PID高級復(fù)習(xí)資料

1、由入門到精通吃透PID版(原創(chuàng)連載)友情提示：承蒙網(wǎng)友的厚愛，見到有些網(wǎng)友把此帖轉(zhuǎn)帖，謝謝！希望大家在轉(zhuǎn)貼的時候注明作者：焦作華潤白志剛。目前，本文的最新版本已經(jīng)編輯完成，如果已經(jīng)轉(zhuǎn)貼的朋友，請按照最新版本修改。再次感謝！目錄第一章 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)展歷程1-1 中國古代的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)1-2 指南車的可行性分析1-3 沒有控制理論的世界1-4 負反饋1-5 控制論1-6 PID1-7 再說負反饋1-8 IEEE1-9 著作里程碑1-10 調(diào)節(jié)器1-11 再說PID1-12 怎樣投自動1-13 觀察哪些曲線第二章 吃透PID2-1 幾個基本概念2-2 P純比例作用趨勢圖的特征分析2-3 I 純積

2、分作用趨勢圖的特征分析2-4 D純微分作用趨勢圖的特征分析2-5 比例積分作用的趨勢特征分析2-6 比例積分微分作用的趨勢特征分析2-7 整定參數(shù)的幾個原則2-8 整定比例帶2-9 整定積分時間2-10 整定微分時間2-11 比例積分微分綜合整定2-12 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)2-13 整定系統(tǒng)需要注意的幾個問題2-14 整定參數(shù)的幾個認識的誤區(qū)2-15 趨勢讀定法整定口訣2-16 其它先進控制方法簡介2-17 先進控制思想2-18 再說智能控制2-19 自動調(diào)節(jié)漫談2-20 電腦作詩機第三章 火電廠自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)3-1 火電廠自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的普遍特點3-2 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)成3-3 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

3、的跟蹤3-4 高低加水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)一、基本控制策略二、自平衡能力三、隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)四、對于系統(tǒng)耦合的解決辦法五、幾個問題：六、偏差報警與偏差切除3-5 汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)一、任務(wù)與重要性二、鍋爐汽包三、虛假水位四、汽包水位的測量五、影響汽包水位測量波動的因素六、汽包供需平衡對汽包水位的影響七、制定控制策略八、捍衛(wèi)“經(jīng)典“九、正反作用與參數(shù)整定十、特殊問題的處理方法十一、變態(tài)調(diào)節(jié)十二、三取中還是三平均3-6 過熱器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)一、遲延與慣性二、重要性三、干擾因素四、一級減溫水調(diào)節(jié)系統(tǒng)五、導(dǎo)前微分自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)六、導(dǎo)前微分系統(tǒng)的參數(shù)整定七、串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)八、串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定九、修改控制策略，增加抑

4、制干擾能力十、變態(tài)調(diào)節(jié)方案3-6 主汽壓力一、重要性二、干擾因素三、直接能量平衡公式四、間接能量平衡五、控制策略六、參數(shù)整定3-7 協(xié)調(diào)一、重要性一、干擾因素二、機跟爐三、參數(shù)整定四、爐跟機五、參數(shù)整定六、負荷前饋七、壓力前饋八、耦合與解耦九、特殊解耦十、一次調(diào)頻十一、AGC3-8 磨煤機優(yōu)化燃燒緒言楊過出了一會神，再伸手去會第二柄劍，只提起數(shù)尺，嗆一聲，竟然脫手掉下，在石上一碰，火花四濺，不禁嚇了一跳。原來那劍黑黝黝的毫無異狀，卻是沉重之極，三尺多長的一把劍，重量竟自不下七八十斤，比之戰(zhàn)陣上最沉重的金刀大戟尤重數(shù)倍。楊過提起時如何想得到，出乎不意的手上一沉，便拿捏不住。于是再俯身會起，這次有

5、了防備，會起七八十斤的重物自是不當(dāng)一回事?？磩ο碌氖虝r，見兩行小字道：“重劍無鋒，大巧不工。四十歲前恃之橫行天下?！边^了良久，才放下重劍，去取第三柄劍，這一次又上了個當(dāng)。他只道這劍定然猶重前劍，因此提劍時力運左臂。那知拿在手卻輕飄飄的渾似無物，凝神一看，原來是柄木劍，年深日久，劍身劍柄均已腐朽，但見劍下的石刻道：“四十歲后，不滯于物，草木竹石均可為劍。自此精修，漸進于無劍勝有劍之境?！苯鹩构P下的一代大俠楊過，為什么會發(fā)生連續(xù)兩次發(fā)生拿劍失誤呢？原因很簡單，因為他沒有學(xué)過自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)?。】梢娮詣诱{(diào)節(jié)系統(tǒng)存在于生活的方方面面，何其平常，又何其重要！吹一下牛皮先。下面咱們就來說說自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它到

6、底是怎么回事，到底是誰先發(fā)現(xiàn)的，到底該怎么應(yīng)用。自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)說復(fù)雜其實也很簡單。其實每個人從生下來以后，就逐漸地從感性上掌握了自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。比方說桌子上放個物體，樣子像塊金屬，巴掌大小。你心里會覺得這個物體比較重，就用較大力量去拿，可是這個東西其實是海綿做的，外觀被加工成了金屬的樣子。手一下子“拿空了”，打住了鼻子。這是怎么回事？比例作用太強了。導(dǎo)致你的大腦發(fā)出指令，讓你的手輸出較大的力矩，導(dǎo)致“過調(diào)”。還是那個桌子，還放著一塊相同樣子的東西，這一次你會用較小的力量去拿。可是東西紋絲不動。怎么回事？原來這個東西確確實實是鋼鐵做的。剛才你調(diào)整小了比例作用，導(dǎo)致比例作用過弱。導(dǎo)致你的大腦發(fā)出指令，

7、命令你的手輸出較小的力矩，導(dǎo)致“欠調(diào)”。還是那個桌子，第三塊東西樣子跟前兩塊相同，這一次你一定會小心點了，開始力量比較小，感覺物體比較沉重了，再逐漸增加力量，最終順利拿起這個東西。為什么順利了呢？因為這時候你不僅使用了比例作用，還使用了積分作用，根據(jù)你使用的力量和物體重量之間的偏差，逐漸增加手的輸出力量，直到拿起物品以后，你增加力量的趨勢才得以停止。這三個物品被拿起來的過程，就是一個很好的整定自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)的過程。前面咱們說的楊過拿劍也是一個道理。當(dāng)他去拿第二柄劍的時候，心里已經(jīng)預(yù)設(shè)了比例帶，可惜比例帶有點大了，用的力量不夠，所以沒有拿起來。他第二次拿重劍，增強了比例作用，很容易就拿起來重劍

8、?？墒钱?dāng)他拿第三柄劍的時候，沒有根據(jù)被調(diào)節(jié)對象的情況進行修改，比例作用還是很大，可是被調(diào)量已經(jīng)很輕了，所以“力道”用過頭了。其實上面所說的例子不能算是一個連續(xù)的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。騎自行車可以說是一個高級復(fù)雜的自動調(diào)節(jié)。什么？你也會騎？恭喜你，你連模糊控制都會了！書歸正傳。很久以前，我覺得自動控制很難。老師給我找到了整定口訣，我還是迷迷瞪瞪的，不知道怎么應(yīng)用。不久后來，我覺得自動控制很簡單。說白了也就那么回事，夸張點說，中學(xué)生都可以掌握。相信你們都見過那個PID 整定口訣。不嫌麻煩，茲抄錄如下：參數(shù)整定找最佳， 從小到大順序查。先是比例后積分， 最后再把微分加。曲線振蕩很頻繁， 比例度盤要放大。曲線

9、漂浮繞大彎， 比例度盤往小扳。曲線偏離回復(fù)慢， 積分時間往下降。曲線波動周期長， 積分時間再加長。曲線振蕩頻率快， 先把微分降下來。動差大來波動慢， 微分時間應(yīng)加長。理想曲線兩個波， 前高后低四比一。一看二調(diào)多分析， 調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低。這個口訣對不對？我可以負責(zé)任的告訴你：對，現(xiàn)在審視一下，沒有一點錯誤?？墒?，對于當(dāng)初一個初學(xué)者的我，還是不能判斷怎么算繞大彎，怎么叫做快怎么叫做慢。也許是那時候我很傻？可能。不過我估計對于諸位讀者，到底怎么算快怎么算慢，也不見得幾個人能說徹底。好了，這個帖子里，最終我將要給你們個徹底的解答。解答之前，都先別急，我一點點給你們把事情的經(jīng)過說出來。遵循講故事的一般規(guī)律

10、，話說歷史.第一章 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)展歷程自文藝復(fù)興以來，科學(xué)家們被無數(shù)的科學(xué)成就鼓舞著，突破一個又一個難題，最終，充分揭示了能量、質(zhì)量、效率、運動之間的關(guān)系，并把們準(zhǔn)確概括為一個個美妙的公式。宇宙的神秘面紗通過這些公式，被慢慢的揭開了。有一門學(xué)科很神奇?！八耆蝗タ紤]能量，質(zhì)量和效率等因素”（錢學(xué)森工程控制論），在別的學(xué)科中，這些因素是必須被研究的。并且，雖然他不用考慮這些因素，卻完成了對這些因素的控制調(diào)節(jié)功能。如果說這個世界是艘船，那這門學(xué)科就是船舵，如果說這個世界是一輛車，那么這門學(xué)科就是車把。目前所有在從事這項工作和研究的人，卻不都知道自己有這么大的權(quán)力和力量。本文的前一部分，就是要

11、告訴你：你所從事的行業(yè)是多美偉大神奇。自豪吧，自動調(diào)節(jié)的工程師們。是的，這門學(xué)科就是自動調(diào)節(jié)，更多的人說是自動控制。為什么咱們說“調(diào)節(jié)”而不說“控制”，咱們慢慢感悟。自動調(diào)節(jié)，又稱自動控制，如今已經(jīng)涵蓋了社會生活的方方面面。在工程控制領(lǐng)域，理所應(yīng)當(dāng)?shù)膶儆趹?yīng)用最普遍的范疇，但是在生物、電子、機械、軍事等各個領(lǐng)域。甚至連政治經(jīng)濟領(lǐng)域，似乎也隱隱存在著自動控制的原理?？墒强疾熳詣涌刂频陌l(fā)展歷程，從公認的有著明確的控制系統(tǒng)產(chǎn)生的十九世紀(jì)以來，其歷史也就短短的一百多年。而自動控制理論誕生的明確的成熟的標(biāo)志控制論，其產(chǎn)生時間在1948 年，至今也不過60 余年的歷史。60 年來，尤其在工程控制領(lǐng)域，自動控

12、制得到了極其普遍的應(yīng)用，取得了輝煌的效果。毫不夸張地說：如果沒有自動控制，我們的社會就不可能發(fā)展到現(xiàn)在這個地步。1-1 中國古代的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)學(xué)術(shù)界曾經(jīng)對中國古代的自動調(diào)節(jié)機構(gòu)進行了發(fā)掘，認為中國古代也存在著一些符合自動調(diào)節(jié)規(guī)律的機構(gòu)。因而我們可以自豪的宣稱：中國古代有“自動裝置”（自動控制專家萬百五我國古代自動裝置的原理分析及其成就的探討，1965 年自動化學(xué)報）。1991 年萬百五他又補充新材料為中國大百科全書：自動控制與系統(tǒng)工程卷寫成新條目“我國古代自動裝置”。文中例舉：指南車是采用擾動補償原理的方向開環(huán)自動調(diào)整系統(tǒng)；銅壺滴漏計時裝置是采用非線性限制器的多級阻容濾波；浮子式閥門是用于銅壺

13、滴漏計時裝置中保持水位恒定的閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又用于飲酒速度自動調(diào)節(jié)器；記里鼓車是備有路程自動測量裝置的車；漏水轉(zhuǎn)渾天儀是天文表現(xiàn)儀器，采用仿真原理的水運渾象；候風(fēng)地動儀是觀測地震用的自動檢測儀器；水運儀象臺采用仿真原理演示或觀測天象的水力天文裝置，內(nèi)有樞輪轉(zhuǎn)速恒定系統(tǒng)采用內(nèi)部負反饋并進行自振蕩的系統(tǒng)。首先說，我們承認中國古代存在著自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)象。并對萬百五老師致以敬意?？墒侨绻凑者@樣朝自動理論上靠的話，那么我們甚至可以說張衡的地動儀也應(yīng)用到了自動調(diào)節(jié)小球的力學(xué)傳動有比例作用的影子；弩發(fā)射機構(gòu)也是比例作用中比例帶很小的機構(gòu)；中醫(yī)的望聞問切是對反饋的重視等等。所有這些都只是對于自動調(diào)節(jié)

14、原理的某一個側(cè)重點的應(yīng)用，它是不完整的，不能算的上是自動調(diào)節(jié)機構(gòu)的。我們公認的自動調(diào)節(jié)機構(gòu)的誕生，應(yīng)該是瓦特的蒸汽機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機構(gòu)（見下圖）。其中包含了自動調(diào)節(jié)的幾個必要條件：1) 輸出執(zhí)行機構(gòu)有效控制被調(diào)量；2) 被調(diào)量參與調(diào)節(jié)；3) 調(diào)節(jié)參數(shù)可以修改（修改小球的重量或者擺干的長度）。而我們目前所看到的中國古代自動調(diào)節(jié)例子都不能全部符合上述特征。有的情況只是跟自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中某一個特點有些類似。嚴格的說，他們不能算得上自動調(diào)節(jié)機構(gòu)同樣的道理，我們考察歐洲的自動發(fā)展歷程，也不能把水鐘等物品納入嚴格的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的范疇。1-2 指南車的可行性分析指南車據(jù)說黃帝時候就有了。崔豹古今注卷上：“作司南車以

15、示四方”后來，有歷史記載的張衡、馬均、祖沖之等人都造出了指南車。黃帝時期的指南車是什么樣子的，沒有留下記載。后來所造的指南車都聲稱“追修古法”（南齊書祖沖之傳），可是是否跟黃帝時候的司南車原理一致，沒有詳細的記載不好下結(jié)論。歷代所造的指南車也都沒有留下圖紙。我們現(xiàn)在所說的指南車原理，都是自己想當(dāng)然的設(shè)計。萬百五老師說指南車是采用擾動補償原理的方向開環(huán)自動調(diào)整系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)上不知名作者說“指南車使用了差動齒輪裝置”都是根據(jù)記載想象出來的。沒有切實的依據(jù)的。雖然如此，現(xiàn)代人不管根據(jù)什么原理，所復(fù)原的指南車，都有以下特征：1）蓄力拖動；2）車輪轉(zhuǎn)動，車輪將轉(zhuǎn)動的角度傳給指南機構(gòu)；3）齒輪傳動；4）機械制

16、造。那么，所有這種原理的指南車存在如下問題：1）指南車在行進過程中，不可避免的存在地面摩擦與輪軸傳動摩擦的矛盾。如果輪軸等一系列傳動摩擦大于車輪與地面摩擦的時候，就可能發(fā)生車輪停止轉(zhuǎn)動的情況。如果某一段地面較為光滑，就會發(fā)生指南車方向錯誤。黃帝時期，即使算是青銅時代，克服傳動摩擦的水平也不會很高，所以在黃帝時期，這種原理的指南車不會太可靠。何況中國傳統(tǒng)上講，輪轂軸承一般都采用木制，摩擦力很大。方向誤差會更大。而漢朝張衡以后，金屬制造工藝發(fā)展，這種原理的指南車會較為可靠。2)馬車帶動指南車在野外快速行走的時候，會產(chǎn)生較大顛簸，一旦車輪一側(cè)騰空，車輪旋轉(zhuǎn)雖有慣性，但是還會使得該側(cè)車輪變慢甚至停轉(zhuǎn)。

17、不管變慢還是停轉(zhuǎn)，都會使得指向誤差產(chǎn)生。3)當(dāng)時行軍打仗，人力已經(jīng)無法辨別方向，即使有大霧產(chǎn)生也說明行軍線路況較為復(fù)雜。而上述兩個問題的發(fā)生幾率不可忽視，而且會產(chǎn)生累加。作為行軍的指向工具，行駛了數(shù)百公里后，最終指南車將變得不可靠，不能作為指向工具。千軍萬馬的生命，甚至國家的命運，都寄托在這樣一個不可靠的指向工具上面，有點近于兒戲的感覺。綜上所述，除非我們更換更可靠的思路，否則這種靠車輪帶動、機械傳動的指向工具在行軍打仗中，基本不可信。所以，我更傾向于至少黃帝時期的指南車不靠機械傳動的思路。根據(jù)當(dāng)時發(fā)展?fàn)顩r，有可能是車上裝載磁鐵指向。雖然說黃帝時期還沒有被明確認為發(fā)明了指南針，但是偶然的發(fā)現(xiàn)被

18、應(yīng)用于實踐的可能性是存在的。而漢朝以后有了金屬零件的的指南車，只是作為新奇的構(gòu)想，或者皇帝儀仗的顯擺工具，采用機械傳動倒較為可信。1-3 沒有控制理論的世界雖然說人甚至連動物都是從生下來就在掌握自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并且在兒童時期就是一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的高手，可以應(yīng)付很復(fù)雜的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)了，那么我們國家5000 年的文明，就沒有發(fā)展出一條自動調(diào)節(jié)理論么？很遺憾地告訴您，沒有。這個問題在本章的附文中，咱們會專門探討。自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的理論，是針對工業(yè)過程的控制理論。以前我們國家沒有一個完整的工業(yè)結(jié)構(gòu)，所以幾乎不可能發(fā)展出一條自動調(diào)節(jié)理論的。即使是工業(yè)化很早了的歐美，真正完整的自動控制理論的確立，也是很晚時期的

19、事情了。咱先把理論的事情放到一邊，先說說是誰先弄出一套真正的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)品的吧。大家都知道蒸汽機是瓦特發(fā)明的?？墒菍嶋H上在此之前還有人在鉆研蒸汽推動技術(shù)。不嫌累贅的話，咱羅列一下研究蒸汽推動的歷史。沒有興趣的可以隔過不看。1606 年，意大利人波爾塔（公元15381615 年）在他撰寫的靈學(xué)三問中，論述了如何利用蒸汽產(chǎn)生壓力，使水槽中的液位升高。還闡述了如何利用水蒸汽的凝結(jié)產(chǎn)生吸力，使液位下降。在此之后，1615 年，法國斯科，1629 年，意大利布蘭卡，1654 年，德國發(fā)明家蓋里克，1680 年，荷蘭物理學(xué)家惠更斯，法國物理學(xué)家帕潘，隨后的英國軍事工程師托瑪斯沙弗瑞都先后進行了研究。這些

20、研究僅僅是初步探索階段，還用不到自動調(diào)節(jié)。年英國人托瑪斯紐考門（公元年）發(fā)明了可以連續(xù)工作的實用蒸汽機?？墒菫槭裁次覀兌颊f蒸汽機是瓦特發(fā)明的，不說是紐考門發(fā)明的呢？因為他的蒸汽機沒有轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速不能控制的話，后果可想而知。紐考門的蒸汽機因為無法控制，最終不能應(yīng)用。瓦特因為有了轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，蒸汽機轉(zhuǎn)速可以穩(wěn)定安全的被控制在合理范圍內(nèi)，瓦特的名字就被寫到了教科書上。那么瓦特是怎么實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制的呢？上圖就是瓦特的轉(zhuǎn)速控制的模型。蒸汽機的輸出軸通過幾個傳動部分，最終連接著兩個小球，連接小球的棍子的另一端固定。蒸汽機轉(zhuǎn)動的時候，傳動部分帶動兩個小球旋轉(zhuǎn)，小球因為離心力的原因張開，小球連桿帶動裝置控

21、制放汽閥。如果轉(zhuǎn)速過快，小球張開就大，放汽閥就開大，進汽減少，轉(zhuǎn)速就降低?？梢钥闯觯@是個正作用調(diào)節(jié)系統(tǒng)。雖然沒有任何電子元器件，可是它確確實實就是一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。雖然咱沒有資料表明它如何調(diào)節(jié)參數(shù)，可是咱可以想象影響調(diào)節(jié)參數(shù)的因素：小球的位置。小球越靠近連桿根部，抑制離心力的力量就越小，比例作用越大。瓦特發(fā)明了蒸汽機，瓦特又發(fā)明了轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)？我總是懷疑，這不應(yīng)該是一個人的功勞。一個人的能力再大，也不可能搞了這個又搞那個。很可能是一批人共同的成果，或者說，瓦特發(fā)明了主要的蒸汽機，其它的東西都寄到瓦特的名下了。不過史書里沒有說，咱就權(quán)且都當(dāng)成瓦特一個人的發(fā)明吧。從瓦特之后，工業(yè)革命的大門就打開

22、了。我們記住了瓦特，一部分原因就是：他有了可靠的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。否則，他的蒸汽機就沒有辦法控制，要么轉(zhuǎn)速過低，要么轉(zhuǎn)所過高造成危險事故。而瓦特之前的那些人的努力，一部分原因是因為他們沒有自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，我們要找到他們，大約要到大型圖書館某個積滿灰塵的角落里了。瓦特之后的一段時間內(nèi)，工業(yè)革命雖然發(fā)展迅速，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)也有了一個方法，可是他們沒有一個清晰的理論作指導(dǎo)，自動控制始終不能上一個臺階。我們搞自動的都知道，工業(yè)控制的對象千差萬別，我們不能夠都用瓦特的小球進行控制吧？這個理論指導(dǎo)直到二十世紀(jì)四十年代才誕生科學(xué)的發(fā)展有時候也真夠艱難的。直到1868 年，英國物理學(xué)家馬克斯威爾（J.C.Maxwel

23、l）研究了小球控制系統(tǒng)，用微分方程作為工具，討論了系統(tǒng)可能產(chǎn)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象。在他的論文“論調(diào)節(jié)器”中，指出穩(wěn)定性取決于特征方程的根是否具有負的實部。并給出了系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件。Maxwell 的工作開創(chuàng)了控制理論研究的先河。這是公認的第一篇研究自動控制的論文。（資料出自自動控制理論的早期發(fā)展歷史。作者王慶林，中國科學(xué)院自動化研究所）馬克斯威爾先生深刻認識到工業(yè)控制對控制理論的需要。因而他不僅自己對控制系統(tǒng)進行研究，而且鼓勵引導(dǎo)科學(xué)家們?nèi)ジ嚓P(guān)注自動理論的研究工作。估計馬克斯威爾先生是孤獨的，因為科學(xué)史上很久沒有發(fā)現(xiàn)別人突破他的研究成果。后來，他擔(dān)任了劍橋一個學(xué)會的評獎委員，這個獎每兩年評一次。在

24、他評獎的時候（1877 年），發(fā)現(xiàn)了一個自動控制的人才。我估計這時候老先生應(yīng)該額手相慶，大喊一聲我道不孤了！這個人就是Routh，我們中國人叫他勞斯。當(dāng)時勞斯先生的論文主題是“運動的穩(wěn)定性”。他解決了馬克斯威爾的一個關(guān)于五次以上多項式對于判定系統(tǒng)穩(wěn)定性的難題，最終勞斯獲得了最佳論文。后來，人們把這個判斷穩(wěn)定性方法，叫做勞斯判據(jù)。也許是當(dāng)時的科學(xué)交流還不夠發(fā)達，勞斯判據(jù)有些科學(xué)家竟然不知道。瑞典科學(xué)家胡爾維茨就不知道這個勞斯判據(jù)。1895 年，胡爾維茨先生為瑞士一個電廠的汽輪機設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)。這個胡爾位次也是個數(shù)學(xué)家，他研究問題的時候習(xí)慣于從數(shù)學(xué)角度考慮其可行性。結(jié)果他也跟勞斯一樣，根據(jù)多項式的系

25、數(shù)決定多項式的根是否具有負實部。而胡爾維茨這一次不是純理論研究，而是要解決火電廠的實際問題的，最后，胡爾維茨獲得了把控制理論應(yīng)用到實際控制的第一人的桂冠。后來我們還把這個穩(wěn)定性判據(jù)稱為勞斯胡爾維茨判據(jù)。理論實踐雙豐收??！我要是胡爾維茨，我也許該感謝當(dāng)時不發(fā)達的通訊。1892 年，俄羅斯數(shù)學(xué)力學(xué)家A.M.Lyapunov 發(fā)表了一篇博士論文，研究“運動穩(wěn)定性的一般問題”穩(wěn)定性，直到現(xiàn)在，始終是自動調(diào)節(jié)工作者關(guān)心的問題。通過科學(xué)家們的努力，人們基本上可以做到粗略地控制一個系統(tǒng)了。真要精細控制系統(tǒng)，人們還缺少一個重要的認識：信息的采納。據(jù)說這個認識也來源于一個小小的傳奇，跟牛頓看見蘋果發(fā)現(xiàn)了萬有引力

26、差不多。1-4 負反饋一切事物的發(fā)展都有著清晰的脈絡(luò)的，控制論也是這樣。直到20 世紀(jì)中葉，工業(yè)控制首先要解決的，就是怎么能夠穩(wěn)定的讓系統(tǒng)進行控制工作。所以科學(xué)家們更多考慮的，是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。20 世紀(jì)3040 年代，人們開始發(fā)現(xiàn)控制信息的重要。比較傳奇的故事，是講述一個叫做哈羅德.布萊克（Harold Black）的人。布萊克當(dāng)時才29 歲，電子工程專業(yè)畢業(yè)六年來，在西部電子公司工程部工作。西部電子公司我們知道的人不多，可是提起貝爾實驗室（BellLabs）來，可能許多人都知道。在1925 年，貝爾實驗室成立，這個工程部成為貝爾實驗室的核心。當(dāng)時他在研究電子管放大器的失真和不穩(wěn)定問題。怎

27、樣控制放大器震蕩，始終解決不好。1928 年8 月的一天，布萊克早上上班，可能是必須要坐輪渡。他坐在船上還在思索這個問題，突然靈感來臨，想到了抑制反饋的辦法，也許可以用犧牲一定的放大倍數(shù)來解決，具體的解決辦法，就是用負反饋來抑制震蕩。為了捕捉住這個靈感，布萊克抓住手邊的一份報紙，寫下了這個想法。為了記住這個具有天才想法的一刻，貝爾實驗室保存了這個報紙，這個報紙的名字叫紐約時報。為了記住這個當(dāng)時具有天才想法的一刻，我們也說一下那條河，叫做胡森河（Hudson），那條船叫做Lackawanna Ferry，太鳥嘴，就不翻譯了。 現(xiàn)在我們都知道了，要想讓一個放大器穩(wěn)定，需要用到負反饋。布萊克和同事們

28、后來向?qū)＠痔岢隽丝偣?2 頁一百多項的專利申請，當(dāng)時美國的專利局可能也有點官僚，也許是看這么多理論不好判斷。專利局的人遲遲沒有通過這個申請。布萊克先生望穿秋水不見通過，就繼續(xù)研究負反饋放大器的電路。九年之后他們研制出了實用的負反饋放大器，專利終獲批準(zhǔn)。負反饋放大器的方法有了，但是怎樣預(yù)先界定系統(tǒng)震蕩與不震蕩，是比較麻煩的。1932 年美國通信工程師H.奈奎斯特（HarryNyquist Nyquist）發(fā)現(xiàn)電子電路中負反饋放大器的穩(wěn)定性條件，即著名的奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)。1934 年，乃奎斯特也加入了貝爾實驗室。至此，自動控制的準(zhǔn)備工作差不多了，但是我們還要介紹一下讓我們許多人都感到頭疼，或者在

29、實際應(yīng)用過程中懶得運用的傳遞函數(shù)，我們每個學(xué)習(xí)自動控制的人在學(xué)校都要學(xué)習(xí)的。早在1925 年，英國電氣工程師亥維賽就把拉普拉斯變換應(yīng)用到求解電網(wǎng)絡(luò)的問題上。后來拉普拉斯變換就被應(yīng)用到調(diào)節(jié)系統(tǒng)上，得到了很好的效果。乃奎斯特以后，數(shù)學(xué)家哈瑞斯也開始研究負反饋放大器問題。1942 年，他用我們目前已經(jīng)熟悉的方框圖、輸入、輸出的方法，把系統(tǒng)分為若干環(huán)節(jié)，并引入了傳遞函數(shù)的概念。在自動控制的接力賽的中間環(huán)節(jié)，我們看到了電子電路也加入了進來?？墒请娮与娐穬H僅算是插班生。當(dāng)時，對電子電路本身并沒有考慮到要去影響自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。放大器理論與自動控制理論可是說是兩條線。那么，是誰讓這兩條線相交了呢？1-5 控制論

30、1945 年，美國數(shù)學(xué)家維納把乃奎斯特的反饋概念推廣到一切工程控制中，1948 年維納發(fā)表奠基性著作控制論。這本書的副標(biāo)題是“關(guān)于動物和機器中控制和通信的科學(xué)”。在此之前西方?jīng)]有控制論這個詞。最早使用控制論這個詞語是法國的物理和數(shù)學(xué)家安培先生（Andr-Marie Ampre）。1834 年他曾經(jīng)給關(guān)于國務(wù)管理的科學(xué)取了個名字：控制論（cybernetique）。他計劃用多種學(xué)科的研究把國家的國務(wù)管理科學(xué)化。這種科學(xué)化管理政治乃至國家的企圖在西方多有出現(xiàn)，比較成功的是對經(jīng)濟的操控和管理，最為著名的就是亞當(dāng)斯密思的那只“看不見的手”。但是當(dāng)初安培的計劃過于龐大，當(dāng)時乃至現(xiàn)在都沒有能夠?qū)崿F(xiàn)。但是軍

31、事戰(zhàn)爭中，對武器的操控需求卻大大刺激了自動調(diào)節(jié)的發(fā)展。這一點在后面會有講述。維納先生借助于安培的想法，把他關(guān)于自動控制的理論稱之為：cybernetics “對電子、機械和生物系統(tǒng)的控制過程的理論性研究，特別是對這些系統(tǒng)中的信息流動的研究?！薄＞S納說：控制論是“對電子、機械和生物系統(tǒng)的控制過程的理論性研究”？電子需要控制論，機械需要控制論，生物也需要？恩，咱開頭就說了，人們生產(chǎn)活動都離不開的。雖然你在泡妞的時候，從沒有想過那討厭的比例積分微分什么的概念，但是你實際上切切實實無意識地一直在運用控制論的方法。維納運用自己豐富的學(xué)識敏銳的觀察深刻的分析，把這些基本原理提煉出來，最終創(chuàng)立了控制論。維納

32、少年時期就是天才，用咱們的話說是神童。咱不了解美國20 世紀(jì)初的教育制度，我很驚訝維納11 歲就上了大學(xué)，學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)（這個時候我還在上小學(xué)學(xué)習(xí)解應(yīng)用題），是不是當(dāng)時美國的大學(xué)數(shù)學(xué)研究的項目是雞兔同籠？否則一個11 歲的小孩子迷惑中。這個天才興趣廣泛，除了專業(yè)之外，還喜歡物理、無線電、生物和哲學(xué)。這在當(dāng)時可能都屬于比較熱門的學(xué)科。14 歲他又考入了哈佛大學(xué)研究生學(xué)院，學(xué)習(xí)生物學(xué)和哲學(xué)（這個時候我在上初中，背誦為什么社會主義取代資本主義是歷史的必然）。18 歲獲得了哈佛大學(xué)數(shù)理邏輯博士學(xué)位。可能是他的成績比較突出，后來又專門去歐洲向羅素和希爾伯特學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。羅素和希爾伯特有什么了不起？這兩個人可牛！他

33、們無論在當(dāng)時還是在科學(xué)史上都是不可忽視的人物，都是世界級的大腕啊！前者寫出好多論哲學(xué)之類的豆腐塊文章，曾經(jīng)一度在國內(nèi)很流行；后面那個希爾伯特曾提出了20 世紀(jì)數(shù)學(xué)的23 個問題，哄著數(shù)學(xué)家們都一古腦的研究那些問題。名師出高徒，維納越來越來牛了。好了，不羅列他上學(xué)的內(nèi)容了。深厚而又廣博的學(xué)識，為維納將來的工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。同時，因為他對多種學(xué)科都有深入的研究，使得它能夠觸類旁通，并且能把相鄰學(xué)科的一些知識方法，應(yīng)用到另外的學(xué)科當(dāng)中。有些人可能對這一點不太理解。80、90 年代，國內(nèi)興起一種理論，叫做方法論，它就是專門研究不同學(xué)科之間的研究方法的應(yīng)用的。下面咱們還要說到維納的廣博知識對他的研究

34、起到的作用。第二次世界大戰(zhàn)期間，維納參與研究美國軍方的防空火力自動控制系統(tǒng)的工作。咱們可以大致說一下這種系統(tǒng)的情況。假如前面來了一輛敵機，當(dāng)時要打下來這輛敵機，需要知道敵機的方位、高度、速度這些個量，然后根據(jù)這兩個量算出提前量。也就是說，防空炮要把目標(biāo)指向飛機前面一段距離，等到打出去的炮彈到達飛機的高度的時候，飛機正好飛到炮彈周圍。注意，不是要炮彈貫穿飛機，那樣概率太低，而是讓炮彈在這個時候正好爆炸，依靠爆炸的力量把飛機摧毀。這種情況下，我們不僅僅需要敵機的方位、高度、速度，還要計算出提前量和爆炸時間，并且有專門一個人管炸彈的引信，設(shè)定幾秒鐘后爆炸。這樣一個系統(tǒng)是比較復(fù)雜的，維納在研究過程中，

35、提出了一個重要概念：負反饋。咱們搞自動控制的都知道，一個控制系統(tǒng)中，負反饋回路可以使得系統(tǒng)穩(wěn)定，正反饋使得系統(tǒng)發(fā)散。科學(xué)就是科學(xué)，她是熱情而又冰冷的。就像一個高傲的淑女，在你摸不著門道的時候，她對你冷酷無情，不管你費多少精力也都白搭；而當(dāng)你掌握了她的規(guī)律脾氣的時候，她會向你敞開懷抱，通過擁有她，從而擁有認識掌握大自然的力量。但是，這個高傲的淑女有時候也會被權(quán)貴們打扮?？刂普撘灿羞^這樣的遭遇。歐洲的前社會主義國家，以蘇聯(lián)為首，曾經(jīng)撻伐聲討維納的控制論，認為維納竟然把人和機器相提并論，這是帝國主義用以為戰(zhàn)爭服務(wù)的工具，這是偽科學(xué)！幸而，那段扭曲冷酷的歷史已經(jīng)過去。愿地球上再也沒有隨意打扮科學(xué)和學(xué)術(shù)

36、的現(xiàn)象產(chǎn)生。只是這個祝愿似乎有點蒼白。只要將來的發(fā)展，出現(xiàn)社會性的狂熱，科學(xué)恐怕還會被人侮弄。1-6 PID我始終認為，在自動調(diào)節(jié)的發(fā)展歷程中，PID 的創(chuàng)立是非常重要的一環(huán)。PID，就是對輸入偏差進行比例積分微分運算，運算的疊加結(jié)果去控制執(zhí)行機構(gòu)。關(guān)于PID 的方法，咱們以后還要多次講述。PID 的表述是這么的簡單，應(yīng)用范圍卻是無比的廣泛。從洗澡水的控制到神七上天，從空調(diào)控溫到導(dǎo)彈制導(dǎo)，從能源化工到家電環(huán)保制造加工軍事航天等等，如今從生活到工廠，方方面面都有它的影子，角角落落都可以看到它在發(fā)揮作用。那么，PID 是誰創(chuàng)立的呢？為了尋找這個問題的答案，我花費了不少精力。百家講壇里面王廣雄教授說

37、是尼克爾斯（Nichols）創(chuàng)立的，可是我找不到更多的佐證。我所能找到的是齊格勒（Zegler）和尼克爾斯想出了對PID 參數(shù)進行整定的辦法。以至于后來一些人干脆把經(jīng)典的PID 控制叫做尼克爾斯PID。但是從我所能找到的資料來看，這個提法的佐證不強。后來，經(jīng)過山東建筑大學(xué)魏建平老師的幫助，我找到了1936 年的美國專利文獻The pastof pid controllers（變物理量的pid 控制）（美國專利，專利號2,175,985，美國存檔時間：1936年2 月17 日，大不列顛存檔時間：1935 年2 月13 日；1939 年10 月10 日批準(zhǔn)美國專利申請）。由此基本搞明白了PID 的

38、創(chuàng)立過程。在此鳴謝魏建平老師。以下關(guān)于PID 創(chuàng)立的資料基本是在魏老師提供的基礎(chǔ)上整合了其它資料形成的。從前面的敘述可以看到，自動調(diào)節(jié)的發(fā)展歷程，與兩個情況有關(guān)：當(dāng)時工業(yè)控制的要求，和自動控制理論的研究。而PID 控制器的發(fā)展，與自動化儀表，特別是一些處于世界領(lǐng)先地位的自動化儀表公司息息相關(guān)，同時也與工業(yè)實踐緊密聯(lián)合的。了解自動調(diào)節(jié)的人，經(jīng)過分析應(yīng)該可以看出來：當(dāng)初瓦特所用的小錘控制轉(zhuǎn)速，實際上是純比例調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)杠桿的長度就是改變比例帶。比例作用比較容易被人理解。后來工業(yè)領(lǐng)域的控制器都只有比例作用。如1907 年，美國C.J.Tagliabue 公司在紐約的一家牛奶巴士滅菌器生產(chǎn)廠里安裝了第一

39、臺氣動自動溫度控制器。采用氣動控制，測量單元用的是壓差，通過不銹鋼溫度計的水銀推動舵閥，舵閥控制空氣壓力作用到主閥上，主閥來調(diào)整對象的流量。該控制器從原理上講是比例控制。但是直到這個時候，所謂的比例控制，也沒有明晰的提法。在應(yīng)用過程中，人們發(fā)現(xiàn)這種控制方法有很大局限。最主要的問題是系統(tǒng)被控對象很不容易達到要設(shè)定的目標(biāo)值，我們現(xiàn)在稱之為存在靜態(tài)偏差?？茖W(xué)家和工程師們?yōu)榇擞掷^續(xù)努力了。到了1929 年，Leeds&Northrup 公司生產(chǎn)出一種他們稱為具有“比例步”（Proporational step）控制動作的電子機械控制器，即PI 控制器。注意，這個公司把比例控制由自覺變成了有意，并且也注

40、意到了積分作用。但是這個公司的產(chǎn)品并沒有影響到整個控制界，似乎他們的思想也沒有給后來的自動控制帶來太大影響。其他公司還在繼續(xù)探索。1939 年，F(xiàn)oxboro 儀器公司為了克服靜態(tài)偏差問題，他們想了一個方法：手動增強調(diào)節(jié)系統(tǒng)的比例作用，使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)“恰好”彌補偏差。他們稱之為“重置”（hyper-reset）。后來人們專門設(shè)置了自動重置技術(shù)（Automatic reset），每一時刻都根據(jù)上一時刻的偏差，自動修改系數(shù)，使得偏差不為零的時候，執(zhí)行機構(gòu)一直動作下去，很明顯，這就是積分作用了。后來，某些專業(yè)的人們至今還把這個積分參數(shù)稱之為“重置率”。Foxboro儀器公司的Stabilog 氣動控制

41、器中加入了hyper-reset 技術(shù)。同年，Taylor 儀器公司發(fā)布了一款全新設(shè)計的氣動控制器：Fulscope，新儀器提供了“預(yù)動作”（pre-act）控制作用。這個所謂的預(yù)動作，就是微分作用。后來的相當(dāng)長的時間內(nèi)，微分作用都被稱作“預(yù)動作”。從上面可以看出，PID 已經(jīng)誕生了。但是我們常規(guī)上不說PID 的創(chuàng)立者是上述的公司。而是另有其人。為什么呢？上面所述的功能雖然等同于PID 的功能，但是與真正意義的PID 還是有所不同的，它們只是在實際使用意義上等同于積分微分環(huán)節(jié)。真正徹底清晰的PID 理論其實早幾年就提出了，只是提出者在大洋彼岸的英國。1936 年，英國諾夫威治市帝國化學(xué)有限公司

42、（Imperial Chemical Limited in Northwich, England）的考倫德（Albert Callender）和斯蒂文森（Allan Stevenson）等人給出了一個溫度控制系統(tǒng)的PID 控制器的方法，并于1939年獲得美國專利。從美國專利局的網(wǎng)站上，可以找到當(dāng)年獲得專利的PID 計算公式：這個公式與我們現(xiàn)在使用的PID 公式已經(jīng)沒有很大區(qū)別。式中， 代表溫度。只是當(dāng)時把比例積分微分的增益倍數(shù)分開了，可以想象當(dāng)初這樣做的原因：用K1 來確定積分的強度（斜率），用K3 來確定微分的強度。面對這個美妙的、簡潔的、普適的思想，我們還是多花點時間關(guān)注一下她的生日吧。她

43、的專利的美國存檔時間是1936 年2 月17 日。英國的檔時間：1935 年2 月13 日；1939 年10 月10 日批準(zhǔn)美國專利申請。這說明PID 的誕生時間應(yīng)該在1935 年初了，只是出生證明開在1936 年。PID 問世了。可惜這個過程被忽略了很久。1-7 再說負反饋咱們前面說了，維納在上學(xué)期間，精通數(shù)學(xué)、物理、無線電、生物和哲學(xué)。而在電子領(lǐng)域，乃奎斯特已經(jīng)提出了負反饋回路可以使得系統(tǒng)穩(wěn)定這個概念。維納通過在電子學(xué)領(lǐng)域的知識，在控制領(lǐng)域取得了重大突破。其實瓦特的蒸汽轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，本身也不知不覺地應(yīng)用了負反饋系統(tǒng)：轉(zhuǎn)速反饋到連桿上后，控制汽閥關(guān)小，使得轉(zhuǎn)速降低。只是瓦特沒有把這個機構(gòu)中的

44、原理提煉出來，上升到理論高度。說著容易做著難，這個理論經(jīng)過了200 年才被提出來。負反饋理論應(yīng)用非常廣泛。維納本人研究的物理、無線電、生物學(xué)，在這些領(lǐng)域都廣泛的應(yīng)用著負反饋原理，這些學(xué)科很可能都給他提出負反饋理論以支持。不光物理、無線電、生物學(xué)使用負反饋，也不光工業(yè)控制使用負反饋，大到國家宏觀調(diào)控，中到商業(yè)管理，小到個人的行為，角角落落，無不出現(xiàn)負反饋的身影。國家每一項宏觀調(diào)控政策出臺后，總要收集各種數(shù)據(jù)觀察政策發(fā)布后的效果，這個收集的信息叫反饋。對收集到的信息如何處理呢？比如發(fā)現(xiàn)政策使得經(jīng)濟過熱了，那么下一步就要修改政策，抑制經(jīng)濟過熱。我們總要把這個信號進行相反處理，這個對收集到的信號進行相

45、反處理的辦法叫做負反饋。朱镕基先生在當(dāng)總理的時候，發(fā)現(xiàn)電力建設(shè)過快，就嚴格控制電力建設(shè)的審批，使得電力建設(shè)的步伐放緩。等到溫家寶先生當(dāng)總理的時候，發(fā)現(xiàn)壞了，電力建設(shè)步伐過慢，與國家的快速經(jīng)濟發(fā)展不相適應(yīng)，國家到處出現(xiàn)電荒。于是溫政府放松電力建設(shè)審批，電力建設(shè)急速加快。過了幾年發(fā)現(xiàn)又壞了，電力建設(shè)審批門檻過低，能源浪費嚴重。然后開始實行適度控制電力建設(shè)的辦法，電力建設(shè)得到良好有序地發(fā)展。這一段時期對電力建設(shè)的控制是個比較典型的負反饋過量的問題?？礃幼樱瑴丶覍毾壬坪醣戎扉F基先生在自動控制方面學(xué)習(xí)成績要好一點。不過也不好說，說不定是前車之鑒，使得后來總結(jié)了經(jīng)驗。維納當(dāng)年就認識到反饋信息過量的后果。

46、這里還涉及到一個問題，就是控制過度，使得系統(tǒng)發(fā)生震蕩。控制過度其實就是比例帶過小。負反饋是不是過量，也跟比例帶的設(shè)置有關(guān)系。這些個問題在后面的“穩(wěn)定性”章節(jié)中具體探討。商業(yè)管理中也廣泛應(yīng)用負反饋原理。最近老板們總是強調(diào)執(zhí)行力。執(zhí)行力怎么體現(xiàn)？收集反饋信息。老板們往往要求我們命令要有回復(fù)，回復(fù)就是反饋。如果老板們還要判斷命令是否合理，那就需要用負反饋原理。我們走路的時候，不能閉著眼睛，因為眼睛是反饋環(huán)節(jié)。即使視力出現(xiàn)故障，也要有導(dǎo)盲犬、探路棍、盲道等措施彌補，所有這些措施都是提供反饋環(huán)節(jié)。大腦收集到反饋以后，一定會進行負反饋處理。為什么是負反饋呢？走路的時候，眼睛看路，他會告訴你個信號：偏左了，

47、偏右了，然后讓你腦子進行修正。信號發(fā)到你腦子里面后，你腦子里要對反饋信號與目標(biāo)信號相減，然后進行修正。偏左了就向右點，偏右了就向左點。對這個相減的信號就是負反饋。如果相加就是正反饋了，那樣走著走著你就掉進坑里去了。但是，保證你不掉進坑里，那僅僅是給你怎樣走路給了一個大致的方向。具體每一步走多大，向左向右偏多少，還要進行具體計算。前面說的都是定性的問題，步子走多大，向左右偏多少是定量的問題。光定性不定量還是沒辦法控制的。后面還會介紹如何定量。1-8 IEEEIEEE 是國際電工協(xié)會的簡稱。他致力于控制系統(tǒng)中理論和實踐的探討。我們之所以把IEEE 作為自動控制歷史的一部分，是因為他為自動控制的發(fā)展

48、做出了很大貢獻，并且在將來還會不斷地做出貢獻。如果說以前自動控制的科學(xué)家們基本上算是單兵作戰(zhàn)的話，那么IEEE 可以說是集群作戰(zhàn)了。當(dāng)然，集群作戰(zhàn)的模式在貝爾實驗室里已經(jīng)產(chǎn)生了。IEEE 誕生于1954 年。目前他有三個期刊：控制系統(tǒng)雜志 (Control Systems Magazine) , 自動控制學(xué)報 (Transactions on Automatic Control) 和控制系統(tǒng)技術(shù)學(xué)報 (Transactions on ControlSystems Technology)。會議與會員的研究，基本上代表了自動控制的發(fā)展水平。通過會員之間的交流，產(chǎn)生集群效應(yīng)，學(xué)會有力的推動著自動調(diào)節(jié)

49、技術(shù)的發(fā)展。19 著作里程碑任何學(xué)科發(fā)展史，都是由無數(shù)的科學(xué)家的名字和著作串聯(lián)起來的。任何學(xué)科的發(fā)展史，也總有那么幾個人物著作特別顯眼明亮，我們稱之為里程碑。在漫長而又短暫的自動發(fā)展歷史上，有無數(shù)科學(xué)家的辛勤努力，都值得我們景仰。其中，奠定了自動控制基礎(chǔ)的三本著作最值得我們關(guān)注：1、信息論，作者香濃（Claude Elwood Shannon）（國內(nèi)普遍翻譯為香農(nóng)，我認為作為自動控制鼻祖之一人物，這個翻譯不夠浪漫，所以就擅自篡改為香濃哈）。1948 年，香農(nóng)在貝爾系統(tǒng)技術(shù)雜志第27 卷上發(fā)表了一篇論文：通訊的數(shù)學(xué)理論，1949 年又發(fā)表噪聲中的通訊。這兩篇文章奠定了信息論的基礎(chǔ)。以前學(xué)習(xí)熱力學(xué)

50、，對熱力學(xué)簡直到了膜拜的地步。正好當(dāng)時流行一個理論：由熱力學(xué)看宇宙的哲學(xué)。也喜歡得不得了，以為熵可以推廣到一切。后來發(fā)現(xiàn)問題了。對熵概念就冷淡了。再后來發(fā)現(xiàn)，熵的關(guān)于哲學(xué)的推廣雖然有問題，可是上的應(yīng)用也非常廣泛。計算機信息處理有熵，股票的書籍里有熵，香濃的信息論也有熵，叫做信息熵。熵的概念最初是度量熱力學(xué)中熱量的傳播的，信息熵適度兩一個信息源能夠提供多少新的信息的。信息熵是香濃弄出的概念。2、控制論，作者維納。前面介紹過了，這里忽略。3、PID 控制法的創(chuàng)立。雖然說現(xiàn)在誕生了行行色色的先進控制方法，許多可以代替PID控制法，可是到目前為止，沒有任何一種新的控制法有PID 應(yīng)用這么廣泛。并且，新

51、興的先進控制法中，有許多也融合進了PID 的控制原理，或者干脆疊加上PID 控制法。另外一個可資借鑒的一個老外收集的PID 控制器大事記（年表）作者：Vance J.VanDoren。. 1788 年：James Watt 為其蒸汽機配備飛球調(diào)速器，第一種具有比例控制能力的機械反饋裝置。. 1933 年：Tayor 公司（現(xiàn)已并入ABB 公司）推出56R Fulscope 型控制器，第一種具有全可調(diào)比例控制能力的氣動式調(diào)節(jié)器。. 1934-1935 年：Foxboro 公司推出40 型氣動式調(diào)節(jié)器，第一種比例積分式控制器。. 1940 年：Tayor 公司推出Fulscope 100，第一種擁

52、有裝在一個單元中的全PID 控制能力的氣動式控制器。. 1942 年：Tayor 公司的 John G. Ziegler 和 Nathaniel B. Nichols 公布著名的Ziegler-Nichols 整定準(zhǔn)則。. 第二次世界大戰(zhàn)期間，氣動式 PID 控制器用于穩(wěn)定火控伺服系統(tǒng)，以及用于合成橡膠、高辛烷航空燃料及第一顆原子彈所使用的U-235 等材料的生產(chǎn)控制。. 1951 年：Swartwout 公司（現(xiàn)已并入Prime Measurement Products 公司）推出其Autronic產(chǎn)品系列，第一種基于真空管技術(shù)的電子控制器。. 1959 年：Bailey Meter 公司（

53、現(xiàn)已并入ABB 公司）推出首個全固態(tài)電子控制器。. 1964 年：Tayor 公司展示第一個單回路數(shù)字式控制器，但未進行大批量銷售。. 1969 年：Honeywell 公司推出Vutronik 過程控制器產(chǎn)品系列，這種產(chǎn)品具有從負過程變量而不是直接從誤差上來計算的微分作用。. 1975 年：Process Systems 公司（現(xiàn)已并入MICON Systems 公司）推出P-200 型控制器，第一種基于微處理器的PID 控制器。. 1976 年：Rochester Instrument systems 公司（現(xiàn)已并入AMETEK Power Instruments）推出Media 控制器，

54、第一種封裝型數(shù)字式PI 及PID 控制器產(chǎn)品。. 1980 年至今年：各種其他控制器技術(shù)開始從大學(xué)及研究機構(gòu)走向工業(yè)界，用于在更為困難的控制回路中使用。這其中包括人工智能、自適應(yīng)控制以及模型預(yù)測控制等。(原文：PID: 控制領(lǐng)域的常青樹 鏈接：/gk_media/at_content.asp?id=2)1-10 調(diào)節(jié)器控制理論這個大廈基本上建立起來了。其實我更關(guān)心的是PID 控制方法的建立。說老實話，我總覺得維納雖然偉大，可是總覺得他的理論不那么“精巧”，說白了誰都能明白。相比之下，我對PID 理論的發(fā)明人更加佩服。說起來非常簡單，不就是比例積分微分運算么，可具體要提出這種方法，還是需要一定的

55、天才的。PID 是什么？要弄清楚怎樣定量之前，我們先要理解一個最基本的概念：調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器是干什么的？調(diào)節(jié)器就是人的大腦，就是一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心。任何一個控制系統(tǒng)，只要具備了帶有PID的大腦或者說是控制方法，那它就是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。如果沒有帶PID 的控制方法呢？那可不一定不是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因為后來又涌現(xiàn)各種控制思想。比如時下研究風(fēng)頭最勁的模糊控制，以前還有神經(jīng)元控制等等；后來又產(chǎn)生了具有自組織能力的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，說白了也就是自動整定參數(shù)的能力；還有把模糊控制，或者神經(jīng)元控制與PID 結(jié)合在一起應(yīng)用的綜合控制等等。在后面咱們還會有介紹。咱們這個文章，只要不加以特殊說明，都是指的是傳統(tǒng)的PID 控制。

56、可以這樣說：凡是具備控制思想和調(diào)節(jié)方法的系統(tǒng)都叫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。而放置最核心的調(diào)節(jié)方法的東西叫做調(diào)節(jié)器?；镜恼{(diào)節(jié)器具有兩個輸入量：被調(diào)量和設(shè)定值。被調(diào)量就是反映被調(diào)節(jié)對象的實際波動的量值。比如水位溫度壓力等等；設(shè)定值顧名思義，是人們設(shè)定的值，也就是人們期望被調(diào)量需要達到的值。被調(diào)量肯定是經(jīng)常變化的。而設(shè)定值可以是固定的，也可以是經(jīng)常變化的，比如電廠的AGC 系統(tǒng)，機組負荷的設(shè)定值就是個經(jīng)常變化的量。基本的調(diào)節(jié)器至少有一個模擬量輸出。大腦根據(jù)情況運算之后要發(fā)布命令了，它發(fā)布一個精確的命令讓執(zhí)行機構(gòu)去按照它的要求動作。在大腦和執(zhí)行機構(gòu)（手）之間還會有其他的環(huán)節(jié)，比如限幅、伺服放大器等等。有的限幅功

57、能做在大腦里，有的伺服放大器做在執(zhí)行機構(gòu)里。上面說的輸入輸出三個量是調(diào)節(jié)器最重要的量，其它還有許多輔助量。比如為了實現(xiàn)手自動切換，需要自動指令；為了安全，需要偏差報警等等。這些可以暫不考慮。為了思考的方便，咱們只要記住這三個量：設(shè)定值、被調(diào)量、輸出指令。事實上，為了描述方便，大家習(xí)慣上更精簡為兩個量：輸入偏差和輸出指令。輸入偏差是被調(diào)量和設(shè)定值之間的差值，這就不用羅嗦了吧？1-11 再說PID回到剛才的提問：什么是PID？P 就是比例，就是輸入偏差乘以一個系數(shù)；I 就是積分，就是對輸入偏差進行積分運算；D 就是微分，對輸入偏差進行微分運算。就這么簡單。很多年后，我還始終認為：這個理論真美！其實

58、這個方法已經(jīng)被廣大系統(tǒng)維護者所采用，淺白一點說，就是先把系統(tǒng)調(diào)為純比例作用，然后增強比例作用讓系統(tǒng)震蕩，記錄下比例作用和震蕩周期，然后這個比例作用乘以0.6，積分作用適當(dāng)延長。雖然本文的初衷是力圖避免繁瑣的計算公式，而用門外漢都能看懂的語言來敘述工程問題，可是對于最基本的公式還要涉及以下的，況且這個公式也很簡單，感興趣的看一下，不感興趣的可以不看。公式表達如下： * *4* *其中：為比例控制參數(shù)為微分控制參數(shù)為積分控制參數(shù)為系統(tǒng)開始振蕩時的比例值； 為極坐標(biāo)下振蕩時的頻率這個方法只是提供一個大致的思路，具體情況要復(fù)雜得多。比如一個水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，微分作用可以取消，積分作用根據(jù)情況再調(diào)節(jié)；還有的

59、系統(tǒng)超出常人的理解，某些參數(shù)可以設(shè)置得非常大或者非常小。具體調(diào)節(jié)方法咱們后面會專門介紹。微分和積分對系統(tǒng)的影響狀況后面也會專門分析?？茖W(xué)家們都說科學(xué)當(dāng)中存在著美。我的理解，那種美是力圖用最簡潔的定義或者公式，去描述宇宙萬物的運行規(guī)律。比如牛頓的三大運動規(guī)律，和他的加速度和力的關(guān)系的公式：F=ma。表達極其簡潔，涵蓋范圍卻非常之廣，所以它們都很美。同樣的，我們的PID 調(diào)節(jié)法也是這樣的，敘述極簡潔，可在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中應(yīng)用卻極普遍。所以，不由得人不感嘆它的美！不過說實話，PID 控制法雖然精巧，可是并不玄奧。現(xiàn)在，世界控制理論有了更大的發(fā)展，涌現(xiàn)出了各種各樣控制方法。比如神經(jīng)元控制、模糊控制等等，這些

60、控制過程中，我只接觸過模糊控制。用我自己最粗淺的理解，要是對控制系統(tǒng)要求更為精準(zhǔn)嚴格的話，還是要用PID 控制來配合的。并且，對于火電廠自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，我還沒有發(fā)現(xiàn)有哪種系統(tǒng)用PID 調(diào)節(jié)法不能實現(xiàn)的。如果你認為你所觀察的某個系統(tǒng)，單純用傳統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)方法不能解決問題，那存在兩個可能：一是你的控制策略可能有問題，二是你的PID 參數(shù)整定得不夠好。PID 控制法已經(jīng)當(dāng)之無愧的成了經(jīng)典控制方法。我們要講的，也就是這種經(jīng)典的PID 控制。1-12 怎樣投自動PID 參數(shù)整定判斷一個人是不是業(yè)內(nèi)人士的方法之一，就是看他說不說外行話，有時候甚至一個詞語就可以判斷。判斷修改確認PID 參數(shù)的過程，咱們業(yè)