zt: 两个生动的自动化故事

发表于 2009-5-28 00:02

自动控制的科普综述**少之又少，这一篇是难得好**。甚至高于科普了。自动化专业的 学生，能够把自己学的道理理解到这种程度的，又能占到多少比例呢？ 写完聚乙烯的故事，就有写自动控制的故事的念头，但一直没有动笔。这个题目太大了，大得 都不知道从何说起。既然大家看聚乙烯的故事还有一点意思，四一在 催，马鹿要“一”什么 的，那就接着写自动控制的故事吧。反正是故事，别太当真，看着好玩就接着看，看着枯燥就 拍桌子，看着有错就提个醒，看着糊涂的尽管 问，看着不耐烦了呢，也言语一声，我好闭上 嘴不再烦人。哈哈。 （一） 小时候喜欢看杂书，没什么东西看，不过看进去了两个“化”：机械化和自动化。打小就 没 有弄明白，这机械化和自动化到底有什么差别，机器不是自己就会动的吗？长大了，总算稍微 明白了一点，这机械化是力气活，用机器代替人的体力劳动，但还是 要人管着的，不然机器 是不知道该干什么不该干什么的；这自动化嘛，就是代替人的重复脑力劳动，是用来管机器的 。也就是说，自动化是管着机械化的，或者说学 自动化的是管着学机械的……啊，不对，不 对，哪是哪啊！ 有人考证古代就有自动化的实例，但现代意义上的自动控制 开始于瓦特的蒸汽机。据说纽考 门比瓦特先发明蒸汽机，但是蒸汽机的转速控制问题没有解决，弄不好转速飞升，机器损坏不 说，还可能说大事故。瓦特在蒸汽机的 转轴上安了一个小棍，棍的一端和放汽阀连着，放气 阀松开来就关闭，转速增加；按下去阀就打开，转速降低；棍的另一端是一个小重锤，棍中间 某个地方通过支点 和转轴连接。转轴转起来的时候，小棍由于离心力的缘故挥起来。转速太 高了，小棍挥会挥得很高，放汽阀就被按下去打开，转速下降；转速太低了，小棍挥不起 来 ，放汽阀就被松开来关闭，转速回升。这样，蒸汽机可以自动保持稳定的转速，即保证安全， 又方便使用。也就是因为这个小小的转速调节器，瓦特的名字和工业 革 命连在一起，而纽考 门的名字就要到历史书里去找了。 类似的例子在机械系统里很多，家居必备的抽水马桶是另一个 例子。放水冲刷后，水箱里水 位降低，浮子随水面下降，进水阀打开。随着水位的升高，进水阀逐渐关闭，直到水位达到规 定高度，进水阀完全关闭，水箱的水正好 准备下一次使用。这是一个非常简单但非常巧妙的 水位控制系统，是一个经典的设计，但不容易用经典的控制理论来分析，不过这是题外话了. 这些机械系统设计巧妙，工作可靠，实在是巧夺天工。但是在实用中，如果每次都需要这样的 创造性思维，那太累，最好有一个系统的方法，可以解决“所有”的自动控制问题，这就是控 制理论的由来。 从小大人就教我们，走路要看路。为什么呢？要是不看着路，走路走歪了也不知道，结果就是 东撞西撞的。要是看着路呢？走歪了，马上就看到，赶紧调整脚步，走回到正道上来。这里有 自动控制里的第一个重要概念：反馈（feedback）。 反馈是一个过程： 1、设定目标，对小朋友走路的例子来说，就是前进的路线。 2、测量状态，小朋友的眼睛看着路，就是在测量自己的前进方向。 3、将测量到的状态和设定的目标比较，把眼睛看到的前进方向和心里想的前进方向作比较， 判断前进方向是否正确；如果不正确，相差有多少。 4、调整行动，在心里根据实际前进方向和设定目标的偏差，决定调整的量。 5、实际执行，也就是实际挪动脚步，重回正确的前进方向。 在整个走路的过程中，这个反馈过程周而复始，不断进行，这样，小朋友就不会走得东倒西歪 了。但是，这里有一个问题：如果所有的事情都是在瞬时里同时发生 的，那这个反馈过程就 无法工作。要使反馈工作，一定要有一定的反应时间。还好，世上之事，都有一个过程，这就 为反馈赢得了所需要的时间。 小时候，妈妈在锅里蒸东西，蒸好了，从锅里拿出来总是一个麻烦，需要抹布什么的垫着，免 得烫手。但是碗和锅的间隙不大，连手带抹布伸进去颇麻烦，我常常 不知天高地厚，自告奋 勇地徒手把热的碗拿出来。只要动作快，手起碗落，可以不烫手。当然喽，要是捧着热碗再东 晃晃，西荡荡，那手上感觉的温度最终会和热碗 一样，肯定要把手心、手指烫熟不可的。在 从接触碗到皮肤温度和碗表面一样，这里面有一个逐渐升温的过程，这就是动态过程  （dynamic process）。这里面有两个东西要注意：一个是升温的过程有多快，另一个是最终 的温度可以升到多少。要是知道了这两个参数，同时知 道自己的手可以耐受多少温度，理论 上可以计算出热的碗在手里可以停留多少时间而不至于烫手。 反馈过程也叫闭环 （closed loop）过程。既然有闭环，那就有开环（open loop）。开环就 是没有反馈的控制过程，设定一个控制作用，然后就执行，不根据实 际测量值进行校正。开 环控制只有对简单的过程有效，比如洗衣机和烘干机按定时控制，到底衣服洗得怎么样，烘得 干不干，完全取决于开始时的设定。对于洗衣 机、烘干机这样的问题，多设一点时间就是了 ，稍微浪费一点，但可以保证效果。对于空调机，就不能不顾房间温度，简单地设一个开10分 钟、关5分钟的循环， 而应该根据实际温度作闭环控制，否则房间里的温度天知道到底会达到 多少。记得80年代时，报告文学很流行。徐迟写了一个《哥德巴?赫猜想》，于是全国人民都  争当科学家。小说家也争着写科学家，成就太小不行，所以来一个语不惊人死不休，某大家写 了一个《无反馈快速跟踪》。那时正在大学啃砖头，对这个科学新发现 大感兴趣，从头看到 尾，也没有看明白到底是怎么无反馈快速跟踪的。现在想想，小说就是小说，不过这无良作家 也太扯，无反馈还要跟踪，不看着目标，不看着自 己跑哪了，这跟的什么踪啊，这和永动机 差不多了，怎么不挑一个好一点的题目，冷聚变什么的，至少在理论上还是可能的。题外话了 。 在数学上，动态过程用微分方程描述，反馈过程就是在描述动态过程的微分方程的输入项和输 出项之间建立一个关联，这样改变了微分方程本来的性质。自动控制就是在这个反馈和动态过 程里做**的。 房间内的空调是一个简单的控制问题。不过这只是指单一房间，整个高层大楼所有房间的中央 空调问题实际上是一个相当复杂的问题，不在这里讨论的范围。夏天 了，室内温度设在28度 ，实际温度高于28度了，空调机启动致冷，把房间的温度降下来；实际温度低于28度了，空调 机关闭，让房间温度受环境气温自然升上 去。通过这样简单的开关控制，室内温度应该就控 制在28度。不过这里有一个问题，如果温度高于28度一点点，空调机就启动；低于28度一点点 ，空调机就关 闭；那如果温度传感器和空调机的开关足够灵敏的话，空调机的开关频率可以 无穷高，空调机不断地开开关关，要发神经病了，这对机器不好，在实际上也没有必 要。解 决的办法是设立一个“死区” （dead band），温度高于29度时开机，低于27度时关机。注意 不要搞反了，否则控制单元要发神经了。 有了一个死区后，室内温度不再可能严格控制在28度，而是在27到29度之间“晃荡”。如果环 境温度一定，空调机的制冷量一定，室内的升温/降温动态模型已知，可以计算温度“晃荡” 的周期。不过既然是讲故事，我们就不去费那个事了。 这种开关控制看起来“土”，其实好处不少。对于大部分过程来说，开关控制的精度不高但可 以保证稳定，或者说系统输出是“有界”的，也就是说实际测量值一 定会被限制在一定的范 围，而不可能无限制地发散出去。这种稳定性和一般控制理论里强调的所谓渐进稳定性不同， 而是所谓BIBO稳定性，前者要求输出最终趋 向设定值，后者只要求在有界的输入作用下输出 是有界的，BIBO指bounded input bounded output。 对于简单的精 度要求不高的过程，这种开关控制（或者称继电器控制，relay control，因为 最早这种控制方式是用继电器或电磁开关来实现的） 就足够了。但是很多时候，这种“毛估 估”的控制满足不了要求。汽车在高速公路上行驶，速度设在定速巡航控制，速度飘下去几公 里，心里觉得吃亏了，但要是飘 上去几公里，被??抓下来吃一个罚单，这算谁的？ 开关控制是不连续控制，控制作用一加就是“全剂量”的，一减也 是“全剂量”的，没有中 间的过渡。如果空调机的制冷量有三个设定，：小、中、大，根据室温和设定的差别来决定到 底是用小还是中还是大，那室温的控制精度就 可以大大提高，换句话说，温度的“晃荡”幅 度将大幅度减小。那么，如果空调机有更多的设定，从小小到小中到……到大大，那控制精度 是不是更高呢？是的。既 然如此，何不用无级可调的空调机呢？那岂不可以更精确地控制室 温了吗？是的。         无级可调或连续可调的空调机可以精确控制温度，但开关控制不能再用了。家用空调机中，连 续可调的不占多数，但冲热水淋浴是一个典型的连续控制问题，因为水 龙头可以连续调节水 的流量。冲淋浴时，假定冷水龙头不变，只调节热水。那温度高了，热水关小一点；温度低了 ，热水开打一点。换句话说，控制作用应该向减少 控制偏差的方向变化，也就是所谓负负反 馈。控制方向对了，还有一个控制量的问题。温度高了1度，热水该关小多少呢？ 经验告诉我们，根据具体的龙头和水压，温度高1度，热水需要关小一定的量，比如说，关小 一格。换句话说，控制量和控制偏差成比例关系，这就是经典的比例 控制规律：控制量=比例 控制增益* 控制偏差，偏差越大，控制量越大。控制偏差就是实际测量值和设定值或目标值之 差。在比例控制规律下，偏差反向，控制量 也反向。也就是说，如果淋浴水温要求为40度， 实际水温高于40度时，热水龙头向关闭的方向变化；实际水温低于40度时，热水龙头向开启的 方向变化。 但是比例控制规律并不能 保证水温能够精确达到 40度。在实际生活中，人们这时对热水龙头 作微调，只要水温还不合适，就一点一点地调节，直到水温合适 为止。这种只要控制偏差不 消失就渐进微调的控制规律，在控制里叫积分控制规律，因为控制量和控制偏差在时间上的累 积成正比，其比例因子就称为积分控制增 益。工业上常用积分控制增益的倒数，称其为积分 时间常数，其物理意义是偏差恒定时，控制量加倍所需的时间。这里要注意的是，控制偏差有 正有负，全看实际测 量值是大于还是小于设定值，所以只要控制系统是稳定的，也就是实际 测量值最终会稳定在设定值上，控制偏差的累积不会是无穷大的。这里再啰嗦一遍，积分控制  的基本作用是消除控制偏差的余差（也叫残差）。 比例和积分控制规律可以应付很大一类控制问题，但不是没有改进余 地的。如果水管水温快 速变化，人们会根据水温的变化调节热水龙头：水温升高，热水龙头向关闭方向变化，升温越 快，开启越多；水温降低，热水龙头向开启方向 变化，降温越快，关闭越多。这就是所谓的 微分控制规律，因为控制量和实际测量值的变化率成正比，其比例因子就称为比例控制增益， 工业上也称微分时间常数。 微分时间常数没有太特定的物理意义，只是积分叫时间常数，微 分也跟着叫了。微分控制的重点不在实际测量值的具体数值，而在其变化方向和变化速度。微 分控制 在理论上和实用中有很多优越性，但局限也是明显的。如果测量信号不是很“干净” ，时不时有那么一点不大不小的“毛刺”或扰动，微分控制就会被这些风吹草动 搞得方寸大 乱，产生很多不必要甚至错误的控制信号。所以工业上对微分控制的使用是很谨慎的。 比例-积分-微分控制规律是工业上最常用的控制规律。人们一般根据比例-积分-微分的英文缩 写，将其简称为PID控制。即使在更为先进的控制规律广泛应用的今天，各种形式的PID控制仍 然在所有控制回路中占85%以上。 在PID 控制中，积分控制的特点是：只要还有余差（即残余的控制偏差）存在，积分控制就按 部就班地逐渐增加控制作用，直到余差消失。所以积分的效果比 较缓慢，除特殊情况外，作 为基本控制作用，缓不救急。微分控制的特点是：尽管实际测量值还比设定值低，但其快速上 扬的冲势需要及早加以抑制，否则，等到实 际值超过设定值再作反应就晚了，这就是微分控 制施展身手的地方了。作为基本控制使用，微分控制只看趋势，不看具体数值所在，所以最理 想的情况也就是把实际 值稳定下来，但稳定在什么地方就要看你的运气了，所以微分控制也 不能作为基本控制作用。比例控制没有这些问题，比例控制的反应快，稳定性好，是最基本的 控 制作用，是 “皮”，积分、微分控制是对比例控制起增强作用的，极少单独使用，所以是 “毛”。在实际使用中比例和积分一般一起使用，比例承担主要的控制作 用，积分帮助消除 余差。微分只有在被控对象反应迟缓，需要在开始有所反应时，及早补偿，才予以采用。只用 比例和微分的情况很少见。 连续控制的精度是开关控制所不可比拟的，但连续控制的高精度也是有代价的，这就是稳定性 问题。控制增益决定了控制作用对偏差的灵敏度。既然增益决定了控 制的灵敏度，那么越灵 敏岂不越好？非也。还是用汽车的定速巡航控制做例子。速度低一点，油门加一点，速度低更 多，油门加更多，速度高上去当然就反过来。但 是如果速度低一点，油门就加很多，速度更 低，油门狂加，这样速度不但不能稳定在要求的设定值上，还可能失控。这就是不稳定。所以 控制增益的设定是有讲究 的。在生活中也有类似的例子。国民经济过热，需要经济调整，但 调整过火，就要造成“硬着陆”，引起衰退；衰退时需要刺激，同样，刺激过火，会造成“虚 假繁 荣”。要达成“软着陆”，经济调整的措施需要恰到好处。这也是一个经济动态系统的 稳定性问题。 实际中到底多少增 益才是最合适的，理论上有很多计算方法，但实用中一般是靠经验和调试 来摸索最佳增益，业内行话叫参数整定。如果系统响应在控制作用后面拖拖沓沓，大幅度振  荡的话，那一般是积分太过；如果系统响应非常神经质，动不动就打摆子，呈现高频小幅度振 荡的话，那一般是微分有点过分。中频振荡当然就是比例的问题了。不 过各个系统的频率都 是不一样的，到底什么算高频，什么算低频，这个几句话说不清楚，应了??那句话：“具体情 况具体分析”，所以就打一个哈哈了。 再具体说起来，参数整定有两个路子。一是首先调试比例增益以保证基本的稳定性，然后加必 要的积分以消除余差，只有在最必要的情况下，比如反映迟缓的温度 过程或容量极大的液位 过程，测量噪声很低，才加一点微分。这是“学院派”的路子，在大部分情况下很有效。但是 工业界有一个“歪路子”：用非常小的比例作 用，但大大强化积分作用。这个方法是完全违 背控制理论的分析的，但在实际中却是行之有效，原因在于测量噪声严重，或系统反应过敏时 ，积分为主的控制规律动 作比较缓和，不易激励出不稳定的因素，尤其是不确定性比较高的 高频部分，这也是??“稳定压倒一切”的初衷吧。 在很多情况下，在初始PID参数整定之后，只要系统没有出现不稳定或性能显著退化，一般不 会去重新整定。但是要是系统不稳定了怎么办呢？由于大部分实际 系统都是开环稳定的，也 就是说，只要控制作用恒定不变，系统响应最终应该稳定在一个数值，尽管可能不是设定值， 所以对付不稳定的第一个动作都是把比例增益 减小，根据实际情况，减小1/3、1/2甚至更多 ，同时加大积分时间常数，常常成倍地加，再就是减小甚至取消微分控制作用。如果有前馈控 制，适当减小前馈 增益也是有用的。在实际中，系统性能不会莫名其妙地突然变坏，上述“ 救火”式重新整定常常是临时性的，等生产过程中的机械或原料问题消除后，参数还是要设  回原来的数值，否则系统性能会太过“懒散”。 对于新工厂，系统还没有投运，没法根据实际响应来整定，一般先估计 一个初始参数，在系 统投运的过程中，对控制回路逐个整定。我自己的经验是，对于一般的流量回路，比例定在  0.5左右，积分大约1分钟，微分为0，这个组 合一般不致于一上来就出大问题。温度回路可以 从2、5、0.05开始，液位回路从5、10、0开始，气相压力回路从10、20、0开始。既然这些都 是凭经 验的估计，那当然要具体情况具体分析，不可能“放之四海而皆准”。 微分一般用于反应迟缓的系统，但是事情总有一 些例外。我就遇到过一个小小的冷凝液罐， 直径才两英尺，长不过5英尺，但是流量倒要8-12吨/小时，一有风吹草动，液位变化非常迅速 ，不管比例、积分怎 么调，液位很难稳定下来，常常是控制阀刚开始反应，液位已经到顶或 到底了。最后加了0.05的微分，液位一开始变化，控制阀就开始抑制，反而稳定下来了。 这 和常规的参数整定的路子背道而驰，但在这个情况下，反而是“唯一”的选择，因为测量值和 控制阀的饱和变成稳定性主要的问题了。  对工业界以积分为主导控制作用的做法再啰嗦几句。学术上，控制的稳定性基本就是渐近稳定 性，BIBO稳定性是没有办法证明渐近稳定性时的“退而求其次” 的东西，不怎么上台面的。 但是工业界里的稳定性有两个看起来相似、实质上不尽相同的方面：一个当然是渐近稳定性， 另一个则是稳定性，但不一定向设定值收 敛，或者说稳定性比收敛性优先这样一个情况。具 体来说，就是需要系统稳定在一个值上，不要动来动去，但是不是在设定值并不是太重要，只 要不是太离谱就行。 例子有很多，比如反应器的压力是一个重要参数，反应器不稳定，原料 进料比例就乱套，催化剂进料也不稳定，反应就不稳定，但是反应器的压力到底是10个大气  压还是 12个大气压，并没有太大的关系，只要慢慢地但是稳定地向设定值移动就足够了。这 是控制理论里比较少涉及的一个情况，这也是工业上时常采用积分主 导的控制的一个重要原 因。       歪瑞古得 编辑于 2009-4-16 下  前面说到系统的频率，本来也就是系统响应持续振荡时的频率，但是控制领域里有三拨人在捣 腾：一拨是以机电类动力学系统为特色的电工出身，包括航空、机器人 等，一拨是以连续过 程为特色的化工出身的，包冶金、造纸等，还有一拨是以微分方程稳定性为特色的应用数学出 身的。在瓦特和抽水马桶的年代里，各打各的山 头，井水不犯河水，倒也太平。但控制从艺 术上升为理论后，总有人喜欢“统一”，电工帮抢了先，好端端的控制理论里被塞进了电工里 的频率。童子们哪，那哪是 频率啊，那是……复频率。既然那些???电工帮（啊耶，这下鹿踹 真的要来了）能折腾出虚功率，那他们也能折腾出复频率来，他们自虐倒也算了，只是苦了我 等 无辜之众，被迫受此精神折磨。 事情的缘由是系统的稳定性。前面提到，PID的参数如果设得不好，系统可能不稳 定。除了摸 索，有没有办法从理论上计算出合适的PID参数呢？前面也提到，动态过程可以用微分方程描 述，其实在PID的阶段，这只是微分方程中很狭窄的一 支：单变量线性常微分方程。要是还记 得大一高数，一定还记得线形常微的解，除了分离变量法什么的，如果自变量时间用t表示的 话，最常用的求解还是把  exp(λt)代入微分方程，然后解已经变成λ的代数方程的特征方程 ，解出来的解可以是实数，也可以是复数，是复数的话，就要用三角函数展开了（怎么 样， 大一噩梦的感觉找回来一点没有？）。只要实根为负，那微分方程就是稳定的，因为负的指数 项最终向零收敛，复根到底多少就无所谓了，对稳定性没有影响。 但是，这么求解分析起来 还是不容易，还是超不出“具体情况具体分析”，难以得出一般的结论。 法国人以??、好吃 出名，但是他们食色性也之后，还不老实，其中一个叫拉普拉斯的家伙， 捣鼓出什么拉普拉斯变换，把常微分方程变成s的多项式。然后那帮电工的家伙们，喜欢自 虐 ，往s里塞jω，就是那个复频率，整出一个???频率分析，用来分析系统的稳定性。不过说?? ，也不完全公平，在没有计算机的年代，各种图表是最有效的 分析方法，还美其名曰“几何 分析”。频率分析也不例外。美国佬Evans搞出一个根轨迹（root locus），思路倒是满有意 思的。他用增益作自变 量，将系统的根（不管实的虚的）在复平面上画出轨迹来，要是轨迹 在左半平面打转转，那就是实根为负，就是稳定的。再深究下去，系统响应的临界频率之类也 可 以计算出来。最大的好处是，对于常见的系统，可以给出一套作图规则来，熟练的大牛、 小牛、公牛、母牛们，眼睛一瞄，随手就可以画出根轨迹来，然后就可以告 诉你，增益变化 多多少，系统开始振荡，再增加多少，系统会不稳定，云云。   根轨迹还是比较客气的，还有更???奈 奎斯特、伯德和尼科尔斯法，想想脑子都大。都是叫那 帮电工分子害的。时至今日，计算机分析已经很普及了，但是古典的图示分析还是有经久不衰 的魅力，就是因 为图示分析不光告诉你系统是稳定还是不稳定，以及其他一些动态响应的参 数，图示分析还可以定性地告诉你增益变化甚至系统参数变化引起的闭环性能变化。咦， 刚 才还不是在说人家??吗？呃，??也有???魅力不是？哈哈。   以频率分析（也称频域分析）为特色的控制理论称 为经典控制理论。经典控制理论可以把系 统的稳定性分析得天花乱坠，但有两个前提：一、要已知被控对象的数学模型，这在实际中不 容易得到；二、被控对象的数 学模型不会改变或漂移，这在实际中更难做到。对简单过程建 立微分方程是可能的，但简单过程的控制不麻烦，经验法参数整定就搞定了，不需要费那个麻 烦，而真 正需要理论计算帮忙的回路，建立模型太困难，或者模型本身的不确定性很高，使 得理论分析失去意义。经典控制理论在机械、航空、电机中还是有成功的应用，毕 竟从F=ma 出发，可以建立“所有”的机械系统的动力学模型，铁疙瘩的重量又不会莫名其妙地改变，主 要环境参数都可以测量，但是经典控制理论至少在化工控 制中实用成功的例子实在是凤毛麟 角，给你一个50块塔板的精馏塔，一个气相进料，一个液相进料，塔顶、塔底出料加一个侧线 出料，塔顶风冷冷凝器，塔底再沸 器加一个中间再沸器，你就慢慢建模去吧，等九牛二虎把 模型建立起来了，风冷冷凝器受风霜雨雪的影响，再沸器的高压蒸汽的压力受友邻装置的影响 ，气相进料的 温度和饱和度受上游装置的影响而改变，液相进料的混合组分受上游装置的影 响而改变，但组分无法及时测量（在线气相色谱分析结果要45 分钟才能出来），动 态特性全 变了。 老家伙歌德两百年前就说了，理论是灰色的，生命之树常青。我们知道马鹿喜欢金光的或者银 光的，至少也要红的，不过只好将就啦，青绿地干活。在实用中，PID有很多表兄弟，帮着大 表哥一块打天下。 比例控制的特点是：偏差大，控制作用就大。但在实际中有时还嫌不够，最好偏差大的时候， 比例增益也大，进一步加强对大偏差的矫正作用，及早把系统拉回到 设定值附近；偏差小的 时候，当然就不用那么急吼吼，慢慢来就行，所以增益小一点，加强稳定性。这就是双增益 PID（也叫双模式PID）的起源。想想也对， 高射**瞄准敌机是一个控制问题。如果**管还指 向离目标很远的角度，那应该先尽快地把**管转到目标角度附近，动作猛一点才好；但**管指 向已经目标很近了，就 要再慢慢地精细瞄准。工业上也有很多类似的问题。双增益PID的一个 特例是死区PID（PID with dead band），小偏差时的增益为零，也 就是说，测量值和设定值 相差不大的时候，就随他去，不用控制。这在大型缓冲容器的液位控制里用得很多。本来缓冲 容器就是缓冲流量变化的，液位到底控制在什 么地方并不紧要，只要不是太高或太低就行。 但是，从缓冲容器流向下游装置的流量要尽可能稳定，否则下游装置会受到不必要的扰动。死 区PID对这样的控制问 题是最合适的。但是天下没有免费的午餐。死区PID的前提是液位在一 般情况下会“自动”稳定在死区内，如果死区设置不当，或系统经常受到大幅度的扰动，死  区内的“无控”状态会导致液位不受限制地向死区边界“挺进”，最后进入“受控”区时，控 制作用过火，液位向相反方向不受限制地“挺进”，最后的结果是液位 永远在死区的两端振 荡，而永远不会稳定下来，业内叫hunting（打??打什么？打鹿？）。双增益PID也有同样的问 题，只是比死区PID好一些，毕竟 只有“强控制”和“弱控制”的差别，而没有“无控区”。 在实用中，双增益的内外增益差别小于2：1没有多大意义，大于 5：1就要注意上述的持续振 荡或 hunting的问题。 双增益或死区PID的问题在于增益的变化是不连续的，控制作用在死区边界上有一个突然的 变 化，容易诱发系统的不利响应，平方误差PID就没有这个问题。误差一经平方，控制量对误差 的曲线就成了抛物线，同样达到“小偏差小增益、大偏差大增益” 的效果，还没有和突然的 不连续的增益变化。但是误差平方有两个问题：一是误差接近于零的时候，增益也接近于零， 回到上面死区PID的问题；二是很难控制抛 物线的具体形状，或者说，很难制定增益在什么地 方拐弯。对于第一个问题，可以在误差平方PID上加一个基本的线性PID，是零误差是增益不为 零；对于后一 个问题，就要用另外的模块计算一个连续变化的增益了。具体细节比较琐碎， 将偏差送入一个分段线性化（也就是折线啦）的计算单元，然后将计算结果作为比例增 益输 出到PID控制器，折线的水平段就对应予不同的增益，而连接不同的水平段的斜线就对应于增 益的连续变化。通过设置水平段和斜线段的折点，可以任意调整 变增益的曲线。要是“野心 ”大一点，再加几个计算单元，可以做出不对称的增益，也就是升温时增益低一点，降温时增 益高一点，以处理加热过程中常见的升温 快、降温慢的问题。   双增益或误差平方都是在比例增益上作**，同样的勾当也可以用在积分和微分上。更极端的 一种 PID规律叫积分分离 PID，其思路是这样的：比例控制的稳定性好，响应快，所以偏差大 的时候，把PID中的积分关闭掉；偏差小的时候，精细调整、消除 余差是主要问题，所以减弱 甚至关闭比例作用，而积分作用切入控制。概念是好的，但具体实施的时候，有很多无扰动切 换的问题。 这些???PID在理论上很难分析系统的稳定性，但在实用中解决了很多困难的问题。大言不惭一 句，这些PID本人在实际中都用过。  复杂结构PID 打仗时，如果敌人太顽固，要么换更大的**，把敌人轰倒；要么采用更巧妙的战术，把敌人晕 倒。控制也是一样，单回路PID难以解决的问题，常常可以通过更巧妙的回路结构来解决。 单一的PID回路当然可以实现扰动抑制，但要是主要扰动在回路中，而且是明确的，加一个内 回路作帮手是一个很不错的主意。还记得洗热水澡的例子吗？要是 热水压力不稳定，老是要 为这个而调整热水龙头，那很麻烦。要是有一个人专门负责根据热水压力调节热水流量，把热 水压力稳定下来，而且稳定在标定值，那洗澡 的时候，水温就容易控制多了，只要告诉那个 人现在需要多少热水流量，而不必烦心热水压力对热水流量的影响。这个负责热水流量的控制 回路就是内回路，也叫副 回路，而洗澡的温度就是外回路，也叫主回路，当然是主回路指挥 副回路，就像自动化指挥机械化、学自控的人指挥学机电的人……打住打住，再扯远了要挨鹿 踹 了，或者马踹、牛踹、驴踹……。这种主回路套副回路的结构叫串级控制（cascade  control），曾经是单回路PID后工业上第一种“先进过程控 制”，现在串级已经用得很多了 ，也不再有人叫它“先进过程控制”了。串级控制最主要的功用是抑制回路内的扰动，增强总 体控制性能。不过串级也不能乱用。如 果主回路和副回路的相应速度差不多，或者主回路的 相应速度甚至慢于副回路（通过???调试是可以做到的），这样的串级要出问题。理论上可以 用共振频率什么 的分析，但是不用费那个事，用膝盖想想就知道，一个急性子的头儿把一个 温吞水的下属指挥得团团转，结果只能是大家都精疲力竭，事情还办砸了。相反，一个镇 定 自若的头儿指挥一个手脚麻利的下属，那事情肯定办得好。 如果主要扰动在回路以外，但是可以预知，那就要用另一 个办法，就是马鹿前面说到的前馈 了。还是用洗热水澡的例子。如果冷水管和同一个水房的抽水马桶功用，你在洗澡，别人一抽 水，那你就变煮熟的龙虾了（本想说 猴子PP的，但是那个不雅，我们要五讲四美不是？）。 这个时候，要使那个人在抽水的同时告诉你一声，你算好时间，算好量，猛减热水，那温度还 是可以大体不 变的。这就是所谓前馈控制（feed-forward control）。前馈控制有两个要紧 的东西：一是定量的扰动对被控变量的影响，也就是所谓前馈增 益；二是扰动的动态，别人 抽水到洗澡龙头的水温变热，这里面有一个过程，不是立时三刻的。如果可以精确知道这两样 东西，那前馈补偿可以把可测扰动完全补偿 掉。但实际上没有精确知道的事情，要是指望前 馈来完全补偿，弄巧成拙是肯定的。所以前馈通常和反馈一起用，也就是在PID回路上再加一 个前馈。一般也只用 静态前馈，也就是只补偿扰动对被控变量的静态影响，而忽略扰动的动 态因素，主要是为了静态前馈已经把前馈80%的好处发掘出来了，动态前馈既复杂又不可 靠， 在PID回路里很少有人用。理论上的前馈都是在PID 的控制作用上再加一个前馈作用，实际上 也可以乘一个控制作用。乘法前馈的作用太猛，我从来没有 用过，一般都是用加法。在实施 中，前馈是和扰动的变化（也就是增量）成比例的，所以扰动变量不变了，前馈作用就消失， 否则，整定前馈控制增益会对PID主 回路造成扰动。前馈增益可以根据粗略计算得到，比如说 ，抽水的量会造成温度下降多少、需要调整多少热水流量才能维持温度，这不难从热量平衡算 出来。不想费 这个事的话，也可以从历史数据中推算。一般算出来一个前馈增益后，打上7折 甚至5折再用，保险一点，不要矫枉过正。   前馈作用一般是用作辅助控制作用的，但是在特殊情况下，前馈也可以作为“预加载”  （pre-loading）作为基准控制作用。比如说，在一个高压系 统的启动过程中，压力可以从静 止状态的常压很快地什到很高的压力。高压系统不容许阀门大幅度运动，所以控制增益都比较 低，但是这样一来，启动升压过程中， 压力控制的反应就十分迟缓，容易造成压力过高。这 时用压缩机的转速或高压进料的流量作前馈，将压力控制阀“预先”放到大概的位置，然后再 用反馈慢慢调节， 就可以解决这个问题。 有点搞笑兄在前面提到用单个阀门有时难以控制大 范围变化的流量，这是一个很实际的问题 。 工业阀门一般turn down只有10：1，也就是说，如果这个阀门的最大流量是100吨/小时的 话，低于10吨/小时就难以控制了，当然，高于90吨 /小时也几近失去控制。所以，要真的保 证0-100的精确控制，需要将一个大阀和一个小阀并列，小阀负责小流量时的精确控制，大阀 负责大流量时的精确控 制，这就是所谓的分程控制（split range control）。分程控制时， 小阀首先打开，超过小阀最大流量是小阀就固定在全开位置，大阀开始打 开，接过控制。这 是开-开型分程控制。也有关-开型分程控制，比如反应器夹套温度控制，随温度逐渐上升，冷 却水逐渐关闭，直到冷却水全关，加热蒸气开始打 开。分程控制当然不一定只有两截，三截 甚至更多都是可以的，道理都一样。分程控制的问题在于不同阀门的交接点。阀门在特别小的 开度时，控制非常不灵敏，前 面说到的10：1也是这个道理。所以实用中，开-开型分程控制 常常在交接点附近有一段重叠，也就是小阀快要全开但还没有全开时，大阀已经开始动作，这 样， 到小阀全开、不能再动弹时，大阀已经进入有效控制范围。关-开型分程控制常常在交接 点设置一个死区，避免出现两个阀都有一点点开度的情况。分程控制的交接 点的设置有一点 讲究，应该根据阀的大小。比如A阀比 B阀大一倍，那分程点应该设在1/3先开B阀，而不是懒 汉做法的1/2。 很多过程参数都是可以测量的，但也有很多参数是没法直接测量的，这时，如果能够通过别的 可以测量的过程参数来间接计算真正需要控制的参数，这就是所谓的 推断控制（inferential  control）。比如精馏塔顶的产品纯度可以用气相色谱（gas chromatograph，GC）来测量，但 结 果要等40分钟才能出来，用来做实时控制，黄花菜都凉了。推断控制是和“软传感器” （soft sensor）的概念紧密相连的。对精馏塔塔顶纯度这个例 子来说，可以用纯度和塔顶温 度、压力作一个数学模型，用可以测量的温度和压力，间接计算出纯度。在计算机控制普及的 今天，这是很容易实现的，但是在很多地 方，推断控制仍然被看成很神秘的东西，悲哀。 有的时候，对同一个变量有不止一个控制手段。比如说，风冷器有风扇 的转速可以调节，也 有百叶窗的开度可以调节。风扇转速的效果快，控制精确；百叶窗开度的效果猛，不容易掌握 ，但有利于节能。所以，可以用风扇的快速响应来 控制温度，但是用百叶窗开度来通过温度 间接地缓慢地影响风扇的转速，使风扇转速回到最经济的设定。当然百叶窗开度的控制回路必 须要比风扇转速的控制回路整 定得慢得多，一般是缓慢的纯积分控制，否则两人要打架。由 于这相当于控制风扇转速的“阀位”，工业上称其为阀位控制 （valve position control） 。这个阀位控制也可以变一变，风扇转速高于某一数值（比如80%的最大转速）时，把百叶窗 开大一格，还 是高就继续开大；风扇转速低于某一数值（比如低于20%最大转速）时，把百叶 窗关小一格。这实际上是一个单向的积分作用，不同的地方有两点： 一、有两个设定值，由风扇转速是高还是低而定 二、积分作用只有在风扇转速在这两个“极限”的外面起作用，在里面时，百叶窗的开度不变 。 这样，风扇转速不必回到一个特定值，而是可以在一个范围内浮动。 另 外一个两个控制器“竞争”一个控制阀的情况是选择性控制（override control或 selective control）。举个例子，锅 炉的温度由燃料流量控制，温度高了，燃料流量就减下 来，但是燃料流量低到燃料管路压力低于炉膛压力，那要出现危险的回火，所以，这时，燃料 管路压力就要接 管控制，而牺牲炉膛温度。换句话说，正常时候，炉膛温度控制起作用，燃 料管路压力低于一定数值时，燃料管路压力控制器作用。在实施时，就是炉膛温度控制器 和 燃料管路压力控制器的输出都接到一个高选器，然后搞选器的输出接到实际的燃料阀。这个概 念很清楚，但是初次接触选择性控制的人，常常容易被高选还是低选 搞糊涂，明明是压力太 低，怎么是高选呢？其实，只要记住高选还是低选是从阀门这一头看的，和温度、压力的高度 没有关系。如果“非常”变量超过界限了，你要 阀门打开，那就是高选；你要阀门关闭，那 就是低选。 PID从二、三十年到开始在工业界广泛应用，戏法变了几十 年，也该换换花样了。PID说一千 道一万，还是经典控制理论的产物。50-60年代时，什么都要现代派，建筑从经典的柱式、比 例、细节的象征意义，变到 “形式服从功能”的钢架玻璃盒子；汽车从用机器牵引的马车， 变到流线型的钢铁的艺术；控制理论也要紧跟形势，要现代化。这不，美国佬卡尔曼隆重推出 ……现 代控制理论。 都看过舞龙吧？一个张牙舞爪的龙头气咻咻地追逐着一个大绣球，龙身子扭来扭去，还时不时 跳跃那么一 两下。中国春节没有舞龙，就和洋人的圣诞节没有圣诞老人一样不可思议。想象 一下，如果这是一条看不见的盲龙，只能通过一个人在龙尾巴后面指挥龙尾巴，然后 再通过 龙身体里的人一个接一个地传递控制指令，最后使龙头咬住绣球。这显然是一个动态系统，龙 身越长，人越多，动态响应越迟缓。如果只看龙头的位置，只操 控龙尾巴，而忽略龙身子的 动态，那就是所谓的输入-输出系统。经典控制理论就是建立在输入-输出系统的基础上的。对 于很多常见的应用，这就足够了。 但是卡尔曼不满足于“足够”。龙头当然要看住，龙尾巴当然要捏住，但龙身体为什么就要忽 略呢？要是能够看住龙身体，甚至操纵龙身体，也就是说，不光要控 制龙尾巴，控制指令还 要直接传到龙身体里的那些人，那岂不更好？这就是状态空间的概念：将一个系统分解为输入 、输出和状态。输出本身也是一个状态，或者是 状态的一个组合。在数学上，卡尔曼的状态 空间方法就是将一个高阶微分方程分解成一个联立的一阶微分方程组，这样可以使用很多线形 代数的工具，在表述上也比 较简洁、明了。 卡尔曼是一个数学家。数学家的想法就是和工程师不一样。工程师脑子里转的第一个念头就是 “我怎么 控制这劳什子？增益多少？控制器结构是什么样的？”数学家想的却是什么解的存 在性、唯一性之类虚头八脑的东西。不过呢，这么说数学家也不公平。好多时候， 工程师凭 想象和“实干”，辛苦了半天，发现得出的结果完全不合情理，这时才想起那些“性”（不要 想歪了啊，嘿嘿），原来那些存在性、唯一性什么的还是有用 的。 还是回过来看这条龙。现在，龙头、龙尾巴、龙身体都要看，不光要看，还要直接操控龙头到 龙尾的每一个人。但 是，这龙不是想看就看得的，不是想舞就舞得的。说到 “看”，直接能 够测量/观测的状态在实际上是不多的，所谓看，实际上是估算。要是知道龙身体有多少节 （ 就是有多少个人在下面撑着啦），龙身体的弹性/韧性有多少，那么捏住龙尾巴抖一抖，再看 看龙头在哪里，是可以估算出龙身体每一节的位置的，这叫状态观 测。那么，要是这龙中间 有几位童子开小差，手不好好拉住，那再捏住龙尾巴乱抖也没用，这时系统中的部分状态就是 不可观测的。如果你一声令下，部分童子充耳 不闻，那这些状态就是不可控制的。卡尔曼从 数学上推导出不可控和不可观的条件，在根本上解决了什么时候才不是瞎耽误工夫的问题。这 是控制理论的一个重要里 程碑。 再来看这条龙。如果要看这条龙整齐不整齐，排成纵列的容易看清楚；如果要清点人数，看每 一个人的动作，排 成横列的容易看清楚。但是不管怎么排，这条龙还是这条龙，只是看的角 度不同。那时候中国人的春节舞龙还没有在美国的中国城里闹腾起来，不知道卡尔曼有没有  看到过舞龙，反正他把数学上的线性变换和线性空间的理论搬到控制里面，从此，搞控制的人 有了工具，一个系统横着看不顺眼的话，可以竖着看，因为不管怎么 看，系统的本质是一样 的。但是不同的角度有不同的用处，有的角度设计控制器容易一点，有的角度分析系统的稳定 性容易一点，诸如此类，在控制理论里就叫这个 那个“标准型”。这是控制理论的又一个里 程碑。 观测状态的目的最终还是控制。只用输出的反馈叫输出反馈，经典控 制理论里的反馈都可以 归到输出反馈里，但是用状态进行反馈的就叫状态反馈了。输出反馈对常见系统已经很有效了 ，但状态反馈要猛得多。你想想，一个系统的所 有状态都被牢牢地瞄住，所有状态都乖乖地 听从调遣，那是何等的威风？台商的大奶们的最高境界呀。

发表于 2009-5-28 00:35

这个我看过好几次  写的确实不错

发表于 2009-5-28 10:35

发表于 2009-5-28 13:30

http://blog.21ic.com/user1/2688/archives/2009/59617.html#43352

发表于 2009-5-29 11:00

发表于 2009-5-29 13:21

发表于 2009-5-29 14:43

发表于 2009-5-29 22:26

这篇**长达24页,33459字,作者以幽默的手笔把自动控制的前世今生娓娓道来,栩栩如生.使得过去稀里糊涂学过的那些"理论"一下子清晰了,那些不清楚的概念也明白了.犹如邻听一位大家的精彩讲座,可见作者的理论功底和实践经验之深厚! 虽已夜半,如此长篇竟一口气把它读完.感叹"原来是这么回事"!真是一篇不可多的的好**! 请下载完整版的 自动控制的故事 https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/200952922925717.pdf 相关链接:<a href='https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/200952922925717.pdf'>https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/200952922925717.pdf</a>

发表于 2009-5-30 08:00

猫公公咪咪与现代控制理论.pdf → <a href="https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/200953194440698.pdf" target=_blank>https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/200953194440698.pdf</a> <img src="https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/200953194244696.gif">  <img src="https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/20095319358484.gif"> <img src="https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/20095319429127.gif">  <img src="https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/20095319454199.gif"> <img src="https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/20095319523865.gif"> <img src="https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/20095319634471.gif"> <img src="https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/20095319718774.gif">  <img src="https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/20095319741334.gif"> <img src="https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/2009531985647.gif"> <img src="https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/200953191129902.gif">  <img src="https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20095/2009531992122.gif">

发表于 2009-5-30 10:06

第一篇的作者好像是Cuk的学生。前两篇，说老实话，写得很一般，作者太偏重于过程控制了，对化工、造纸、食品等工业相关的人士还是很好理解的，对于电工而言，有点远。 老T的**，赞一个，写的很不错。控制理论中第一个重要的概念，其实不应该是“反馈”，而应该是“前馈”，老T在**中开头就提到了前馈控制，的确不同凡响。 自动控制学科的应用发展到现在已经非常广泛了，除了“人口控制”等比较扯淡外，大部分都和生活、工业息息相关。而且自动控制分支之间的区别越来越大。比如过程控制中比较热门的MPC，就很难应用在常规的随动/跟踪控制中。 等有时间，俺也来写两个短文，可以讲点控制界名人的故事。不过最想写得还是比较常见、实用的方法思路，比如如何获得控制系统的Bode图。

发表于 2009-5-30 14:24

发表于 2009-5-31 01:01

10楼 frienz 讲第一篇写的一般 有些惊讶 对于第一篇我的评价很高。 “老T在**中开头就提到了前馈控制”？？？ 我学控制的 没在老T**开头看到前馈控制  是超前控制还是前馈控制？ 居然控制理论中第一个重要的概念不应该是“反馈”，很惊讶！ 控制的本质就是反馈。 预测控制主要来源与过程控制，预测控制就是有壳牌石油的工程师提出的，至于“常规的随动/跟踪控制”是指机械方面的控制？ 至于tyw提到现代控制理论，现代控制理论相对于经典控制理论，是指用状态空间法来描述分析系统。也就是在时域内用一阶微分方程组来描述系统。经典控制理论是用单个多阶微分方程来描述系统，由于多阶微分方程求解麻烦，所以用变换法变到频域分析。 老t的“现代”可理解为现代的 先进的 智能的 新的 是泛现代

发表于 2009-6-4 20:10

写得很好，也很生动

发表于 2009-6-4 21:05

写的相当不错！

发表于 2009-7-24 22:11

自动化的研究生居然不懂单片机，不懂485、232，甚至连电烙铁都没碰过。

发表于 2009-7-24 22:29

这个专业的课程现状是：理论的多，强电的多. 不过俺毕业后改弱电和MCU了。

发表于 2009-7-25 22:07

比如研究模糊控制理论的，或者智能识别的，很多学校把图像方面的东西都放在自动化的旗下，平时工作都是数学公式导来导去，要是没摸过烙铁倒也正常……

发表于 2009-7-27 17:08

讲理论的多，实际例子少，太抽象

发表于 2011-4-15 08:36

好帖留名
原谅我的挖坟哈哈哈

发表于 2011-4-15 09:03

太长

zt: 两个生动的自动化故事

相关帖子

恩

哪位写的？ 很不错 理论清晰 实践丰富

我整理了全文 自动控制的故事

收藏了，慢慢读

真精彩！

好贴，值得加酷

惭愧,一楼转帖的不完整.特将4楼链接制作PDF再发

一时技痒,忍不住了,俺也晒上一篇,以博一笑

以前好像看过

好好噢

对于自动控制讲两句

很生动

厉害

自动化到底学什么啊

俺的专业就是自动化

自动化的范围很广呢

感觉自动化是最头疼的一门课了

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