【儀表網(wǎng) 百科知識】今天，小編給大家奉上的是一篇寫在早期的關(guān)于自動控制原理科普的文章，作者晨楓具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，目前移居加拿大，一直從事化工控制方面的工作和研究。文章雖然長一些，但能將自動控制的發(fā)展過程及精髓用非常通俗的語言描述出來，揭開了一些看似神秘的概念，令人感嘆，掩蓋在復(fù)雜數(shù)學(xué)公式下的思想，不過如此，非常值得靜下心來好好讀一讀。

一、控制理論的由來
　　
小時候喜歡看雜書，沒什么東西看，不正在文化大革命嘛？不過看進(jìn)去了兩個“化”：機(jī)械化和自動化。打小就沒有弄明白，這機(jī)械化和自動化到底有什么差別，機(jī)器不是自己就會動的嗎？長大了，總算稍微明白了一點(diǎn)，這機(jī)械化是力氣活，用機(jī)器代替人的體力勞動，但還是要人管著的，不然機(jī)器是不知道該干什么不該干什么的；這自動化嘛，就是代替人的重復(fù)腦力勞動，是用來管機(jī)器的。也就是說，自動化是管著機(jī)械化的，或者說學(xué)自動化的是管著學(xué)機(jī)械的……啊，不對，不對，哪是哪啊！

有人考證古代就有自動化的實(shí)例，但現(xiàn)代意義上的自動控制開始于瓦特的蒸汽機(jī)。據(jù)說紐考門比瓦特先發(fā)明蒸汽機(jī)，但是蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速控制問題沒有解決，弄不好轉(zhuǎn)速飛升，機(jī)器損壞不說，還可能說大事故。瓦特在蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安了一個小棍，棍的一端和放汽閥連著，放氣閥松開來就關(guān)閉，轉(zhuǎn)速增加；按下去閥就打開，轉(zhuǎn)速降低；棍的另一端是一個小重錘，棍中間某個地方通過支點(diǎn)和轉(zhuǎn)軸連接。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)起來的時候，小棍由于離心力的緣故揮起來。轉(zhuǎn)速太高了，小棍揮會揮得很高，放汽閥就被按下去打開，轉(zhuǎn)速下降；轉(zhuǎn)速太低了，小棍揮不起來，放汽閥就被松開來關(guān)閉，轉(zhuǎn)速回升。這樣，蒸汽機(jī)可以自動保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，即保證安全又方便使用。也就是因?yàn)檫@個小小的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，瓦特的名字和工業(yè)革命連在一起，而紐考門的名字就要到歷史書里去找了。

類似的例子在機(jī)械系統(tǒng)里很多，家居的抽水馬桶是另一個例子。放水沖刷后，水箱里水位降低，浮子隨水面下降，進(jìn)水閥打開。隨著水位的升高，進(jìn)水閥逐漸關(guān)閉，直到水位達(dá)到規(guī)定高度，進(jìn)水閥完全關(guān)閉，水箱的水正好準(zhǔn)備下一次使用。這是一個非常簡單但非常巧妙的水位控制系統(tǒng)，是一個經(jīng)典的設(shè)計，但不容易用經(jīng)典的控制理論來分析，不過這是題外話了.

這些機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計巧妙，工作可靠，實(shí)在是巧奪天工。但是在實(shí)用中，如果每次都需要這樣的創(chuàng)造性思維，那太累，好有一個系統(tǒng)的方法，可以解決“所有”的自動控制問題，這就是控制理論的由來。

二、反饋?zhàn)饔?br />
從小大人就教我們，走路要看路。為什么呢？要是不看著路，走路走歪了也不知道，結(jié)果就是東撞西撞的。要是看著路呢？走歪了，馬上就看到，趕緊調(diào)整腳步，走回到正道上來。這里有自動控制里的個重要概念：反饋（feedback）。反饋是一個過程：

1）設(shè)定目標(biāo)，對小朋友走路的例子來說，就是前進(jìn)的路線；

2）測量狀態(tài)，小朋友的眼睛看著路，就是在測量自己的前進(jìn)方向；

3）將測量到的狀態(tài)和設(shè)定的目標(biāo)比較，把眼睛看到的前進(jìn)方向和心里想的前進(jìn)方向作比較，判斷前進(jìn)方向是否正確；如果不正確，相差有多少；

4）調(diào)整行動，在心里根據(jù)實(shí)際前進(jìn)方向和設(shè)定目標(biāo)的偏差，決定調(diào)整的量；

5）實(shí)際執(zhí)行，也就是實(shí)際挪動腳步，重回正確的前進(jìn)方向。

在整個走路的過程中，這個反饋過程周而復(fù)始，不斷進(jìn)行，這樣，小朋友就不會走得東倒西歪了。但是，這里有一個問題：如果所有的事情都是在瞬時里同時發(fā)生的，那這個反饋過程就無法工作。要使反饋工作，一定要有一定的反應(yīng)時間。還好，世上之事，都有一個過程，這就為反饋贏得了所需要的時間。

小時候，媽媽在鍋里蒸東西，蒸好了，從鍋里拿出來總是一個麻煩，需要抹布什么的墊著，免得燙手。但是碗和鍋的間隙不大，連手帶抹布伸進(jìn)去頗麻煩，我常常不知天高地厚，自告奮勇地徒手把熱的碗拿出來。只要動作快，手起碗落，可以不燙手。當(dāng)然嘍，要是捧著熱碗再東晃晃，西蕩蕩，那手上感覺的溫度終會和熱碗一樣，肯定要把手心、手指燙熟不可的。在從接觸碗到皮膚溫度和碗表面一樣，這里面有一個逐漸升溫的過程，這就是動態(tài)過程（dynamic process）。這里面有兩個東西要注意：一個是升溫的過程有多快，另一個是終的溫度可以升到多少。要是知道了這兩個參數(shù)，同時知道自己的手可以耐受多少溫度，理論上可以計算出熱的碗在手里可以停留多少時間而不至于燙手。

反饋過程也叫閉環(huán)（closed loop）控制。既然有閉環(huán)，那就有開環(huán)（open loop）控制。開環(huán)就是沒有反饋的控制過程，設(shè)定一個控制作用，然后就執(zhí)行，不根據(jù)實(shí)際測量值進(jìn)行校正。開環(huán)控制只有對簡單的過程有效，比如洗衣機(jī)和烘干機(jī)按定時控制，到底衣服洗得怎么樣，烘得干不干，完全取決于開始時的設(shè)定。對于洗衣機(jī)、烘干機(jī)這樣的問題，多設(shè)一點(diǎn)時間就是了，稍微浪費(fèi)一點(diǎn)，但可以保證效果。對于空調(diào)機(jī)，就不能不顧房間溫度，簡單地設(shè)一個開10分鐘、關(guān)5分鐘的循環(huán)，而應(yīng)該根據(jù)實(shí)際溫度作閉環(huán)控制，否則房間里的溫度天知道到底會達(dá)到多少。記得80年代時，報告文學(xué)很流行。徐遲寫了一個《哥德巴赫猜想》，于是全國人民都爭當(dāng)科學(xué)家。小說家也爭著寫科學(xué)家，成就太小不行，所以來一個語不驚人死不休，某大家寫了一個《無反饋快速跟蹤》。那時正在大學(xué)啃磚頭，對這個科學(xué)新發(fā)現(xiàn)大感興趣，從頭看到尾，也沒有看明白到底是怎么無反饋快速跟蹤的?，F(xiàn)在想想，小說就是小說，不過這無良作家也太扯，無反饋還要跟蹤，不看著目標(biāo)，不看著自己跑哪了，這跟的什么蹤啊，這和永動機(jī)差不多了，怎么不挑一個好一點(diǎn)的題目，冷聚變什么的，至少在理論上還是可能的。題外話了。

在數(shù)學(xué)上，動態(tài)過程用微分方程描述，反饋過程就是在描述動態(tài)過程的微分方程的輸入項和輸出項之間建立一個關(guān)聯(lián)，這樣改變了微分方程本來的性質(zhì)。自動控制就是在這個反饋和動態(tài)過程里做文章的。

　三、開關(guān)控制

房間內(nèi)的空調(diào)是一個簡單的控制問題。不過這只是指單一房間，整個高層大樓所有房間的中央空調(diào)問題實(shí)際上是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題，不在這里討論的范圍。夏天了，室內(nèi)溫度設(shè)在28 度，實(shí)際溫度高于28 度了，空調(diào)機(jī)啟動致冷，把房間的溫度降下來；實(shí)際溫度低于28 度了，空調(diào)機(jī)關(guān)閉，讓房間溫度受環(huán)境氣溫自然升上去。通過這樣簡單的開關(guān)控制，室內(nèi)溫度應(yīng)該就控制在28 度。不過這里有一個問題，如果溫度高于28 度一點(diǎn)點(diǎn)，空調(diào)機(jī)就啟動；低于28度一點(diǎn)點(diǎn)，空調(diào)機(jī)就關(guān)閉；那如果溫度傳感器和空調(diào)機(jī)的開關(guān)足夠靈敏的話，空調(diào)機(jī)的開關(guān)頻率可以無窮高，空調(diào)機(jī)不斷地開開關(guān)關(guān)，要發(fā)了，這對機(jī)器不好，在實(shí)際上也沒有必要。解決的辦法是設(shè)立一個“死區(qū)”（dead band），溫度高于29度時開機(jī)，低于27 度時關(guān)機(jī)。注意不要搞反了，否則控制單元要發(fā)神經(jīng)了。有了一個死區(qū)后，室內(nèi)溫度不再可能嚴(yán)格控制在28 度，而是在27 到29 度之間“晃蕩”。如果環(huán)境溫度一定，空調(diào)機(jī)的制冷量一定，室內(nèi)的升溫/降溫動態(tài)模型已知，可以計算溫度“晃蕩”的周期。不過既然是講故事，我們就不去費(fèi)那個事了。

這種開關(guān)控制看起來“土”，其實(shí)好處不少。對于大部分過程來說，開關(guān)控制的精度不高但可以保證穩(wěn)定，或者說系統(tǒng)輸出是“有界”的，也就是說實(shí)際測量值一定會被限制在一定的范圍，而不可能無限制地發(fā)散出去。這種穩(wěn)定性和一般控制理論里強(qiáng)調(diào)的所謂漸進(jìn)穩(wěn)定性不同，而是所謂BIBO穩(wěn)定性，前者要求輸出終趨向設(shè)定值，后者只要求在有界的輸入作用下輸出是有界的。

對于簡單的精度要求不高的過程，這種開關(guān)控制（或者稱繼電器控制，relay control，因?yàn)樵邕@種控制方式是用繼電器或電磁開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的）就足夠了。但是很多時候，這種“毛估估”的控制滿足不了要求。汽車在高速公路上行駛，速度設(shè)在定速巡航控制，速度飄下去幾公里，心里覺得吃虧了，但要是飄上去幾公里，被抓下來吃一個罰單，這算誰的？

開關(guān)控制是不連續(xù)控制，控制作用一加就是“全劑量”的，一減也是“全劑量”的，沒有中間的過渡。如果空調(diào)機(jī)的制冷量有三個設(shè)定，：小、中、大，根據(jù)室溫和設(shè)定的差別來決定到底是用小還是中還是大，那室溫的控制精度就可以大大提高，換句話說，溫度的“晃蕩”幅度將大幅度減小。那么，如果空調(diào)機(jī)有更多的設(shè)定，從小小到小中到……到大大，那控制精度是不是更高呢？是的。既然如此，何不用無級可調(diào)的空調(diào)機(jī)呢？那豈不可以更地控制室溫了嗎？是的。

四、 PID控制

無級可調(diào)或連續(xù)可調(diào)的空調(diào)機(jī)可以控制溫度，但開關(guān)控制不能再用了。家用空調(diào)機(jī)中，連續(xù)可調(diào)的不占多數(shù)，但沖熱水淋浴是一個典型的連續(xù)控制問題，因?yàn)樗梢赃B續(xù)調(diào)節(jié)水的流量。沖淋浴時，假定冷水不變，只調(diào)節(jié)熱水。那溫度高了，熱水關(guān)小一點(diǎn)；溫度低了，熱水開打一點(diǎn)。換句話說，控制作用應(yīng)該向減少控制偏差的方向變化，也就是所謂負(fù)負(fù)反饋。控制方向?qū)α?，還有一個控制量的問題。溫度高了1 度，熱水該關(guān)小多少呢？

經(jīng)驗(yàn)告訴我們，根據(jù)具體的和水壓，溫度高1 度，熱水需要關(guān)小一定的量，比如說，關(guān)小一格。換句話說，控制量和控制偏差成比例關(guān)系，這就是經(jīng)典的比例控制規(guī)律：控制量=比例控制增益*控制偏差，偏差越大，控制量越大?？刂破罹褪菍?shí)際測量值和設(shè)定值或目標(biāo)值之差。在比例控制規(guī)律下，偏差反向，控制量也反向。也就是說，如果淋浴水溫要求為40 度，實(shí)際水溫高于40 度時，熱水向關(guān)閉的方向變化；實(shí)際水溫低于40 度時，熱水向開啟的方向變化。

但是比例控制規(guī)律并不能保證水溫能夠達(dá)到40度。在實(shí)際生活中，人們這時對熱水作微調(diào)，只要水溫還不合適，就一點(diǎn)一點(diǎn)地調(diào)節(jié)，直到水溫合適為止。這種只要控制偏差不消失就漸進(jìn)微調(diào)的控制規(guī)律，在控制里叫積分控制規(guī)律，因?yàn)榭刂屏亢涂刂破钤跁r間上的累積成正比，其比例因子就稱為積分控制增益。工業(yè)上常用積分控制增益的倒數(shù)，稱其為積分時間常數(shù)，其物理意義是偏差恒定時，控制量加倍所需的時間。這里要注意的是，控制偏差有正有負(fù)，全看實(shí)際測量值是大于還是小于設(shè)定值，所以只要控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，也就是實(shí)際測量值終會穩(wěn)定在設(shè)定值上，控制偏差的累積不會是無窮大的。這里再啰嗦一遍，積分控制的基本作用是消除控制偏差的余差（也叫殘差）。

比例和積分控制規(guī)律可以應(yīng)付很大一類控制問題，但不是沒有改進(jìn)余地的。如果水管水溫快速變化，人們會根據(jù)水溫的變化調(diào)節(jié)熱水：水溫升高，熱水向關(guān)閉方向變化，升溫越快，開啟越多；水溫降低，熱水向開啟方向變化，降溫越快，關(guān)閉越多。這就是所謂的微分控制規(guī)律，因?yàn)榭刂屏亢蛯?shí)際測量值的變化率成正比，其比例因子就稱為比例控制增益，工業(yè)上也稱微分時間常數(shù)。微分時間常數(shù)沒有太特定的物理意義，只是積分叫時間常數(shù)，微分也跟著叫了。微分控制的重點(diǎn)不在實(shí)際測量值的具體數(shù)值，而在其變化方向和變化速度。微分控制在理論上和實(shí)用中有很多優(yōu)越性，但局限也是明顯的。如果測量信號不是很“干凈”，時不時有那么一點(diǎn)不大不小的“毛刺”或擾動，微分控制就會被這些風(fēng)吹草動搞得方寸大亂，產(chǎn)生很多不必要甚至錯誤的控制信號。所以工業(yè)上對微分控制的使用是很謹(jǐn)慎的。

比例-積分-微分控制規(guī)律是工業(yè)上常用的控制規(guī)律。人們一般根據(jù)比例-積分-微分的英文縮寫，將其簡稱為PID 控制。即使在更為先進(jìn)的控制規(guī)律廣泛應(yīng)用的今天，各種形式的PID 控制仍然在所有控制回路中占85%以上。

　五、穩(wěn)定性&參數(shù)整定

在PID控制中，積分控制的特點(diǎn)是：只要還有余差（即殘余的控制偏差）存在，積分控制就按部就班地逐漸增加控制作用，直到余差消失。所以積分的效果比較緩慢，除特殊情況外，作為基本控制作用，緩不救急。微分控制的特點(diǎn)是：盡管實(shí)際測量值還比設(shè)定值低，但其快速上揚(yáng)的沖勢需要及早加以抑制，否則，等到實(shí)際值超過設(shè)定值再作反應(yīng)就晚了，這就是微分控制施展身手的地方了。作為基本控制使用，微分控制只看趨勢，不看具體數(shù)值所在，所以理想的情況也就是把實(shí)際值穩(wěn)定下來，但穩(wěn)定在什么地方就要看你的運(yùn)氣了，所以微分控制也不能作為基本控制作用。比例控制沒有這些問題，比例控制的反應(yīng)快，穩(wěn)定性好，是基本的控制作用，是“皮”，積分、微分控制是對比例控制起增強(qiáng)作用的，極少單獨(dú)使用，所以是“毛”。在實(shí)際使用中比例和積分一般一起使用，比例承擔(dān)主要的控制作用，積分幫助消除余差。微分只有在被控對象反應(yīng)遲緩，需要在開始有所反應(yīng)時，及早補(bǔ)償，才予以采用。只用比例和微分的情況很少見。

連續(xù)控制的精度是開關(guān)控制所不可比擬的，但連續(xù)控制的高精度也是有代價的，這就是穩(wěn)定性問題?？刂圃鲆鏇Q定了控制作用對偏差的靈敏度。既然增益決定了控制的靈敏度，那么越靈敏豈不越好？非也。還是用汽車的定速巡航控制做例子。速度低一點(diǎn)，油門加一點(diǎn)，速度低更多，油門加更多，速度高上去當(dāng)然就反過來。但是如果速度低一點(diǎn)，油門就加很多，速度更低，油門狂加，這樣速度不但不能穩(wěn)定在要求的設(shè)定值上，還可能失控。這就是不穩(wěn)定。所以控制增益的設(shè)定是有講究的。在生活中也有類似的例子。國民經(jīng)濟(jì)過熱，需要經(jīng)濟(jì)調(diào)整，但調(diào)整過火，就要造成“硬著陸”，引起衰退；衰退時需要刺激，同樣，刺激過火，會造成“虛假繁榮”。要達(dá)成“軟著陸”，經(jīng)濟(jì)調(diào)整的措施需要恰到好處。這也是一個經(jīng)濟(jì)動態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。

實(shí)際中到底多少增益才是合適的，理論上有很多計算方法，但實(shí)用中一般是靠經(jīng)驗(yàn)和調(diào)試來摸索佳增益，業(yè)內(nèi)行話叫參數(shù)整定。如果系統(tǒng)響應(yīng)在控制作用后面拖拖沓沓，大幅度振蕩的話，那一般是積分太過；如果系統(tǒng)響應(yīng)非常神經(jīng)質(zhì)，動不動就打擺子，呈現(xiàn)高頻小幅度振蕩的話，那一般是微分有點(diǎn)過分。中頻振蕩當(dāng)然就是比例的問題了。不過各個系統(tǒng)的頻率都是不一樣的，到底什么算高頻，什么算低頻，這個幾句話說不清楚，應(yīng)了那句話：“具體情況具體分析”，所以就打一個哈哈了。

再具體說起來，參數(shù)整定有兩個路子。一是首先調(diào)試比例增益以保證基本的穩(wěn)定性，然后加必要的積分以消除余差，只有在必要的情況下，比如反映遲緩的溫度過程或容量極大的液位過程，測量噪聲很低，才加一點(diǎn)微分。這是“學(xué)院派”的路子，在大部分情況下很有效。但是工業(yè)界有一個“歪路子”：用非常小的比例作用，但大大強(qiáng)化積分作用。這個方法是完全違背控制理論的分析的，但在實(shí)際中卻是行之有效，原因在于測量噪聲嚴(yán)重，或系統(tǒng)反應(yīng)過敏時，積分為主的控制規(guī)律動作比較緩和，不易激勵出不穩(wěn)定的因素，尤其是不確定性比較高的高頻部分，這也是鄧小平“穩(wěn)定壓倒一切”的初衷吧。

在很多情況下，在初始PID參數(shù)整定之后，只要系統(tǒng)沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定或性能顯著退化，一般不會去重新整定。但是要是系統(tǒng)不穩(wěn)定了怎么辦呢？由于大部分實(shí)際系統(tǒng)都是開環(huán)穩(wěn)定的，也就是說，只要控制作用恒定不變，系統(tǒng)響應(yīng)終應(yīng)該穩(wěn)定在一個數(shù)值，盡管可能不是設(shè)定值，所以對付不穩(wěn)定的個動作都是把比例增益減小，根據(jù)實(shí)際情況，減小1/3、1/2甚至更多，同時加大積分時間常數(shù)，常常成倍地加，再就是減小甚至取消微分控制作用。如果有前饋控制，適當(dāng)減小前饋增益也是有用的。在實(shí)際中，系統(tǒng)性能不會莫名其妙地突然變壞，上述“救火”式重新整定常常是臨時性的，等生產(chǎn)過程中的機(jī)械或原料問題消除后，參數(shù)還是要設(shè)回原來的數(shù)值，否則系統(tǒng)性能會太過“懶散”。

對于新工廠，系統(tǒng)還沒有投運(yùn)，沒法根據(jù)實(shí)際響應(yīng)來整定，一般先估計一個初始參數(shù)，在系統(tǒng)投運(yùn)的過程中，對控制回路逐個整定。我自己的經(jīng)驗(yàn)是，對于一般的流量回路，比例定在0.5 左右，積分大約1 分鐘，微分為0，這個組合一般不致于一上來就出大問題。溫度回路可以從2、5、0.05 開始，液位回路從5、10、0開始，氣相壓力回路從10、20、0開始。既然這些都是憑經(jīng)驗(yàn)的估計，那當(dāng)然要具體情況具體分析，不可能“放之四海而皆準(zhǔn)”。微分一般用于反應(yīng)遲緩的系統(tǒng)，但是事情總有一些例外。我就遇到過一個小小的冷凝液罐，直徑才兩英尺，長不過5英尺，但是流量倒要8-12噸/小時，一有風(fēng)吹草動，液位變化非常迅速，不管比例、積分怎么調(diào)，液位很難穩(wěn)定下來，常常是控制閥剛開始反應(yīng)，液位已經(jīng)到頂或到底了。后加了0.05 的微分，液位一開始變化，控制閥就開始抑制，反而穩(wěn)定下來了。這和常規(guī)的參數(shù)整定的路子背道而馳，但在這個情況下，反而是“”的選擇，因?yàn)闇y量值和控制閥的飽和變成穩(wěn)定性主要的問題了。