廖老师-我和PID控制.doc

我和PID控制之一：初遇PID控制器 2013-03-07
我和PID控制已打了几十年的交道，最初我只是个对PID控制器一无所知的超级菜鸟，曾被PID控制器搞得痛苦万分。后来在工程实际和教学中逐渐理解了PID控制，悟出了一些道理，总结出了一些实用的PLC控制器参数调节的规则，和用模拟的闭环控制系统学习整定PID控制器参数的方法。
我将陆续写一些我和PID控制的故事。
40多年前，我所在的企业有一条当时的“高科技”设备，也是厂里的关键设备。其主电机是100KW的直流电机，采用交、直流发电机组，用单相可控硅控制直流发电机的励磁电流，以此调节直流电动机的电压，使用了PI转速闭环控制。这台设备当时经常出故障，厂里只有一个50多岁的工程师，经常请外单位的人来修。我虽然是学机械的，但是对电子、电气很感兴趣，通过这台设备走上了自动控制之路。
当时我国的电子元器件的水平很低，使用的是分立元件组成的直流放大器来做PI控制器。电子元件经常出问题。经过一段时间的摸索，我能处理一般的故障，保证设备的正常运行。
因为文化DAGEMING，我实际上只念了两年大学，连非电专业的电工学这门课都没有上过。当时除了写给电工看的书，买不到其他书籍，也没有师傅可以请教，想学习也没有途径。
这台设备有时会出现转速不稳定的现象，转速叠加了一个幅度比较大的持续震荡的交流分量。这种故障的原因是什么，我是一无所知。我知道PI控制是一个闭环，以为是闭环中的某个元件出了问题，最可笑的是居然拆开过100KW的电动机来检查。
后来考上了电专业的研究生，算是正式改行了。读书期间旁听了本科生的自动控制原理，这才知道闭环控制还有这样多高深的学问。从这门课我知道，如果闭环系统的开环放大系数过大，将会使系统不稳定。我们厂的设备可以通过调节PI控制器的比例增益来调节开环放大系数。在学这门课期间刚好这台设备又出现了转速不稳定的故障，我用试电笔上的小螺丝刀拧了一下PI控制器使用的半可调电阻，将PI控制器的比例增益减小，不到一秒钟，这个故障就解除了。

我和PID控制之三：一台设备调试了一年 2013-03-20
留校任教后我参加了变频器的研制，我负责控制电路的设计、制作和调试。当时流行的是用晶闸管（可控硅）作换流元件的电流型变频器，将幅值可调的直流电压逆变为三相变频电源。控制系统采用的是基于运算放大器的PI控制器，有电流内环和转速外环。此外为了保证电压和频率之间的协调，还需要调节一些参数，因此需要整定的参数较多。开始还比较顺利，电动机很快就可以变频调速了。通过这个项目，我在杂志上发表了我的第一篇文章。
问题出在闭环控制的参数调节上。空载的时候还凑合，重载的时候出现不稳定的现象。负载加大后，电流表、电压表和转速表的指针左右摆动，振幅越来越大，最后晶闸管的快速熔断器熔断。快速熔断器的熔芯片据说是白银的，很贵。我们的经费很少，我只好想个土办法，用多股导线的细铜丝来代替快速熔断器，测量几安电流能熔断一根细铜丝后，决定需要几根，保护的效果还比较理想。但是控制器的参数老是调不好，断断续续调了一年左右。
现在想来，调试困难的原因一是因为参数较多，二是因为调试的经验不够。此外这种变频器本身的动态性能也大有问题，晶闸管是一种半可控的元件，需要靠逆变桥主电路中的电容器的充放电和二极管来关断逆变桥的晶闸管，因此变频器的主电路有较大的滞后特性。现在的变频器使用的是全控型的IGBT，就不存在这样的问题。
当时我参加了一个全国性的学术会议，发现国内正在研制这种变频器的几家高校都遇到了和我一样的问题，控制参数的调整非常困难。会议分组讨论时我们属于交流调速组，为此我们向控制理论组求救，他们也没什么办法。
后来去偷看了某个单位已经投入使用的同类变频器的参数，以这台设备的参数作为参考，最后才把我们的样机调试成功，可以带额定负载了。
后来我们又用当前流行的8位单板机和汇编语言来控制变频器，CPU的主频只有2 MHz，性能太差。最后可以变频调速，但是带负载不稳定的问题一直没有解决。
我和PID控制之五：闭环控制的难点可能在传感器和执行器 2013-04-15
对于一些非常规的、比较少见的控制系统，难点往往在于传感器和执行器。上述的双燃料发电机组保留了柴油发电机组控制柴油燃烧的机械调速器，用电子调速器通过自制的转阀控制天然气的流量。
该系统实际上是一个油门开度和转速的双闭环控制系统（见下图）。
机械调速器有一个齿条，其位置值与柴油机的油门开度有关。用位置传感器检测油门开度，对油门开度作闭环控制，就可以控制耗油量。位置控制器的输出作为电子调速器的给定值。
机组的转速由与电子调速器配套的转速传感器检测，转速传感器将机组转速转换为与转速成正比的电压信号反馈回电子调速器的输入端，与转速给定值进行比较后作为电子调节器的输入信号。转速传感器安装在发动机主轴上的大齿轮园周旁边。

现场强烈的震动，油污和潮湿使环境非常差，需要寻找一种价格便宜、可靠的位置传感器。通过多方比较，采用了电动调节阀内部的阀芯位置检测器。它使用差压变送器，对环境的适应性强，价格不贵，传感器和测量电路配套齐全，我们当地的生产厂家可以单独卖位置传感器和配套的测量电路。
电子调速器通过转阀来控制天然气的流量。转阀是甲方自制的，内外两个圆筒，它们的圆周面上沿着圆弧开了一个孔。内外圆筒相对转动时流过天然气的孔的面积改变。
可能与我早年搞过机械有关，我发现转阀与电字调速器的配合有问题。电字调速器的角位移执行机构的角度变化范围接近180度，但是转阀的转动角度很小，只有30多度，调速器的输出略有变化，就会导致转阀全开或全关。执行器看起来应该是机械工程师的事，但是如果处理不当，倒霉的是我们控制工程师。发现问题后，我建议机械工程师将转阀的旋转角度改为160度，消除了这个隐患。