車調節平衡的時候,大腦不去干涉。當雙手調節平衡出現問題,或者路況突然改變,我們的大腦就要接管條件反射,進行干預調節。在干預調節的同時,我們的條件反射并不完全解除控制,而是大腦一邊思考控制策略是否需要修改,一邊考慮已經固化到脊髓神經的PID參數是否需要整定,一邊還依賴條件反射進行微調。當這個復雜路況反復走過,大腦制定了新的控制策略、熟悉了新的PID參數,并發現新的東西能夠適應這個路況后,反復走幾次這個路,這個新的控制方式就被固化到脊髓神經,從而也變成了條件反射,再走這條路,基本不用大腦干預了。

              從上面對騎自行車的控制的敘述我們可以發現:對于仿生學來說,我們的工程自動調節系統還顯得太簡單。至少對一個調節系統來說,我們的研究還不能做到自動確認到底多大的參數能夠穩定運行。上海一個教授叫張衛東,他曾經發表一篇論文,闡述了對于一個系統采用多大范圍的參數可以讓系統穩定運行。

              以前看一個文章,說我國某研究機構研究多自由度的平衡問題。比如手指上直立一根筷子,移動手指讓筷子不倒,這也是一個調節系統。那個研究機構可以做到在二維空間內(即左右方向上)再疊加一個筷子,讓筷子不倒。這就是一個更高級的調節系統。前些日子南方一個大學生就跟我探討過倒立擺的控制問題,估計就是那項研究的簡單應用。

              通過看電視新聞,我很贊嘆日本的自動調節水平。他們的機器人可以直立行走做復雜的動作,我認為這里面同樣也反映了日本自動調節的發展水平。

              2000年的時候,美國的Nature一期雜志上,報道了美國麻省理工學院和杜克大學的科學家,利用猴腦遙控指揮1000多公里以外的機器人運行的研究成果。下圖就是這項試驗的示意圖:

              他們研究了猴子的大腦活動規律,對猴子的大腦幾個區域進行重點研究。它們把電極分別植入兩個猴子的大腦里,其中在一只猴子腦部的6個區域植入了96個電極,在另一只猴子大腦的2個區域植入了32個電極。電極通過導線傳輸信號,經過處理后,控制兩個機器人運動。

              電腦研究了大腦是如何控制肢體動作的,識別出腦部神經指揮肢體動作的模式,然后把這些模式轉換為指令。實驗結果表明:機器人的手臂活動基本與猴子的肢體活動一致。只是植入電極多的猴子,“指揮”機器人的手臂動作要更好一點。

              自動調節縱橫談——從入門到精通之二

              通過此項研究,我們可以看到人類掌握動物大腦活動規律的研究深度。

               

              對于將來的系統調節,我還設想:把最簡單的成熟的調節系統固化起來,我們只考慮復雜和意外情況下怎樣修改策略,怎樣整定參數。就好像一個社會,復雜情況下領導只考慮制定策略,越往基層,做的事情越繁雜;正常情況下,領導只做選擇題。

              我相信:在若干年后的將來,像我們這些專門維護調節系統整定參數的人將會失業,或著干別的事情。因為將來的自動調節已經發展到相當完備,一切電腦都可以幫我們解決了。這一天終將到來,否則機器人的高級智慧只能是空想。終將有一天,我們人腦能夠做到的事情,電腦必將也能夠做到。我們人腦所做的都是選擇題:面對新的情況我們選擇哪種策略。

              這一切,很可惜,與我們無緣。無論是研究還是應用。要實現這一切,跟自動發展的歷程一樣,需要無數科學家的心血。

               回到現實。

              05年的時候,我見到了自動專家張鼎燕老師。向他請教當前眼花繚亂的先進控制的優缺點。他說先進控制,尤其是模糊控制,日本研究比較好,應用的也多。他曾經跟一個日本控制專家討論:模糊控制和傳統控制比起來,優越性是PID不可替代的么?日本專家回答:最終還是離不開傳統的PID控制的。

               

              2-20 電腦作詩機

              人們在進行科學研究的時候,總是不斷返躬自身。一直以來,仿生學和人工智能的發展始終被科學家們占領著指引著,普通的人們很難對科學有什么特殊的貢獻。

              終于,這個傳統被打破了。

              我認為,電腦作詩機可以算是平民對仿生學和人工智能的一大挑戰??茖W家們對仿生學和人工智能的貢獻一直是在科學領域的,而電腦作詩機則把仿生學和人工智能推向了美學領域。

              當網絡在中國突然興起的時候,一大群詩詞愛好者突然發現了一個極其理想的交流陣地:QQ聊天室。通過QQ聊天室,廣大的詩詞愛好者們互相交流,互相促進,可以說:騰訊聊天室對中國的古典文學平民化普及工作作出了卓越的貢獻。

              其中,有個善于鉆研程序的詩詞愛好者,用電腦做出了詩詞。這個人的網名叫做:稻香老農。

              稻香老農把詩詞的格律全部按照一定的程式程序化,并且還把韻譜、唐宋詩詞經常出現的字詞一起程序化,然后把所有收集的詞句分感情類化為程序。當你要作詩的時候,先選擇體裁,你是要做七言絕句呢,還是要做五言律詩,或者是要做那個詞牌的詞。然后再選擇韻腳、句式,然后再選擇主題。最終電腦根據你選擇的題材主題,做出詩來。

              這個程序是嚴格按照格律和韻府作詩,所以做出的詩念起來很有韻味。只是你只要稍作推敲,就會發現其意向、邏輯很有問題的。

              但是不管怎樣,我們從中看到了古典詩詞的美?,F在把我用電腦作詩機做的幾首詩奉獻給大家:

               

              《君莫思歸》
              莫學香來兩鬢霜,孤梅又向門前望。
              縈回鄉思煙霞麗,迢遞歲陰印綬光。
              丹詔西林明劍戟,清風南陌見牛羊。
              朝來十日年光盡,再鼓清琴春調長。

               

              水調歌頭·歸航
              秋氣頻回首,空翠五十年。
              風涼欲夢更少,水寒壽如山。
              柳岸又疊葦霧,漫道休說絕色,清夜照嬋娟。
              江闊誦奇句,日暖獻公前。
              看紅葉,想白馬,叩長安。
              滿屋蒙塵,歌詠不比桅燈前。
              幾度鶯聲欲破,檀板閑敲一段,不是渚邊煙。
              仿佛坐來久,珠淚彤云邊。

               

              《自動化》
              法日蒲輪去似流,垂陰蜀地長悠悠。
              影分踴塔誰為掃,聲合穿廊自看修。
              采掇吟看新落葉,馨香醉聽最高樓。
              閑居水澹光風轉,萬世尋常秉燭游。

               

              《自動化》
              杳靄宮商伴老身,回丹盡室動人神。
              多君使我殷勤醉,競歷秋齋與廟鄰。

               

              《自動》
              退避芳容鎖澹愁,施朱暗淡一簾秋。
              久為散漫遮三徑,自到輕明謝九州。
              秋色嚴城先訪戴,寒潮華屋暫依劉。
              香羅個字赍秦本,醉眼敧斜灞水流。

               

              《調節》
              準擬巡檐雨意長,山田出沒繞通塘。
              離憂報道交回燭,處士舟還及歲芳。

               

              為了試試作詩機的能力,我還輸入了控制、反饋等詞作為主題。結果是:“存在20%的詞匯無法生成正確的關聯。您可以返回再試幾次?!?/span>

              電腦作詩機目前僅僅被詩詞愛好者作為一個新奇的玩意兒??墒俏艺J為:這是仿生學和人工智能,在美學領域的一個有趣有意義的嘗試。也許有一天,我們會重新審視它的作用的。下面我給出稻香老農的電腦作詩機鏈接,有興趣的可以去看看:

              http://www.poeming.com

               PID調節方法表述這么的簡單,應用范圍這么的廣,調節效果又非常的好,她幾乎深入到了工程控制的犄角旮旯,目前沒有任何一種方法可以完全替代它。她又是那么的迷人,她的臉龐誰都能看到,似乎觸手可及,真要觸摸一下卻需要你費盡心機;她的思想一目了然,真要深刻領會卻需要你去仔細研究探討。她深邃的眼神在看著你,你想擁有她么?你想了解她思想么?只要得到了她,在工程控制領域你幾乎可以所向披靡。她是小姑娘,她的心思需要你耐心的琢磨;她是女神,她有著深刻的魅力;她是電腦游戲,可以吸引著你離不開她;她是通向成功控制的加權值,加權值等于……你想要多少?

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