本書結(jié)合作者多年的研究成果和實踐經(jīng)驗，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)計策略。書中首先介紹了PID控制器的基礎(chǔ)知識，包括過程控制基本原理、PID控制器發(fā)展簡史、PID參數(shù)影響分析、PID算法改進(jìn)等，之后結(jié)合實操案例重點講述了PID參數(shù)的Lambda整定方法，最后給出了串級控制、前饋控制、比值控制、超馳控制、分程控制和閥位控制等常見的復(fù)雜控制方案。
本書總結(jié)了被實踐廣泛證明的PID參數(shù)整定工程技術(shù)方法，有助于推動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)高年級本科生和研究生學(xué)習(xí)PID整定、工業(yè)自動化、智能控制的入門參考書。
PID控制器問世以來，因其結(jié)構(gòu)簡單、符合人們的操作經(jīng)驗且性能可靠而成為工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的生產(chǎn)過程控制技術(shù)。在過去的幾十年里，PID控制器由于結(jié)構(gòu)過于簡單并沒有引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，在控制方面的很多教科書中也沒有關(guān)于PID參數(shù)整定的詳細(xì)論述。工業(yè)現(xiàn)場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，因而對這方面知識的需求非常迫切，本書的撰寫就是為了滿足這一需求。本書通過總結(jié)工業(yè)實踐驗證的PID參數(shù)整定工程技術(shù)方法，推動PID參數(shù)整定工作的科學(xué)化和規(guī)范化，然后再通過多變量復(fù)雜控制方案的設(shè)計，提高工業(yè)自動化水平和控制資產(chǎn)的效能，提升裝置的效益和效率，為企業(yè)實現(xiàn)智能工廠打下堅實的基礎(chǔ)。
有關(guān)PID參數(shù)整定，國內(nèi)外已經(jīng)有大量研究，但是現(xiàn)場工程技術(shù)人員對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化水平不高，操作人員干預(yù)頻繁、過程報警高發(fā)。解決這個問題既有助于降低操作人員的勞動強度、提高勞動效率，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降低裝置的消耗，提高生產(chǎn)效益。我在工作中反復(fù)實踐，逐漸對PID參數(shù)整定和控制方案設(shè)計有了更深的認(rèn)識，基于這些認(rèn)識并結(jié)合現(xiàn)場實際工作中總結(jié)的經(jīng)驗，編寫了這本關(guān)于PID參數(shù)整定和復(fù)雜控制的書。
本書介紹了簡化、可重復(fù)用于分析過程動態(tài)、確定模型參數(shù)和控制器參數(shù)的過程，以及過程控制和PID控制器參數(shù)整定背后的技術(shù)和知識，包括基本術(shù)語、分析過程動態(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。通過本書的學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)摒棄常見的試湊法，通過具有物理意義的參數(shù)來定義控制器的預(yù)期性能，而不使用那些沒那么直觀的概念，從而實現(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)實際情況科學(xué)分析，實現(xiàn)安全和高效的PID控制器參數(shù)整定。
本書側(cè)重于PID控制器參數(shù)整定和復(fù)雜控制策略設(shè)計，沒有更多涉及儀表傳感器、最終控制元件等知識。為了方便更多非自控專業(yè)的工程師學(xué)習(xí)，本書沒有使用自動控制原理教科書中常用的傳遞函數(shù)和頻域知識，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。Lambda參數(shù)整定工程方法基于拉普拉斯變換的推導(dǎo)過程放到附錄中，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言說出來，是本書追求的目標(biāo)。
本書中的知識大多數(shù)人都知道，但是知道不等于掌握。學(xué)以致用，把知識轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱哪芰Σ攀钦莆�。知識不是力量，運用知識才是力量。要想提高裝置的自動化水平，就要對基本技能和基礎(chǔ)知識有更深刻的理解。PID參數(shù)整定能力和控制方案分析設(shè)計能力是關(guān)鍵。目前95%以上的過程控制回路還都是基于PID控制。
為了實現(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、線上和線下研討會、發(fā)布指導(dǎo)手冊、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整定助手開發(fā)、控制回路優(yōu)化項目實施等。出版相關(guān)書籍是我們努力實現(xiàn)PID整定大眾化的一部分工作。成書中有很多同行的觀點，感謝互侃PID公眾號和過控學(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)計的理論研究與應(yīng)用實踐中，一起推動裝置自動化和智能化的提高。獨行快，眾行遠(yuǎn)，希望我們一起多做對提高中國過程控制水平有意義的事情！
由于作者水平所限，書中定有不少不盡如人意之處，難免以偏概全。歡迎大家批評指正，希望本書對從事過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 全書構(gòu)成 7
2 過程控制基本原理 8
2.1 過程和過程控制 10
2.2 過程控制目的 12
2.2.1 安全第一 12
2.2.2 效益優(yōu)先 12
2.3 過程控制方式 14
2.3.1 開環(huán)控制 14
2.3.2 閉環(huán)控制 14
2.4 動態(tài)過程模型 16
2.4.1 過程階次 16
2.4.2 一階過程 17
2.4.3 高階過程 21
2.4.4 過程作用與控制器作用 23
2.5 過程類型 23
2.5.1 自衡過程 23
2.5.2 積分過程 24
2.5.3 過程類型的閉環(huán)判斷 26
2.6 控制系統(tǒng)性能評估 27
2.6.1 系統(tǒng)過渡過程評估 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 自衡對象特性參數(shù)對PID參數(shù)的影響 57
4.3.1 純滯后時間對控制性能的影響 58
4.3.2 模型特性對控制性能的影響 62
4.3.3 自衡對象純比例控制器整定方法 65
4.3.4 自衡對象比例積分控制器整定方法 66
4.4 自衡對象Lambda整定方法 68
4.4.1 自衡對象Lambda整定 69
4.4.2 自衡對象控制模型計算 70
4.4.3 自衡對象Lambda整定實例 72
4.5 積分對象Lambda整定方法 75
4.6 關(guān)于Lambda整定工程方法 80
5 PID參數(shù)整定實操 83
5.1 自衡對象響應(yīng)曲線分析 85
5.2 積分對象響應(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 串級控制 107
6.2.1 串級控制設(shè)計準(zhǔn)則 108
6.2.2 串級控制方案 109
6.2.3 串級控制特點 110
6.2.4 串級控制應(yīng)用 112
6.2.5 串級控制總結(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 手動前饋控制 116
6.3.3 自動前饋控制 117
6.3.4 前饋控制設(shè)計準(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)計案例 137
6.8.1 一個測量值兩個最終控制元件 139
6.8.2 兩個測量值一個最終控制元件 142
6.8.3 控制方案設(shè)計原則 145
6.9 結(jié)論 146
附錄 149
附錄1 Lambda整定方法推導(dǎo) 150
1．自衡對象Lambda整定方法推導(dǎo) 150
2．積分對象Lambda整定方法推導(dǎo) 153
3．積分對象純比例控制 154
4．積分對象比例積分控制 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整定方法的補充 162
參考文獻(xiàn) 164
后記 165
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