本書(shū)結(jié)合作者多年的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，深入講解了PID控制器參數(shù)整定方法和復(fù)雜控制方案設(shè)計(jì)策略。書(shū)中首先介紹了PID控制器的基礎(chǔ)知識(shí)，包括過(guò)程控制基本原理、PID控制器發(fā)展簡(jiǎn)史、PID參數(shù)影響分析、PID算法改進(jìn)等，之后結(jié)合實(shí)操案例重點(diǎn)講述了PID參數(shù)的Lambda整定方法，最后給出了串級(jí)控制、前饋控制、比值控制、超馳控制、分程控制和閥位控制等常見(jiàn)的復(fù)雜控制方案。
本書(shū)總結(jié)了被實(shí)踐廣泛證明的PID參數(shù)整定工程技術(shù)方法，有助于推動(dòng)PID參數(shù)整定工作的科學(xué)化和規(guī)范化，可供流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員閱讀使用，也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生學(xué)習(xí)PID整定、工業(yè)自動(dòng)化、智能控制的入門(mén)參考書(shū)。
PID控制器問(wèn)世以來(lái)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、符合人們的操作經(jīng)驗(yàn)且性能可靠而成為工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的生產(chǎn)過(guò)程控制技術(shù)。在過(guò)去的幾十年里，PID控制器由于結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單并沒(méi)有引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，在控制方面的很多教科書(shū)中也沒(méi)有關(guān)于PID參數(shù)整定的詳細(xì)論述。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)很多工程師不能嫻熟地進(jìn)行PID參數(shù)整定和復(fù)雜控制方案設(shè)計(jì)，因而對(duì)這方面知識(shí)的需求非常迫切，本書(shū)的撰寫(xiě)就是為了滿足這一需求。本書(shū)通過(guò)總結(jié)工業(yè)實(shí)踐驗(yàn)證的PID參數(shù)整定工程技術(shù)方法，推動(dòng)PID參數(shù)整定工作的科學(xué)化和規(guī)范化，然后再通過(guò)多變量復(fù)雜控制方案的設(shè)計(jì)，提高工業(yè)自動(dòng)化水平和控制資產(chǎn)的效能，提升裝置的效益和效率，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能工廠打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
有關(guān)PID參數(shù)整定，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量研究，但是現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員對(duì)PID參數(shù)整定技能掌握得仍然不夠深入，這造成很多工廠的自動(dòng)化水平不高，操作人員干預(yù)頻繁、過(guò)程報(bào)警高發(fā)。解決這個(gè)問(wèn)題既有助于降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，又能提高裝置的安全性和穩(wěn)定性，在產(chǎn)品一致性改善的同時(shí)降低裝置的消耗，提高生產(chǎn)效益。我在工作中反復(fù)實(shí)踐，逐漸對(duì)PID參數(shù)整定和控制方案設(shè)計(jì)有了更深的認(rèn)識(shí)，基于這些認(rèn)識(shí)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，編寫(xiě)了這本關(guān)于PID參數(shù)整定和復(fù)雜控制的書(shū)。
本書(shū)介紹了簡(jiǎn)化、可重復(fù)用于分析過(guò)程動(dòng)態(tài)、確定模型參數(shù)和控制器參數(shù)的過(guò)程，以及過(guò)程控制和PID控制器參數(shù)整定背后的技術(shù)和知識(shí)，包括基本術(shù)語(yǔ)、分析過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的步驟、確定控制模型與PID控制器參數(shù)的方法和復(fù)雜控制等。通過(guò)本書(shū)的學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)摒棄常見(jiàn)的試湊法，通過(guò)具有物理意義的參數(shù)來(lái)定義控制器的預(yù)期性能，而不使用那些沒(méi)那么直觀的概念，從而實(shí)現(xiàn)整定工作的科學(xué)化。根據(jù)這些基本原則，您可以進(jìn)一步研究并充分了解如何根據(jù)實(shí)際情況科學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)安全和高效的PID控制器參數(shù)整定。
本書(shū)側(cè)重于PID控制器參數(shù)整定和復(fù)雜控制策略設(shè)計(jì)，沒(méi)有更多涉及儀表傳感器、最終控制元件等知識(shí)。為了方便更多非自控專業(yè)的工程師學(xué)習(xí)，本書(shū)沒(méi)有使用自動(dòng)控制原理教科書(shū)中常用的傳遞函數(shù)和頻域知識(shí)，但是要想深入地理解Lambda參數(shù)整定工程方法，的確需要一些頻域的知識(shí)。Lambda參數(shù)整定工程方法基于拉普拉斯變換的推導(dǎo)過(guò)程放到附錄中，是希望不影響通篇的連續(xù)性。找到理論正確、適用范圍廣、易于理解、便于使用的整定方法并用工程師熟悉的語(yǔ)言說(shuō)出來(lái)，是本書(shū)追求的目標(biāo)。
本書(shū)中的知識(shí)大多數(shù)人都知道，但是知道不等于掌握。學(xué)以致用，把知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱哪芰Σ攀钦莆铡ＶR(shí)不是力量，運(yùn)用知識(shí)才是力量。要想提高裝置的自動(dòng)化水平，就要對(duì)基本技能和基礎(chǔ)知識(shí)有更深刻的理解。PID參數(shù)整定能力和控制方案分析設(shè)計(jì)能力是關(guān)鍵。目前95%以上的過(guò)程控制回路還都是基于PID控制。
為了實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)整定的科學(xué)化、系統(tǒng)化、規(guī)范化和工程化，我們采取了多種形式：公眾號(hào)、線上和線下研討會(huì)、發(fā)布指導(dǎo)手冊(cè)、發(fā)表科技論文、技術(shù)轉(zhuǎn)移和培訓(xùn)、軟件與微信小程序PID整定助手開(kāi)發(fā)、控制回路優(yōu)化項(xiàng)目實(shí)施等。出版相關(guān)書(shū)籍是我們努力實(shí)現(xiàn)PID整定大眾化的一部分工作。成書(shū)中有很多同行的觀點(diǎn)，感謝互侃PID公眾號(hào)和過(guò)控學(xué)苑微信群的各位老師、同仁的大力支持。真知即所以為行，不行不足謂之知；知是行之始，行是知之成；知是行之主意，行是知之功夫。歡迎大家都參與到PID參數(shù)整定和復(fù)雜控制方案設(shè)計(jì)的理論研究與應(yīng)用實(shí)踐中，一起推動(dòng)裝置自動(dòng)化和智能化的提高。獨(dú)行快，眾行遠(yuǎn)，希望我們一起多做對(duì)提高中國(guó)過(guò)程控制水平有意義的事情！
由于作者水平所限，書(shū)中定有不少不盡如人意之處，難免以偏概全。歡迎大家批評(píng)指正，希望本書(shū)對(duì)從事過(guò)程控制工作的工程師有所啟發(fā)。
馮少輝
1 概述 1
1.1 PID仿人智能控制器 4
1.2 復(fù)雜控制和先進(jìn)控制 5
1.3 全書(shū)構(gòu)成 7
2 過(guò)程控制基本原理 8
2.1 過(guò)程和過(guò)程控制 10
2.2 過(guò)程控制目的 12
2.2.1 安全第一 12
2.2.2 效益優(yōu)先 12
2.3 過(guò)程控制方式 14
2.3.1 開(kāi)環(huán)控制 14
2.3.2 閉環(huán)控制 14
2.4 動(dòng)態(tài)過(guò)程模型 16
2.4.1 過(guò)程階次 16
2.4.2 一階過(guò)程 17
2.4.3 高階過(guò)程 21
2.4.4 過(guò)程作用與控制器作用 23
2.5 過(guò)程類型 23
2.5.1 自衡過(guò)程 23
2.5.2 積分過(guò)程 24
2.5.3 過(guò)程類型的閉環(huán)判斷 26
2.6 控制系統(tǒng)性能評(píng)估 27
2.6.1 系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程評(píng)估 28
2.6.2 目視最優(yōu)閉環(huán)響應(yīng) 30
3 PID控制器 31
3.1 PID控制器發(fā)展簡(jiǎn)史 32
3.1.1 PID與飛球式調(diào)速器 33
3.1.2 從發(fā)明到創(chuàng)新 35
3.1.3 PID控制器大事記 37
3.2 PID參數(shù)影響分析 39
3.2.1 比例控制 40
3.2.2 積分控制 42
3.2.3 比例積分控制 43
3.2.4 微分控制 44
3.2.5 PID控制 45
3.3 PID算法改進(jìn) 46
3.3.1 PID的形式 46
3.3.2 兩自由度PID 49
3.3.3 不完全微分 51
3.3.4 積分飽和 51
3.3.5 變比例增益PID 52
4 Lambda整定方法 53
4.1 PID參數(shù)整定 54
4.2 整定的目標(biāo) 56
4.3 自衡對(duì)象特性參數(shù)對(duì)PID參數(shù)的影響 57
4.3.1 純滯后時(shí)間對(duì)控制性能的影響 58
4.3.2 模型特性對(duì)控制性能的影響 62
4.3.3 自衡對(duì)象純比例控制器整定方法 65
4.3.4 自衡對(duì)象比例積分控制器整定方法 66
4.4 自衡對(duì)象Lambda整定方法 68
4.4.1 自衡對(duì)象Lambda整定 69
4.4.2 自衡對(duì)象控制模型計(jì)算 70
4.4.3 自衡對(duì)象Lambda整定實(shí)例 72
4.5 積分對(duì)象Lambda整定方法 75
4.6 關(guān)于Lambda整定工程方法 80
5 PID參數(shù)整定實(shí)操 83
5.1 自衡對(duì)象響應(yīng)曲線分析 85
5.2 積分對(duì)象響應(yīng)曲線分析 87
5.3 控制回路振蕩的根源 88
5.4 PID參數(shù)整定實(shí)例 91
5.4.1 讀懂設(shè)定值階躍響應(yīng)曲線 91
5.4.2 流量控制回路PID參數(shù)整定 93
5.4.3 比例增益嚴(yán)重依賴于量程 95
5.4.4 液位控制誤區(qū) 96
5.5 PID參數(shù)整定新口訣 98
5.6 控制回路整定優(yōu)化流程 100
5.7 λ選擇準(zhǔn)則 104
6 復(fù)雜控制 105
6.1 概述 106
6.2 串級(jí)控制 107
6.2.1 串級(jí)控制設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 108
6.2.2 串級(jí)控制方案 109
6.2.3 串級(jí)控制特點(diǎn) 110
6.2.4 串級(jí)控制應(yīng)用 112
6.2.5 串級(jí)控制總結(jié) 113
6.3 前饋控制 115
6.3.1 前饋控制的應(yīng)用與定義 115
6.3.2 手動(dòng)前饋控制 116
6.3.3 自動(dòng)前饋控制 117
6.3.4 前饋控制設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 117
6.3.5 前饋-反饋聯(lián)合控制 119
6.4 比值控制 122
6.5 超馳控制 126
6.6 分程控制 129
6.7 閥位控制 132
6.7.1 閥位控制的選擇 135
6.7.2 閥位控制應(yīng)用 135
6.8 控制方案設(shè)計(jì)案例 137
6.8.1 一個(gè)測(cè)量值兩個(gè)最終控制元件 139
6.8.2 兩個(gè)測(cè)量值一個(gè)最終控制元件 142
6.8.3 控制方案設(shè)計(jì)原則 145
6.9 結(jié)論 146
附錄 149
附錄1 Lambda整定方法推導(dǎo) 150
1．自衡對(duì)象Lambda整定方法推導(dǎo) 150
2．積分對(duì)象Lambda整定方法推導(dǎo) 153
3．積分對(duì)象純比例控制 154
4．積分對(duì)象比例積分控制 155
附錄2 基于響應(yīng)曲線的控制模型辨識(shí)工程方法 156
附錄3 Lambda整定方法的頻域分析 159
附錄4 Lambda整定方法的補(bǔ)充 162
參考文獻(xiàn) 164
后記 165
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