由入门到精通——PID自动调节纵横谈

低。当出水泵开到一定地步，进出口流量相等的时候，水位保持平衡。可是这个时候因为积分的存在，积分使得泵以最大的速度继续开大，一直到水位等于设定值泵的流量才停止变化。而此时，出口流量又远大于进口流量，故此水位不能稳定，形成震荡。（实际叙述很麻烦，咱们这里虽然说了很多废话，可是总体来说还是比较简练的）

包括我上学时候学习的教材《热力过程自动化》（水利电力出版社1989年版），虽然没有明确说无自平衡能力的被控对象不能用积分作用，但是据其分析的情况来看，还是赞同前者的结论的。

这个描述存在两个问题：

1、 积分的速度与积分参数和输入偏差有关。进出口流量相等的时候不是水位偏差最大的时候，而是水位略微有所回调。所以此时泵的改变速度不是最大。

2、 如果比例积分设置参数合适，这个系统是个逐渐收敛的过程。在手动状态下，出水流量通过增加—降低的反复调节，最终水位可以稳定在任何一个值，而不是某一个特定值。那么比例、积分作用使得出水流量的反复波动，最终应该可以稳定，并且实现无差。

所以我认为，不管有无自平衡能力，都可以使用积分作用。只是有自平衡能力的调节对象的参数更容易整定，调节更容易稳定。

据我考察，许多电厂不管三七二十一，全部都加有积分作用，也都能稳定运行。

三、随动调节系统

有人曾经提过：电厂有一种随动调节系统，也就是自动投入时候只要在正常水位范围内，可以稳定在任何一个定值。我不清楚业内是 “随动调节系统”的提法的具体含义。但是根据上面的表述，“可以稳定在任何一个定值”的话，要实现这个功能很简单，就是去掉积分作用，用纯比例调节。因为纯比例调节没有消除静态偏差的功能，当然可以稳定在任何一个值了。

对于与随动调节系统，我想应该还有一种方式：设定值是经常变动的。这样的系统很多：火电厂的滑压运行方式，这个滑压就是压力需要平滑的波动，其设定值就应该是个波动的函数。还有在中调控制下的机炉协调（专业术语叫做AGC）的机组负荷设定值，应该也算是经常变动的。

电力行业之外，这种系统也很多。比如管道焊接中，为了消除热应力，需要对焊接点进行控制下降温度法，这个控制下降的温度设定值，就应该是经常变化的，甚至是用时间函数来确定的。

从这个意义上讲：设定值常变，有三种情况：

1、随便让它变不加控制；

2、是加以控制，根据时间或者其它情况，设定值做一个有规律的修改；

3、设定值是受其他因素控制的函数计算值。

四、对于系统耦合的解决办法

我们之所以专门介绍高低加调节系统，就是因为系统之间存在着耦合，而且这种状况在电厂中非常普遍。下图是一个电厂的低加系统耦合情况示意图。

#4低加的凝结水流入#5低加，#5低加的凝结水流入#6低加。对于#4低加来说，自动投入很简单，没有耦合，用一个简单的单回路调节系统足可以了。可是对于#5低加来说就不大好，因为它要接受#4低加来的凝结水。在有的系统中，上一级低加来的凝结水流量波动不太大，对本系统干扰不大。而如果上一级来的流量波动大，足以大幅度影响本系统的水位的时候，就必须要关注系统耦合了。

解决的办法前面已经说过，加一个前馈。可以对#4低加的输出增加一个流量测点。然后把此流量信号作为本系统的前馈。可是增加流量测点涉及到安装问题。如果用流量孔板测量，需要寻找一个数米长的直管段，拥挤的汽机空间不一定能够找到这么一个直管段；还需要投入一定的费用购买流量孔板和变送器。所以往往许多厂矿没有流量测量装置。那么，我们可以让#4低加输水的执行器反馈作为#5低加水位的前馈信号，虽然不太好，将就着用吧。控制策略原理框图如下：

也有人会说：前馈信号到底能带来多大干扰，需要对干扰情况进行调节的。这个问题在副调的PID调节器内就可以解决。修改比例带的大小就可以解决。不过也有很多的人倾向于给副调的测量值加上一个系数。也行。控制策略原理框图如下所示：

五、几个问题：

1、 为什么要用串级调节，而不能用单PID，在单PID的输出叠加前馈信号？

因为跟踪不好实现。具体道理，在第2-11节，《比例积分微分综合整定》里面咱们已经说过。

2、 死区的设定

前面讲过，死区的设置可以有效避免执行器的动作次数，提高执行器的寿命。但是死区设置过大，不但会影响调节系统的调节精度，而且会造成调节滞后，影响系统稳定性。下图就是死区过大影响系统稳定性的例子：

死区过大影响系统稳定性

那么，死区设置多少合适呢？一般来说，对于高低加系统，其总量程都在1000～2000mm之间，可以在设定值±10～20mm之内不运算。那么死区可以设置为：

10～20/(1000～2000)=0.5～2%

在一般的PID调节器内，死区往往是百分量。所以就可以省写为0.5～2。

如果实际整定过程中，还发现死区过大，可以设置更小。

3、 死区过大的判断

那么怎么判断调节系统是因为死区过大造成的不稳定？

很容易。我们可以观察被调量和输出的曲线。当死区存在的时候，输入偏差在死区以内，调节器的输出曲线是一条水平的直线。如果系统不稳定，并且水平直线过长，就可以判定为死区过大。

当被调量开始回调的时候，输出也跟着回调。可是回调到一定的地步，输出不变了，为什么？死区的存在所致。如果系统不能稳定，死区过大，死区的存在导致回调滞后，下一个回调的波峰推迟出现。如果系统能够稳定且波动较小，说明死区设置合理。合理的死区几乎不会造成回调滞后。

引起调节滞后的原因有很多种，最主要的是积分时间过小和死区过大。要注意二者之间的区别。

六、偏差报警与偏差切除

我们搞自动调节系统，目的就是为了让系统能够安全稳定运行。可是如果一旦出现意外，我们必须要有一个偏差报警和保护功能。

现在的调节系统已经比较完善，在调节器内往往都有偏差保护功能。

所谓的偏差保护，就是当调节器的输入偏差大到一定值的时候，要把自动切换到手动状态的功能。

如果调节器内没有这个功能，就需要我们在控制策略中添加该功能。

除了被调量与设定值的偏差保护外，还有个输出与反馈的偏差保护功能：当调节器的输出与执行机构的反馈大到一定值的时候，说明执行机构出现了故障，要么执行机构误动，要么拒动，或者反馈故障。发生这样的异常，也必须要把系统切除到手动状态。

切除到手动状态，一方面是保护系统不致出更大的问题；另一方面是提醒运行操作员，系统出现故障，需要手动干预；同时需要检查系统，消除缺陷。