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機(jī)械社區(qū)

標(biāo)題: 大師級(jí)講解：自動(dòng)控制原理的故事 [打印本頁(yè)]

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作者: 笑容不是為我    時(shí)間: 2015-10-13 22:26
標(biāo)題: 大師級(jí)講解：自動(dòng)控制原理的故事

自動(dòng)控制的故事

    說(shuō)明：轉(zhuǎn)載文章，一直想找出原作者，可惜網(wǎng)上搜索不到,，應(yīng)該是一位大師級(jí)人物
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    自動(dòng)控制的科普綜述文章少之又少,，這一篇是難得好文章。甚至高于科普了,。自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，能夠把自己學(xué)的道理理解到這種程度的，又能占到多少比例呢,？

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　　寫完聚乙烯的故事，就有寫自動(dòng)控制的故事的念頭,，但一直沒(méi)有動(dòng)筆,。這個(gè)題目太大了，大得都不知道從何說(shuō)起,。既然大家看聚乙烯的故事還有一點(diǎn)意思,，四一在催，馬鹿要“一”什么的,，那就接著寫自動(dòng)控制的故事吧,。反正是故事，別太當(dāng)真,，看著好玩就接著看,，看著枯燥就拍桌子，看著有錯(cuò)就提個(gè)醒,，看著糊涂的盡管問(wèn),，看著不耐煩了呢，也言語(yǔ)一聲，我好閉上嘴不再煩人,。哈哈,。
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　　（一）

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　　小時(shí)候喜歡看雜書(shū),，沒(méi)什么東西看,，不正在文化大革命嘛？不過(guò)看進(jìn)去了兩個(gè)“化”：機(jī)械化和自動(dòng)化,。打小就沒(méi)有弄明白,，這機(jī)械化和自動(dòng)化到底有什么差別，機(jī)器不是自己就會(huì)動(dòng)的嗎,？長(zhǎng)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(dòng),，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(dòng)化嘛,，就是代替人的重復(fù)腦力勞動(dòng)，是用來(lái)管機(jī)器的,。也就是說(shuō),，自動(dòng)化是管著機(jī)械化的，或者說(shuō)學(xué)自動(dòng)化的是管著學(xué)機(jī)械的……啊,，不對(duì),，不對(duì)，哪是哪�,�,！

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　　有人考證古代就有自動(dòng)化的實(shí)例，但現(xiàn)代意義上的自動(dòng)控制開(kāi)始于瓦特的蒸汽機(jī),。據(jù)說(shuō)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(wèn)題沒(méi)有解決，弄不好轉(zhuǎn)速飛升,，機(jī)器損壞不說(shuō),，還可能說(shuō)大事故。瓦特在蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安了一個(gè)小棍,，棍的一端和放汽閥連著,，放氣閥松開(kāi)來(lái)就關(guān)閉，轉(zhuǎn)速增加,；按下去閥就打開(kāi)，轉(zhuǎn)速降低；棍的另一端是一個(gè)小重錘,，棍中間某個(gè)地方通過(guò)支點(diǎn)和轉(zhuǎn)軸連接,。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)起來(lái)的時(shí)候，小棍由于離心力的緣故揮起來(lái),。轉(zhuǎn)速太高了,，小棍揮會(huì)揮得很高，放汽閥就被按下去打開(kāi),，轉(zhuǎn)速下降,；轉(zhuǎn)速太低了，小棍揮不起來(lái),，放汽閥就被松開(kāi)來(lái)關(guān)閉,，轉(zhuǎn)速回升。這樣,，蒸汽機(jī)可以自動(dòng)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(gè)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(shū)里去找了,。
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　　類似的例子在機(jī)械系統(tǒng)里很多,，家居必備的抽水馬桶是另一個(gè)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(kāi),。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(gè)非常簡(jiǎn)單但非常巧妙的水位控制系統(tǒng),，是一個(gè)經(jīng)典的設(shè)計(jì),，但不容易用經(jīng)典的控制理論來(lái)分析，不過(guò)這是題外話了,。

　　這些機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)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，最好有一個(gè)系統(tǒng)的方法,，可以解決“所有”的自動(dòng)控制問(wèn)題,，這就是控制理論的由來(lái)。
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　　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(lái),。這里有自動(dòng)控制里的第一個(gè)重要概念：反饋（feedback）。

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　　反饋是一個(gè)過(guò)程：

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　　1,、設(shè)定目標(biāo),，對(duì)小朋友走路的例子來(lái)說(shuō)，就是前進(jìn)的路線,。

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

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　　3、將測(cè)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,。

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　　4、調(diào)整行動(dòng),，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。

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　　5,、實(shí)際執(zhí)行,，也就是實(shí)際挪動(dòng)腳步，重回正確的前進(jìn)方向,。
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　　在整個(gè)走路的過(guò)程中,，這個(gè)反饋過(guò)程周而復(fù)始,，不斷進(jìn)行，這樣,，小朋友就不會(huì)走得東倒西歪了,。但是，這里有一個(gè)問(wèn)題：如果所有的事情都是在瞬時(shí)里同時(shí)發(fā)生的,，那這個(gè)反饋過(guò)程就無(wú)法工作。要使反饋工作,，一定要有一定的反應(yīng)時(shí)間,。還好，世上之事,，都有一個(gè)過(guò)程,，這就為反饋贏得了所需要的時(shí)間。
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　　小時(shí)候,，媽媽在鍋里蒸東西,，蒸好了，從鍋里拿出來(lái)總是一個(gè)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(lái),。只要?jiǎng)幼骺�,，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(jué)的溫度最終會(huì)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(gè)逐漸升溫的過(guò)程，這就是動(dòng)態(tài)過(guò)程（dynamic process）,。這里面有兩個(gè)東西要注意：一個(gè)是升溫的過(guò)程有多快,，另一個(gè)是最終的溫度可以升到多少。要是知道了這兩個(gè)參數(shù),，同時(shí)知道自己的手可以耐受多少溫度,，理論上可以計(jì)算出熱的碗在手里可以停留多少時(shí)間而不至于燙手,。
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　　反饋過(guò)程也叫閉環(huán)（closed loop）過(guò)程。既然有閉環(huán),，那就有開(kāi)環(huán)（open loop）,。開(kāi)環(huán)就是沒(méi)有反饋的控制過(guò)程，設(shè)定一個(gè)控制作用,，然后就執(zhí)行,，不根據(jù)實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行校正。開(kāi)環(huán)控制只有對(duì)簡(jiǎn)單的過(guò)程有效,，比如洗衣機(jī)和烘干機(jī)按定時(shí)控制,，到底衣服洗得怎么樣，烘得干不干,，完全取決于開(kāi)始時(shí)的設(shè)定,。對(duì)于洗衣機(jī)、烘干機(jī)這樣的問(wèn)題,，多設(shè)一點(diǎn)時(shí)間就是了,，稍微浪費(fèi)一點(diǎn)，但可以保證效果,。對(duì)于空調(diào)機(jī),，就不能不顧房間溫度，簡(jiǎn)單地設(shè)一個(gè)開(kāi)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(huì)達(dá)到多少,。記得80年代時(shí),，報(bào)告文學(xué)很流行。徐遲寫了一個(gè)《哥德巴赫猜想》,，于是全國(guó)人民都爭(zhēng)當(dāng)科學(xué)家,。小說(shuō)家也爭(zhēng)著寫科學(xué)家，成就太小不行,，所以來(lái)一個(gè)語(yǔ)不驚人死不休,，某大家寫了一個(gè)《無(wú)反饋快速跟蹤》。那時(shí)正在大學(xué)啃磚頭,，對(duì)這個(gè)科學(xué)新發(fā)現(xiàn)大感興趣,，從頭看到尾，也沒(méi)有看明白到底是怎么無(wú)反饋快速跟蹤的�,，F(xiàn)在想想,，小說(shuō)就是小說(shuō)，不過(guò)這無(wú)良作家也太扯,，無(wú)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(dòng)機(jī)差不多了,，怎么不挑一個(gè)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。

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　　在數(shù)學(xué)上,，動(dòng)態(tài)過(guò)程用微分方程描述,，反饋過(guò)程就是在描述動(dòng)態(tài)過(guò)程的微分方程的輸入項(xiàng)和輸出項(xiàng)之間建立一個(gè)關(guān)聯(lián)，這樣改變了微分方程本來(lái)的性質(zhì),。自動(dòng)控制就是在這個(gè)反饋和動(dòng)態(tài)過(guò)程里做文章的。

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　　房間內(nèi)的空調(diào)是一個(gè)簡(jiǎn)單的控制問(wèn)題,。不過(guò)這只是指單一房間,，整個(gè)高層大樓所有房間的中央空調(diào)問(wèn)題實(shí)際上是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)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(dòng)致冷,，把房間的溫度降下來(lái)；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(guò)這樣簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制,，室內(nèi)溫度應(yīng)該就控制在28度,。不過(guò)這里有一個(gè)問(wèn)題，如果溫度高于28度一點(diǎn)點(diǎn),，空調(diào)機(jī)就啟動(dòng),；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(kāi)關(guān)足夠靈敏的話,，空調(diào)機(jī)的開(kāi)關(guān)頻率可以無(wú)窮高，空調(diào)機(jī)不斷地開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān),，要發(fā)神經(jīng)病了,，這對(duì)機(jī)器不好，在實(shí)際上也沒(méi)有必要,。解決的辦法是設(shè)立一個(gè)“死區(qū)”（dead band）,，溫度高于29度時(shí)開(kāi)機(jī),，低于27度時(shí)關(guān)機(jī)。注意不要搞反了,，否則控制單元要發(fā)神經(jīng)了,。
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　　有了一個(gè)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(dòng)態(tài)模型已知,，可以計(jì)算溫度“晃蕩”的周期。不過(guò)既然是講故事,，我們就不去費(fèi)那個(gè)事了,。

　　這種開(kāi)關(guān)控制看起來(lái)“土”，其實(shí)好處不少,。對(duì)于大部分過(guò)程來(lái)說(shuō),，開(kāi)關(guān)控制的精度不高但可以保證穩(wěn)定，或者說(shuō)系統(tǒng)輸出是“有界”的,，也就是說(shuō)實(shí)際測(cè)量值一定會(huì)被限制在一定的范圍,，而不可能無(wú)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,，前者要求輸出最終趨向設(shè)定值，后者只要求在有界的輸入作用下輸出是有界的,，BIBO指bounded input bounded output,。

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　　對(duì)于簡(jiǎn)單的精 度要求不高的過(guò)程，這種開(kāi)關(guān)控制（或者稱繼電器控制,，relay control,，因?yàn)樽钤邕@種控制方式是用繼電器或電磁開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的）就足夠了。但是很多時(shí)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(jué)得吃虧了，但要是飄上去幾公里,，被警察抓下來(lái)吃一個(gè)罰單,，這算誰(shuí)的？
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　　開(kāi)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(méi)有中間的過(guò)渡。如果空調(diào)機(jī)的制冷量有三個(gè)設(shè)定,，：小,、中、大,，根據(jù)室溫和設(shè)定的差別來(lái)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(shuō),，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(wú)級(jí)可調(diào)的空調(diào)機(jī)呢？那豈不可以更精確地控制室溫了嗎,？是的。

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　　無(wú)級(jí)可調(diào)或連續(xù)可調(diào)的空調(diào)機(jī)可以精確控制溫度,，但開(kāi)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(gè)典型的連續(xù)控制問(wèn)題,，因?yàn)樗�龍頭可以連續(xù)調(diào)節(jié)水的流量。沖淋浴時(shí),，假定冷水龍頭不變,，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(kāi)打一點(diǎn),。換句話說(shuō),，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,�,？刂品较�?qū)α耍�還有一個(gè)控制量的問(wèn)題。溫度高了1度,，熱水該關(guān)小多少呢,？
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　　經(jīng)驗(yàn)告訴我們，根據(jù)具體的龍頭和水壓,，溫度高1度,，熱水需要關(guān)小一定的量，比如說(shuō),，關(guān)小一格,。換句話說(shuō)，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�差就是��(shí)際測(cè)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(shuō),，如果淋浴水溫要求為40度,，實(shí)際水溫高于40度時(shí)，熱水龍頭向關(guān)閉的方向變化,；實(shí)際水溫低于40度時(shí),，熱水龍頭向開(kāi)啟的方向變化。
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　　但是比例控制規(guī)律并不能 保證水溫能夠精確達(dá)到 40度,。在實(shí)際生活中,，人們這時(shí)對(duì)熱水龍頭作微調(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�差在時(shí)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(shí)間常數(shù)，其物理意義是偏差恒定時(shí),，控制量加倍所需的時(shí)間,。這里要注意的是，控制偏差有正有負(fù)，全看實(shí)際測(cè)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(cè)量值最終會(huì)穩(wěn)定在設(shè)定值上，控制偏差的累積不會(huì)是無(wú)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）。

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　　比例和積分控制規(guī)律可以應(yīng)付很大一類控制問(wèn)題,，但不是沒(méi)有改進(jìn)余地的,。如果水管水溫快速變化，人們會(huì)根據(jù)水溫的變化調(diào)節(jié)熱水龍頭：水溫升高,，熱水龍頭向關(guān)閉方向變化,，升溫越快，開(kāi)啟越多,；水溫降低,，熱水龍頭向開(kāi)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(cè)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(shí)間常數(shù)。微分時(shí)間常數(shù)沒(méi)有太特定的物理意義,，只是積分叫時(shí)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(cè)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(cè)量信號(hào)不是很“干凈”，時(shí)不時(shí)有那么一點(diǎn)不大不小的“毛刺”或擾動(dòng),，微分控制就會(huì)被這些風(fēng)吹草動(dòng)搞得方寸大亂,，產(chǎn)生很多不必要甚至錯(cuò)誤的控制信號(hào)。所以工業(yè)上對(duì)微分控制的使用是很謹(jǐn)慎的,。

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　　比例-積分-微分控制規(guī)律是工業(yè)上最常用的控制規(guī)律,。人們一般根據(jù)比例-積分-微分的英文縮寫，將其簡(jiǎn)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。

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　　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(cè)量值還比設(shè)定值低,，但其快速上揚(yáng)的沖勢(shì)需要及早加以抑制，否則,，等到實(shí)際值超過(guò)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(shì),，不看具體數(shù)值所在，所以最理想的情況也就是把實(shí)際值穩(wěn)定下來(lái),，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(méi)有這些問(wèn)題,，比例控制的反應(yīng)快,，穩(wěn)定性好，是最基本的控制作用,，是“皮”,，積分、微分控制是對(duì)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(duì)象反應(yīng)遲緩,，需要在開(kāi)始有所反應(yīng)時(shí),，及早補(bǔ)償，才予以采用,。只用比例和微分的情況很少見(jiàn),。
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　　連續(xù)控制的精度是開(kāi)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(jià)的,，這就是穩(wěn)定性問(wèn)題,�,？刂圃鲆鏇Q定了控制作用對(duì)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(guò)來(lái)。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(guó)民經(jīng)濟(jì)過(guò)熱,，需要經(jīng)濟(jì)調(diào)整,，但調(diào)整過(guò)火，就要造成“硬著陸”,，引起衰退,；衰退時(shí)需要刺激，同樣,，刺激過(guò)火,，會(huì)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(gè)經(jīng)濟(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。

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　　實(shí)際中到底多少增益才是最合適的,，理論上有很多計(jì)算方法,，但實(shí)用中一般是靠經(jīng)驗(yàn)和調(diào)試來(lái)摸索最佳增益,，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(guò),；如果系統(tǒng)響應(yīng)非常神經(jīng)質(zhì),，動(dòng)不動(dòng)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(guò)分,。中頻振蕩當(dāng)然就是比例的問(wèn)題了。不過(guò)各個(gè)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(gè)幾句話說(shuō)不清楚,，應(yīng)了毛主席那句話：“具體情況具體分析”,，所以就打一個(gè)哈哈了。
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　　再具體說(shuō)起來(lái),，參數(shù)整定有兩個(gè)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,，只有在最必要的情況下,，比如反映遲緩的溫度過(guò)程或容量極大的液位過(guò)程，測(cè)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(gè)“歪路子”：用非常小的比例作用,，但大大強(qiáng)化積分作用。這個(gè)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(cè)量噪聲嚴(yán)重，或系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)敏時(shí),，積分為主的控制規(guī)律動(dòng)作比較緩和,，不易激勵(lì)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,。
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　　在很多情況下，在初始PID參數(shù)整定之后,，只要系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)不穩(wěn)定或性能顯著退化,，一般不會(huì)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(kāi)環(huán)穩(wěn)定的,，也就是說(shuō)，只要控制作用恒定不變,，系統(tǒng)響應(yīng)最終應(yīng)該穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值,，盡管可能不是設(shè)定值,，所以對(duì)付不穩(wěn)定的第一個(gè)動(dòng)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(shí)加大積分時(shí)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(huì)莫名其妙地突然變壞,，上述“救火”式重新整定常常是臨時(shí)性的,，等生產(chǎn)過(guò)程中的機(jī)械或原料問(wèn)題消除后，參數(shù)還是要設(shè)回原來(lái)的數(shù)值,，否則系統(tǒng)性能會(huì)太過(guò)“懶散”,。

　　對(duì)于新工廠，系統(tǒng)還沒(méi)有投運(yùn),，沒(méi)法根據(jù)實(shí)際響應(yīng)來(lái)整定,，一般先估計(jì)一個(gè)初始參數(shù)，在系統(tǒng)投運(yùn)的過(guò)程中,，對(duì)控制回路逐個(gè)整定,。我自己的經(jīng)驗(yàn)是，對(duì)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(gè)組合一般不致于一上來(lái)就出大問(wèn)題,。溫度回路可以從2、5,、0.05開(kāi)始,，液位回路從5、10,、0開(kāi)始,，氣相壓力回路從10、20,、0開(kāi)始,。既然這些都是憑經(jīng)驗(yàn)的估計(jì)，那當(dāng)然要具體情況具體分析,，不可能“放之四海而皆準(zhǔn)”,。
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　　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(guò)一個(gè)小小的冷凝液罐,，直徑才兩英尺，長(zhǎng)不過(guò)5英尺,，但是流量倒要8-12噸/小時(shí),，一有風(fēng)吹草動(dòng)，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(lái),，常常是控制閥剛開(kāi)始反應(yīng),，液位已經(jīng)到頂或到底了。最后加了0.05的微分,，液位一開(kāi)始變化,，控制閥就開(kāi)始抑制，反而穩(wěn)定下來(lái)了,。這和常規(guī)的參數(shù)整定的路子背道而馳,，但在這個(gè)情況下，反而是“唯一”的選擇,，因?yàn)闇y(cè)量值和控制閥的飽和變成穩(wěn)定性主要的問(wèn)題了,。
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　　對(duì)工業(yè)界以積分為主導(dǎo)控制作用的做法再啰嗦幾句。學(xué)術(shù)上,，控制的穩(wěn)定性基本就是漸近穩(wěn)定性,，BIBO穩(wěn)定性是沒(méi)有辦法證明漸近穩(wěn)定性時(shí)的“退而求其次”的東西，不怎么上臺(tái)面的,。但是工業(yè)界里的穩(wěn)定性有兩個(gè)看起來(lái)相似,、實(shí)質(zhì)上不盡相同的方面：一個(gè)當(dāng)然是漸近穩(wěn)定性，另一個(gè)則是穩(wěn)定性,，但不一定向設(shè)定值收斂,，或者說(shuō)穩(wěn)定性比收斂性優(yōu)先這樣一個(gè)情況。具體來(lái)說(shuō),，就是需要系統(tǒng)穩(wěn)定在一個(gè)值上,，不要?jiǎng)觼?lái)動(dòng)去，但是不是在設(shè)定值并不是太重要,，只要不是太離譜就行,。例子有很多，比如反應(yīng)器的壓力是一個(gè)重要參數(shù),，反應(yīng)器不穩(wěn)定,，原料進(jìn)料比例就亂套,，催化劑進(jìn)料也不穩(wěn)定，反應(yīng)就不穩(wěn)定,，但是反應(yīng)器的壓力到底是10個(gè)大氣壓還是 12個(gè)大氣壓,，并沒(méi)有太大的關(guān)系，只要慢慢地但是穩(wěn)定地向設(shè)定值移動(dòng)就足夠了,。這是控制理論里比較少涉及的一個(gè)情況,，這也是工業(yè)上時(shí)常采用積分主導(dǎo)的控制的一個(gè)重要原因。
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　　前面說(shuō)到系統(tǒng)的頻率,，本來(lái)也就是系統(tǒng)響應(yīng)持續(xù)振蕩時(shí)的頻率,，但是控制領(lǐng)域里有三撥人在搗騰：一撥是以機(jī)電類動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)為特色的電工出身，包括航空,、機(jī)器人等,，一撥是以連續(xù)過(guò)程為特色的化工出身的，包冶金,、造紙等,，還有一撥是以微分方程穩(wěn)定性為特色的應(yīng)用數(shù)學(xué)出身的。在瓦特和抽水馬桶的年代里,，各打各的山頭,，井水不犯河水，倒也太平,。但控制從藝術(shù)上升為理論后,，總有人喜歡“統(tǒng)一”，電工幫搶了先,，好端端的控制理論里被塞進(jìn)了電工里的頻率,。童子們哪，那哪是頻率啊,，那是……復(fù)頻率,。既然那些變態(tài)的電工幫（啊耶，這下鹿踹真的要來(lái)了）能折騰出虛功率,，那他們也能折騰出復(fù)頻率來(lái),，他們自虐倒也算了，只是苦了我等無(wú)辜之眾,，被迫受此精神折磨,。

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　　事情的緣由是系統(tǒng)的穩(wěn)定性。前面提到,，PID的參數(shù)如果設(shè)得不好,，系統(tǒng)可能不穩(wěn)定。除了摸索，有沒(méi)有辦法從理論上計(jì)算出合適的PID參數(shù)呢,？前面也提到,，動(dòng)態(tài)過(guò)程可以用微分方程描述，其實(shí)在PID的階段,，這只是微分方程中很狹窄的一支：?jiǎn)巫兞烤�性常微分方程,。要是還記得大一高數(shù)，一定還記得線形常微的解,，除了分離變量法什么的,，如果自變量時(shí)間用t表示的話,，最常用的求解還是把 exp(λt)代入微分方程,，然后解已經(jīng)變成λ的代數(shù)方程的特征方程，解出來(lái)的解可以是實(shí)數(shù),，也可以是復(fù)數(shù),，是復(fù)數(shù)的話，就要用三角函數(shù)展開(kāi)了（怎么樣,，大一噩夢(mèng)的感覺(jué)找回來(lái)一點(diǎn)沒(méi)有,？）。只要實(shí)根為負(fù),，那微分方程就是穩(wěn)定的,，因?yàn)樨?fù)的指數(shù)項(xiàng)最終向零收斂，復(fù)根到底多少就無(wú)所謂了,，對(duì)穩(wěn)定性沒(méi)有影響,。但是，這么求解分析起來(lái)還是不容易,，還是超不出“具體情況具體分析”,，難以得出一般的結(jié)論。
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法國(guó)人以好色,、好吃出名,，但是他們食色性也之后，還不老實(shí),，其中一個(gè)叫拉普拉斯的家伙,，搗鼓出什么拉普拉斯變換，把常微分方程變成s的多項(xiàng)式,。然后那幫電工的家伙們,，喜歡自虐，往s里塞jω,，就是那個(gè)復(fù)頻率,，整出一個(gè)變態(tài)的頻率分析，用來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。不過(guò)說(shuō)變態(tài),，也不完全公平,，在沒(méi)有計(jì)算機(jī)的年代，各種圖表是最有效的分析方法,，還美其名曰“幾何分析”,。頻率分析也不例外。美國(guó)佬Evans搞出一個(gè)根軌跡（root locus）,，思路倒是滿有意思的,。他用增益作自變量，將系統(tǒng)的根（不管實(shí)的虛的）在復(fù)平面上畫出軌跡來(lái),，要是軌跡在左半平面打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),，那就是實(shí)根為負(fù)，就是穩(wěn)定的,。再深究下去,，系統(tǒng)響應(yīng)的臨界頻率之類也可以計(jì)算出來(lái)。最大的好處是,，對(duì)于常見(jiàn)的系統(tǒng),，可以給出一套作圖規(guī)則來(lái)，熟練的大牛,、小牛,、公牛、母牛們,，眼睛一瞄,，隨手就可以畫出根軌跡來(lái)，然后就可以告訴你,，增益變化多多少,，系統(tǒng)開(kāi)始振蕩，再增加多少,，系統(tǒng)會(huì)不穩(wěn)定,，云云。

　　
根軌跡還是比較客氣的,，還有更變態(tài)的奈奎斯特,、伯德和尼科爾斯法，想想腦子都大,。都是叫那幫電工分子害的,。時(shí)至今日，計(jì)算機(jī)分析已經(jīng)很普及了,，但是古典的圖示分析還是有經(jīng)久不衰的魅力,，就是因?yàn)閳D示分析不光告訴你系統(tǒng)是穩(wěn)定還是不穩(wěn)定,，以及其他一些動(dòng)態(tài)響應(yīng)的參數(shù)，圖示分析還可以定性地告訴你增益變化甚至系統(tǒng)參數(shù)變化引起的閉環(huán)性能變化,。咦,，剛才還不是在說(shuō)人家變態(tài)嗎？呃,，變態(tài)也有變態(tài)的魅力不是,？哈哈。
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　　以頻率分析（也稱頻域分析）為特色的控制理論稱為經(jīng)典控制理論,。經(jīng)典控制理論可以把系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析得天花亂墜,，但有兩個(gè)前提：一、要已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,，這在實(shí)際中不容易得到,；二、被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不會(huì)改變或漂移,，這在實(shí)際中更難做到,。對(duì)簡(jiǎn)單過(guò)程建立微分方程是可能的,，但簡(jiǎn)單過(guò)程的控制不麻煩,，經(jīng)驗(yàn)法參數(shù)整定就搞定了，不需要費(fèi)那個(gè)麻煩,，而真正需要理論計(jì)算幫忙的回路,，建立模型太困難，或者模型本身的不確定性很高,，使得理論分析失去意義,。經(jīng)典控制理論在機(jī)械、航空,、電機(jī)中還是有成功的應(yīng)用,，畢竟從F=ma出發(fā)，可以建立“所有”的機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,，鐵疙瘩的重量又不會(huì)莫名其妙地改變,，主要環(huán)境參數(shù)都可以測(cè)量，但是經(jīng)典控制理論至少在化工控制中實(shí)用成功的例子實(shí)在是鳳毛麟角,，給你一個(gè)50塊塔板的精餾塔,，一個(gè)氣相進(jìn)料，一個(gè)液相進(jìn)料,，塔頂,、塔底出料加一個(gè)側(cè)線出料，塔頂風(fēng)冷冷凝器,，塔底再沸器加一個(gè)中間再沸器,，你就慢慢建模去吧，等九牛二虎把模型建立起來(lái)了，風(fēng)冷冷凝器受風(fēng)霜雨雪的影響,，再沸器的高壓蒸汽的壓力受友鄰裝置的影響,，氣相進(jìn)料的溫度和飽和度受上游裝置的影響而改變，液相進(jìn)料的混合組分受上游裝置的影響而改變,，但組分無(wú)法及時(shí)測(cè)量（在線氣相色譜分析結(jié)果要45 分鐘才能出來(lái)）,，動(dòng)態(tài)特性全變了。
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　　老家伙歌德兩百年前就說(shuō)了,，理論是灰色的,，生命之樹(shù)常青。我們知道馬鹿喜歡金光的或者銀光的,，至少也要紅的,，不過(guò)只好將就啦，青綠地干活,。在實(shí)用中,，PID有很多表兄弟，幫著大表哥一塊打天下,。

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　　比例控制的特點(diǎn)是：偏差大,，控制作用就大。但在實(shí)際中有時(shí)還嫌不夠,，最好偏差大的時(shí)候,，比例增益也大，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)大偏差的矯正作用,，及早把系統(tǒng)拉回到設(shè)定值附近,；偏差小的時(shí)候，當(dāng)然就不用那么急吼吼,，慢慢來(lái)就行,，所以增益小一點(diǎn)，加強(qiáng)穩(wěn)定性,。這就是雙增益PID（也叫雙模式PID）的起源,。想想也對(duì)，高射炮瞄準(zhǔn)敵機(jī)是一個(gè)控制問(wèn)題,。如果炮管還指向離目標(biāo)很遠(yuǎn)的角度,，那應(yīng)該先盡快地把炮管轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度附近，動(dòng)作猛一點(diǎn)才好,；但炮管指向已經(jīng)目標(biāo)很近了,，就要再慢慢地精細(xì)瞄準(zhǔn)。工業(yè)上也有很多類似的問(wèn)題,。雙增益PID的一個(gè)特例是死區(qū)PID（PIDwith dead band）,，小偏差時(shí)的增益為零,，也就是說(shuō)，測(cè)量值和設(shè)定值相差不大的時(shí)候,，就隨他去,，不用控制。這在大型緩沖容器的液位控制里用得很多,。本來(lái)緩沖容器就是緩沖流量變化的,，液位到底控制在什么地方并不緊要，只要不是太高或太低就行,。但是,，從緩沖容器流向下游裝置的流量要盡可能穩(wěn)定，否則下游裝置會(huì)受到不必要的擾動(dòng),。死區(qū)PID對(duì)這樣的控制問(wèn)題是最合適的,。但是天下沒(méi)有免費(fèi)的午餐。死區(qū)PID的前提是液位在一般情況下會(huì)“自動(dòng)”穩(wěn)定在死區(qū)內(nèi),，如果死區(qū)設(shè)置不當(dāng),，或系統(tǒng)經(jīng)常受到大幅度的擾動(dòng)，死區(qū)內(nèi)的“無(wú)控”狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致液位不受限制地向死區(qū)邊界“挺進(jìn)”,，最后進(jìn)入“受控”區(qū)時(shí),，控制作用過(guò)火，液位向相反方向不受限制地“挺進(jìn)”,，最后的結(jié)果是液位永遠(yuǎn)在死區(qū)的兩端振蕩,，而永遠(yuǎn)不會(huì)穩(wěn)定下來(lái),，業(yè)內(nèi)叫hunting（打獵,？打什么？打鹿,？）,。雙增益PID也有同樣的問(wèn)題，只是比死區(qū)PID好一些,，畢竟只有“強(qiáng)控制”和“弱控制”的差別,，而沒(méi)有“無(wú)控區(qū)”。在實(shí)用中,，雙增益的內(nèi)外增益差別小于2：1沒(méi)有多大意義,，大于 5：1就要注意上述的持續(xù)振蕩或hunting的問(wèn)題。
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　　雙增益或死區(qū)PID的問(wèn)題在于增益的變化是不連續(xù)的,，控制作用在死區(qū)邊界上有一個(gè)突然的變化,，容易誘發(fā)系統(tǒng)的不利響應(yīng)，平方誤差PID就沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題,。誤差一經(jīng)平方,，控制量對(duì)誤差的曲線就成了拋物線,，同樣達(dá)到“小偏差小增益、大偏差大增益”的效果,，還沒(méi)有和突然的不連續(xù)的增益變化,。但是誤差平方有兩個(gè)問(wèn)題：一是誤差接近于零的時(shí)候，增益也接近于零,，回到上面死區(qū)PID的問(wèn)題,；二是很難控制拋物線的具體形狀，或者說(shuō),，很難制定增益在什么地方拐彎,。對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，可以在誤差平方PID上加一個(gè)基本的線性PID,，是零誤差是增益不為零,；對(duì)于后一個(gè)問(wèn)題，就要用另外的模塊計(jì)算一個(gè)連續(xù)變化的增益了,。具體細(xì)節(jié)比較瑣碎,，將偏差送入一個(gè)分段線性化（也就是折線啦）的計(jì)算單元，然后將計(jì)算結(jié)果作為比例增益輸出到PID控制器,，折線的水平段就對(duì)應(yīng)予不同的增益,，而連接不同的水平段的斜線就對(duì)應(yīng)于增益的連續(xù)變化。通過(guò)設(shè)置水平段和斜線段的折點(diǎn),，可以任意調(diào)整變?cè)鲆娴那�線,。要是“野心”大一點(diǎn)，再加幾個(gè)計(jì)算單元,，可以做出不對(duì)稱的增益,，也就是升溫時(shí)增益低一點(diǎn)，降溫時(shí)增益高一點(diǎn),，以處理加熱過(guò)程中常見(jiàn)的升溫快,、降溫慢的問(wèn)題。

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　　雙增益或誤差平方都是在比例增益上作文章,，同樣的勾當(dāng)也可以用在積分和微分上,。更極端的一種PID規(guī)律叫積分分離 PID，其思路是這樣的：比例控制的穩(wěn)定性好,，響應(yīng)快,，所以偏差大的時(shí)候，把PID中的積分關(guān)閉掉,；偏差小的時(shí)候,，精細(xì)調(diào)整、消除余差是主要問(wèn)題,，所以減弱甚至關(guān)閉比例作用,，而積分作用切入控制,。概念是好的，但具體實(shí)施的時(shí)候,，有很多無(wú)擾動(dòng)切換的問(wèn)題,。

　　這些變態(tài)的PID在理論上很難分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但在實(shí)用中解決了很多困難的問(wèn)題。大言不慚一句，這些PID本人在實(shí)際中都用過(guò),。

　　復(fù)雜結(jié)構(gòu)PID

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　　打仗時(shí)，如果敵人太頑固,，要么換更大的炮，把敵人轟倒,；要么采用更巧妙的戰(zhàn)術(shù),，把敵人暈倒�,？刂埔彩且粯�,，單回路PID難以解決的問(wèn)題，常�,？梢酝ㄟ^(guò)更巧妙的回路結(jié)構(gòu)來(lái)解決,。
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　　單一的PID回路當(dāng)然可以實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)抑制，但要是主要擾動(dòng)在回路中,，而且是明確的,，加一個(gè)內(nèi)回路作幫手是一個(gè)很不錯(cuò)的主意。還記得洗熱水澡的例子嗎,？要是熱水壓力不穩(wěn)定,，老是要為這個(gè)而調(diào)整熱水龍頭，那很麻煩,。要是有一個(gè)人專門負(fù)責(zé)根據(jù)熱水壓力調(diào)節(jié)熱水流量,，把熱水壓力穩(wěn)定下來(lái)，而且穩(wěn)定在標(biāo)定值,，那洗澡的時(shí)候，水溫就容易控制多了,，只要告訴那個(gè)人現(xiàn)在需要多少熱水流量,，而不必?zé)┬臒崴畨毫��?duì)熱水流量的影響。這個(gè)負(fù)責(zé)熱水流量的控制回路就是內(nèi)回路,，也叫副回路,，而洗澡的溫度就是外回路，也叫主回路,，當(dāng)然是主回路指揮副回路,，就像自動(dòng)化指揮機(jī)械化,、學(xué)自控的人指揮學(xué)機(jī)電的人……打住打住，再扯遠(yuǎn)了要挨鹿踹了,，或者馬踹,、牛踹、驢踹……,。這種主回路套副回路的結(jié)構(gòu)叫串級(jí)控制（cascade control）,，曾經(jīng)是單回路PID后工業(yè)上第一種“先進(jìn)過(guò)程控制”，現(xiàn)在串級(jí)已經(jīng)用得很多了,，也不再有人叫它“先進(jìn)過(guò)程控制”了,。串級(jí)控制最主要的功用是抑制回路內(nèi)的擾動(dòng)，增強(qiáng)總體控制性能,。不過(guò)串級(jí)也不能亂用,。如果主回路和副回路的相應(yīng)速度差不多，或者主回路的相應(yīng)速度甚至慢于副回路（通過(guò)變態(tài)的調(diào)試是可以做到的）,，這樣的串級(jí)要出問(wèn)題,。理論上可以用共振頻率什么的分析，但是不用費(fèi)那個(gè)事,，用膝蓋想想就知道,，一個(gè)急性子的頭兒把一個(gè)溫吞水的下屬指揮得團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)，結(jié)果只能是大家都精疲力竭,，事情還辦砸了,。相反，一個(gè)鎮(zhèn)定自若的頭兒指揮一個(gè)手腳麻利的下屬,，那事情肯定辦得好,。
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　　如果主要擾動(dòng)在回路以外，但是可以預(yù)知,，那就要用另一個(gè)辦法,，就是馬鹿前面說(shuō)到的前饋了。還是用洗熱水澡的例子,。如果冷水管和同一個(gè)水房的抽水馬桶功用,，你在洗澡，別人一抽水,，那你就變煮熟的龍蝦了（本想說(shuō)猴子PP的,，但是那個(gè)不雅，我們要五講四美不是,？）,。這個(gè)時(shí)候，要使那個(gè)人在抽水的同時(shí)告訴你一聲，你算好時(shí)間,，算好量,，猛減熱水，那溫度還是可以大體不變的,。這就是所謂前饋控制（feed-forward control）,。前饋控制有兩個(gè)要緊的東西：一是定量的擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響，也就是所謂前饋增益,；二是擾動(dòng)的動(dòng)態(tài),，別人抽水到洗澡龍頭的水溫變熱，這里面有一個(gè)過(guò)程,，不是立時(shí)三刻的,。如果可以精確知道這兩樣?xùn)|西，那前饋補(bǔ)償可以把可測(cè)擾動(dòng)完全補(bǔ)償?shù)�,。但�?shí)際上沒(méi)有精確知道的事情,，要是指望前饋來(lái)完全補(bǔ)償，弄巧成拙是肯定的,。所以前饋通常和反饋一起用,，也就是在PID回路上再加一個(gè)前饋。一般也只用靜態(tài)前饋,，也就是只補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控變量的靜態(tài)影響,，而忽略擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)因素，主要是為了靜態(tài)前饋已經(jīng)把前饋80%的好處發(fā)掘出來(lái)了,，動(dòng)態(tài)前饋既復(fù)雜又不可靠,，在PID回路里很少有人用。理論上的前饋都是在PID 的控制作用上再加一個(gè)前饋?zhàn)饔�,，�?shí)際上也可以乘一個(gè)控制作用,。乘法前饋的作用太猛，我從來(lái)沒(méi)有用過(guò),，一般都是用加法,。在實(shí)施中，前饋是和擾動(dòng)的變化（也就是增量）成比例的,，所以擾動(dòng)變量不變了,，前饋?zhàn)饔镁拖�失，否則,，整定前饋控制增益會(huì)對(duì)PID主回路造成擾動(dòng),。前饋增益可以根據(jù)粗略計(jì)算得到，比如說(shuō),，抽水的量會(huì)造成溫度下降多少、需要調(diào)整多少熱水流量才能維持溫度,，這不難從熱量平衡算出來(lái),。不想費(fèi)這個(gè)事的話,，也可以從歷史數(shù)據(jù)中推算。一般算出來(lái)一個(gè)前饋增益后,，打上7折甚至5折再用,，保險(xiǎn)一點(diǎn)，不要矯枉過(guò)正,。
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　　前饋?zhàn)饔靡话闶怯米鬏o助控制作用的,，但是在特殊情況下，前饋也可以作為“預(yù)加載” （pre-loading）作為基準(zhǔn)控制作用,。比如說(shuō),，在一個(gè)高壓系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程中，壓力可以從靜止?fàn)顟B(tài)的常壓很快地什到很高的壓力,。高壓系統(tǒng)不容許閥門大幅度運(yùn)動(dòng),，所以控制增益都比較低，但是這樣一來(lái),，啟動(dòng)升壓過(guò)程中,，壓力控制的反應(yīng)就十分遲緩，容易造成壓力過(guò)高,。這時(shí)用壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速或高壓進(jìn)料的流量作前饋,，將壓力控制閥“預(yù)先”放到大概的位置，然后再用反饋慢慢調(diào)節(jié),，就可以解決這個(gè)問(wèn)題,。
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　　有點(diǎn)搞笑兄在前面提到用單個(gè)閥門有時(shí)難以控制大 范圍變化的流量，這是一個(gè)很實(shí)際的問(wèn)題,。工業(yè)閥門一般turndown只有10：1,，也就是說(shuō)，如果這個(gè)閥門的最大流量是100噸/小時(shí)的話,，低于10噸/小時(shí)就難以控制了,，當(dāng)然，高于90噸/小時(shí)也幾近失去控制,。所以,，要真的保證0-100的精確控制，需要將一個(gè)大閥和一個(gè)小閥并列,，小閥負(fù)責(zé)小流量時(shí)的精確控制,，大閥負(fù)責(zé)大流量時(shí)的精確控制，這就是所謂的分程控制（split range control）,。分程控制時(shí),，小閥首先打開(kāi)，超過(guò)小閥最大流量是小閥就固定在全開(kāi)位置，大閥開(kāi)始打開(kāi),，接過(guò)控制,。這是開(kāi)-開(kāi)型分程控制。也有關(guān)-開(kāi)型分程控制,，比如反應(yīng)器夾套溫度控制,，隨溫度逐漸上升，冷卻水逐漸關(guān)閉,，直到冷卻水全關(guān),，加熱蒸氣開(kāi)始打開(kāi)。分程控制當(dāng)然不一定只有兩截,，三截甚至更多都是可以的,，道理都一樣。分程控制的問(wèn)題在于不同閥門的交接點(diǎn),。閥門在特別小的開(kāi)度時(shí),，控制非常不靈敏，前面說(shuō)到的10：1也是這個(gè)道理,。所以實(shí)用中,，開(kāi)-開(kāi)型分程控制常常在交接點(diǎn)附近有一段重疊，也就是小閥快要全開(kāi)但還沒(méi)有全開(kāi)時(shí),，大閥已經(jīng)開(kāi)始動(dòng)作,，這樣，到小閥全開(kāi),、不能再動(dòng)彈時(shí),，大閥已經(jīng)進(jìn)入有效控制范圍。關(guān)-開(kāi)型分程控制常常在交接點(diǎn)設(shè)置一個(gè)死區(qū),，避免出現(xiàn)兩個(gè)閥都有一點(diǎn)點(diǎn)開(kāi)度的情況,。分程控制的交接點(diǎn)的設(shè)置有一點(diǎn)講究，應(yīng)該根據(jù)閥的大小,。比如A閥比 B閥大一倍,，那分程點(diǎn)應(yīng)該設(shè)在1/3先開(kāi)B閥，而不是懶漢做法的1/2,。

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　　很多過(guò)程參數(shù)都是可以測(cè)量的,，但也有很多參數(shù)是沒(méi)法直接測(cè)量的，這時(shí),，如果能夠通過(guò)別的可以測(cè)量的過(guò)程參數(shù)來(lái)間接計(jì)算真正需要控制的參數(shù),，這就是所謂的推斷控制（inferential control）。比如精餾塔頂?shù)漠a(chǎn)品純度可以用氣相色譜（gaschromatograph,，GC）來(lái)測(cè)量,，但結(jié)果要等40分鐘才能出來(lái),，用來(lái)做實(shí)時(shí)控制，黃花菜都涼了,。推斷控制是和“軟傳感器”（soft sensor）的概念緊密相連的,。對(duì)精餾塔塔頂純度這個(gè)例子來(lái)說(shuō),，可以用純度和塔頂溫度,、壓力作一個(gè)數(shù)學(xué)模型，用可以測(cè)量的溫度和壓力,，間接計(jì)算出純度,。在計(jì)算機(jī)控制普及的今天，這是很容易實(shí)現(xiàn)的,，但是在很多地方,，推斷控制仍然被看成很神秘的東西，悲哀,。

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　　有的時(shí)候,，對(duì)同一個(gè)變量有不止一個(gè)控制手段。比如說(shuō),，風(fēng)冷器有風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié),，也有百葉窗的開(kāi)度可以調(diào)節(jié)。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的效果快,，控制精確,；百葉窗開(kāi)度的效果猛，不容易掌握,，但有利于節(jié)能,。所以，可以用風(fēng)扇的快速響應(yīng)來(lái)控制溫度,，但是用百葉窗開(kāi)度來(lái)通過(guò)溫度間接地緩慢地影響風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速回到最經(jīng)濟(jì)的設(shè)定。當(dāng)然百葉窗開(kāi)度的控制回路必須要比風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制回路整定得慢得多,，一般是緩慢的純積分控制,，否則兩人要打架。由于這相當(dāng)于控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的“閥位”,，工業(yè)上稱其為閥位控制（valve position control）,。這個(gè)閥位控制也可以變一變，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速高于某一數(shù)值（比如80%的最大轉(zhuǎn)速）時(shí),，把百葉窗開(kāi)大一格,，還是高就繼續(xù)開(kāi)大；風(fēng)扇轉(zhuǎn)速低于某一數(shù)值（比如低于20%最大轉(zhuǎn)速）時(shí),，把百葉窗關(guān)小一格,。這實(shí)際上是一個(gè)單向的積分作用,，不同的地方有兩點(diǎn)：

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　　一、有兩個(gè)設(shè)定值,，由風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是高還是低而定

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　　二,、積分作用只有在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在這兩個(gè)“極限”的外面起作用，在里面時(shí),，百葉窗的開(kāi)度不變,。
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　　這樣，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不必回到一個(gè)特定值,，而是可以在一個(gè)范圍內(nèi)浮動(dòng),。
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　　另 外一個(gè)兩個(gè)控制器“競(jìng)爭(zhēng)”一個(gè)控制閥的情況是選擇性控制（override control或selective control）。舉個(gè)例子,，鍋爐的溫度由燃料流量控制,，溫度高了，燃料流量就減下來(lái),，但是燃料流量低到燃料管路壓力低于爐膛壓力,，那要出現(xiàn)危險(xiǎn)的回火，所以,，這時(shí),，燃料管路壓力就要接管控制，而犧牲爐膛溫度,。換句話說(shuō),，正常時(shí)候，爐膛溫度控制起作用,，燃料管路壓力低于一定數(shù)值時(shí),，燃料管路壓力控制器作用。在實(shí)施時(shí),，就是爐膛溫度控制器和燃料管路壓力控制器的輸出都接到一個(gè)高選器,，然后搞選器的輸出接到實(shí)際的燃料閥。這個(gè)概念很清楚,，但是初次接觸選擇性控制的人,，常常容易被高選還是低選搞糊涂，明明是壓力太低,，怎么是高選呢,？其實(shí)，只要記住高選還是低選是從閥門這一頭看的,，和溫度,、壓力的高度沒(méi)有關(guān)系。如果“非�,！弊兞砍�過(guò)界限了,，你要閥門打開(kāi),，那就是高選；你要閥門關(guān)閉,，那就是低選,。
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　　PID從二、三十年到開(kāi)始在工業(yè)界廣泛應(yīng)用,，戲法變了幾十年,，也該換換花樣了。PID說(shuō)一千道一萬(wàn),，還是經(jīng)典控制理論的產(chǎn)物,。50-60年代時(shí)，什么都要現(xiàn)代派,，建筑從經(jīng)典的柱式、比例,、細(xì)節(jié)的象征意義,，變到“形式服從功能”的鋼架玻璃盒子；汽車從用機(jī)器牽引的馬車,，變到流線型的鋼鐵的藝術(shù),；控制理論也要緊跟形勢(shì)，要現(xiàn)代化,。這不,，美國(guó)佬卡爾曼隆重推出……現(xiàn)代控制理論。

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作者: biudiu    時(shí)間: 2015-10-13 23:06
先睡覺(jué),，Mark一下,，謝謝分享

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作者: zsdwx    時(shí)間: 2015-10-13 23:26
形象生動(dòng)，深入淺出,，大贊,！我這樣的自控方面小白看完也能有所獲益。大師如果能再說(shuō)說(shuō)模糊控制方面的東西就更好了,。

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作者: su27sks    時(shí)間: 2015-10-13 23:30
這是你寫的,？寫得不錯(cuò)，挺有趣的,，知識(shí)豐富,，比老師講的要通俗易懂

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作者: 12qwaszx12    時(shí)間: 2015-10-14 08:22
文章寫于2005年，作者晨楓,，是老三屆的大學(xué)生,。

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作者: andyany    時(shí)間: 2015-10-14 08:28
這才是玩控制的。

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作者: jxwys2008    時(shí)間: 2015-10-14 08:30
受益匪淺,，收藏了

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作者: 西斜    時(shí)間: 2015-10-14 10:15
淺顯易懂,，太好了

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作者: 把刀用好    時(shí)間: 2015-10-14 10:16
看了前面一小段,，跟管理里的PDCA一個(gè)思路。

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作者: 沒(méi)文化    時(shí)間: 2015-10-14 10:35
佩服

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作者: 杰克阿里    時(shí)間: 2015-10-14 10:41
看了一遍又看一遍還是不太明白,！大概還是學(xué)過(guò)的,，還是有很多不清楚的！比例,、積分控制比較好理解,，微分就不太理解了。而且控制論還是要有很多技術(shù)配合的�,�,！希望以后還能多請(qǐng)教

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作者: 黑白心境    時(shí)間: 2015-10-14 11:24
收藏了，謝謝

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作者: 陽(yáng)陽(yáng)11    時(shí)間: 2015-10-14 11:47
謝謝大師的講解

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作者: qijc    時(shí)間: 2015-10-14 13:57
把剩下的兩篇給你們貼出來(lái)吧,。

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都看過(guò)舞龍吧,？一個(gè)張牙舞爪的龍頭氣咻咻地追逐著一個(gè)大繡球，龍身子扭來(lái)扭去,，還時(shí)不時(shí)跳躍那么一兩下,。中國(guó)春節(jié)沒(méi)有舞龍，就和洋人的圣誕節(jié)沒(méi)有圣誕老人一樣不可思議,。想象一下,，如果這是一條眼睛看不見(jiàn)的盲龍，只能通過(guò)一個(gè)人捏著龍尾巴在后面指揮,，然后再通過(guò)龍身體里的人一個(gè)接一個(gè)地傳遞控制指令,，最后使龍頭咬住繡球。這顯然是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng),，龍身越長(zhǎng),，人越多，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越遲緩,。如果只看龍頭的位置,，只操控龍尾巴，而忽略龍身子的動(dòng)態(tài),，那就是所謂的輸入-輸出系統(tǒng),。經(jīng)典控制理論就是建立在輸入-輸出系統(tǒng)的基礎(chǔ)上的。對(duì)于很多常見(jiàn)的應(yīng)用,，這就足夠了,。
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  r  X! j1 C, B+ \0 V但是卡爾曼不滿足于“足夠”。龍頭當(dāng)然要看住,，龍尾巴當(dāng)然要捏住,，但龍身體為什么就要忽略呢？要是能夠看住龍身體,，甚至操縱龍身體,，也就是說(shuō),，不光要控制龍尾巴，控制指令還要直接傳到龍身體里的那些人,，那豈不更好,？這就是狀態(tài)空間的概念：將一個(gè)系統(tǒng)分解為輸入、輸出和狀態(tài),。輸出本身也是一個(gè)狀態(tài),，或者是狀態(tài)的一個(gè)組合。在數(shù)學(xué)上,，卡爾曼的狀態(tài)空間方法就是將一個(gè)高階微分方程分解成一個(gè)聯(lián)立的一階微分方程組,，這樣可以使用很多線形代數(shù)的工具，在表述上也比較簡(jiǎn)潔,、明了,。

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卡爾曼是一個(gè)數(shù)學(xué)家。數(shù)學(xué)家的想法就是和工程師不一樣,。工程師腦子里轉(zhuǎn)的第一個(gè)念頭就是“我怎么控制這勞什子,？增益多少？控制器結(jié)構(gòu)是什么樣的,？”數(shù)學(xué)家想的卻是什么解的存在性、唯一性之類虛頭八腦的東西,。不過(guò)呢,，這么說(shuō)數(shù)學(xué)家也不公平。好多時(shí)候,，工程師憑想象和“實(shí)干”,，辛苦了半天，發(fā)現(xiàn)得出的結(jié)果完全不合情理,，這時(shí)才想起那些“性”（不要想歪了啊,，嘿嘿），原來(lái)那些存在性,、唯一性什么的還是有用的,。

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還是回過(guò)來(lái)看這條龍。現(xiàn)在,，龍頭,、龍尾巴、龍身體都要看,，不光要看,，還要直接操控龍頭到龍尾的每一個(gè)人。但是,，這龍不是想看就看得的,，不是想舞就舞得的,。說(shuō)到“看”，直接能夠測(cè)量/觀測(cè)的狀態(tài)在實(shí)際上是不多的,，所謂看,，實(shí)際上是估算。要是知道龍身體有多少節(jié)（就是有多少個(gè)人在下面撐著啦）,，龍身體的彈性/韌性有多少,，那么捏住龍尾巴抖一抖，再看看龍頭在哪里,，是可以估算出龍身體每一節(jié)的位置的,，這叫狀態(tài)觀測(cè)。那么,，要是這龍中間有幾個(gè)童子開(kāi)小差,，手不好好拉住，那再捏住龍尾巴亂抖也沒(méi)用,，這時(shí)系統(tǒng)中的部分狀態(tài)就是不可觀測(cè)的,。如果你一聲令下，部分童子充耳不聞,，那這些狀態(tài)就是不可控制的,。卡爾曼從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出不可控和不可觀的條件,，在根本上解決了什么時(shí)候才不是瞎耽誤工夫的問(wèn)題,。這是控制理論的一個(gè)重要里程碑。
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再來(lái)看這條龍,。如果要看這條龍整齊不整齊,，排成縱列的容易看清楚；如果要清點(diǎn)人數(shù),，看每一個(gè)人的動(dòng)作,，排成橫列的容易看清楚。但是不管怎么排,，這條龍還是這條龍,，只是看的角度不同。那時(shí)候中國(guó)人的春節(jié)舞龍還沒(méi)有在美國(guó)的中國(guó)城里鬧騰起來(lái),，不知道卡爾曼有沒(méi)有看到過(guò)舞龍,，反正他把數(shù)學(xué)上的線性變換和線性空間的理論搬到控制里面，從此,，搞控制的人有了工具,，一個(gè)系統(tǒng)橫著看不順眼的話，可以豎著看，興趣來(lái)了,，還可以斜著看,、倒著看、擰著看,，因?yàn)椴还茉趺纯�,，系統(tǒng)的本質(zhì)是一樣的。但是不同的角度有不同的用處,，有的角度設(shè)計(jì)控制器容易一點(diǎn),，有的角度分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性容易一點(diǎn)，諸如此類,，在控制理論里就叫這個(gè)那個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)型”,。這是控制理論的又一個(gè)里程碑。


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$ `4 M1 h7 J1 M; v; }) B觀測(cè)狀態(tài)的目的最終還是控制,。只用輸出的反饋叫輸出反饋,，經(jīng)典控制理論里的反饋都可以歸到輸出反饋里，但是用狀態(tài)進(jìn)行反饋的就叫狀態(tài)反饋了,。輸出反饋對(duì)常見(jiàn)系統(tǒng)已經(jīng)很有效了,，但狀態(tài)反饋要猛得多。你想象,，一個(gè)系統(tǒng)的所有狀態(tài)都被牢牢地瞄住,，所有狀態(tài)都乖乖地聽(tīng)從調(diào)遣，那是何等的威風(fēng),？臺(tái)商大奶們的最高境界呀,。
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& i4 t$ R2 ?4 Q$ P/ a盡管學(xué)控制的人都要學(xué)現(xiàn)代控制理論，但大多數(shù)人記得卡爾曼還是因?yàn)槟莻�(gè)卡爾曼濾波器（KalmanFilter）,。說(shuō)它是濾波器，其實(shí)是一個(gè)狀態(tài)觀測(cè)器（stateobserver）,，用來(lái)從輸入和輸出“重構(gòu)”系統(tǒng)的狀態(tài),。這重構(gòu)聽(tīng)著玄妙，其實(shí)不復(fù)雜,。不是有系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型嗎,？只要模型精確，給它和真實(shí)系統(tǒng)一樣的輸入,，它不就乖乖地把系統(tǒng)狀態(tài)給計(jì)算出來(lái)了嗎,？且慢：微分方程的解不光由微分方程本身決定，還有一個(gè)初始條件,，要是初始條件不對(duì),，微分方程的解的形式是正確的，但是數(shù)值永遠(yuǎn)差一拍�,？�爾曼在系統(tǒng)模型的微分方程后再加了一個(gè)尾巴,，把實(shí)際系統(tǒng)輸出和模型計(jì)算的理論輸出相比較，再乘上一個(gè)比例因子,，形成一個(gè)實(shí)際上的狀態(tài)反饋,，把狀態(tài)重構(gòu)的偏差漸進(jìn)地消除，解決了初始條件和其他的系統(tǒng)誤差問(wèn)題,�,？�爾曼濾波器最精妙之處，在于卡爾曼推導(dǎo)出一個(gè)系統(tǒng)的方法,，可以考慮進(jìn)測(cè)量噪聲和系統(tǒng)本身的隨機(jī)噪聲,，根據(jù)信噪比來(lái)決定上述比例因子的大小。這個(gè)構(gòu)型其實(shí)不是卡爾曼的獨(dú)創(chuàng),，隆伯格（Luenburg）也得出了類似的結(jié)構(gòu),，但是從系統(tǒng)穩(wěn)定性角度出發(fā)，來(lái)決定比例因子,。同樣的結(jié)構(gòu)大量用于各種“預(yù)測(cè)-校正”模型結(jié)構(gòu),，在工業(yè)上也得到很多應(yīng)用，比如聚合反應(yīng)器的分子重量分布可以用反應(yīng)器的溫度,、進(jìn)料配比,、催化劑等來(lái)間接計(jì)算，但不夠精確,，也無(wú)法把林林總總的無(wú)法測(cè)量的干擾因素統(tǒng)統(tǒng)包括進(jìn)數(shù)學(xué)模型里,，這時(shí)用實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的真實(shí)值來(lái)定期校正，就可以結(jié)合數(shù)學(xué)模型及時(shí)地特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室結(jié)果精確的特點(diǎn),，滿足實(shí)時(shí)控制的要求,，這或許可以算靜態(tài)的卡爾曼濾波器吧�,？�爾曼濾波器最早的應(yīng)用還是在雷達(dá)上,。所謂邊掃描邊跟蹤，就是用卡爾曼濾波器估計(jì)敵機(jī)的位置,，再由雷達(dá)的間隙掃描結(jié)果來(lái)實(shí)際校正,。實(shí)際應(yīng)用中還有一個(gè)典型的問(wèn)題：有時(shí)候，對(duì)同一個(gè)變量可以有好幾個(gè)測(cè)量值可用,，比如有的比較直接但不精確,，有的是間接的估算，有很大的滯后但精確度高,，這時(shí)可以用卡爾曼濾波器把不同來(lái)源的數(shù)據(jù)按不同的信噪比加權(quán)“整合”起來(lái),，也算是民用版的“傳感器融合”（sensorfusion）吧。



除了卡爾曼濾波器外，卡爾曼的理論在實(shí)際中用得不多,，但是卡爾曼的理論在理論上建立了一個(gè)出色的框架,，對(duì)理解和研究控制問(wèn)題有極大的作用。

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9 c. j& W3 X& r" |7 j; u順便說(shuō)一句,，卡爾曼的理論基本局限于線形系統(tǒng),，也就是說(shuō)，十塊大洋買一袋米,，二十塊大洋就買兩袋米,，都是成比例的。實(shí)際系統(tǒng)中有很多非線性的,，兩千塊大洋還能買兩百袋米,，但兩千萬(wàn)大洋就要看米倉(cāng)有沒(méi)有貨了，不是錢越多,，買的米越多,，有一個(gè)“飽和”的問(wèn)題。另一方面,，要是米倉(cāng)有足夠的貨,，兩千萬(wàn)大洋的集團(tuán)購(gòu)買力強(qiáng)，或許就可以買三百萬(wàn)袋米了,。這些只是非線性的簡(jiǎn)單例子,。所有偏離線性問(wèn)題的都是非線性，所以非線性的問(wèn)題研究起來(lái)要復(fù)雜得多,。實(shí)際系統(tǒng)還有其他特性,，有的是所謂時(shí)變系統(tǒng)，像宇宙火箭,，其質(zhì)量隨時(shí)間和燃料的消耗而變,，系統(tǒng)特性當(dāng)然也就變了。很多問(wèn)題都是多變量的,，像汽車轉(zhuǎn)彎,，不光方向盤是一個(gè)輸入，油門和剎車也是輸入變量,。狀態(tài)空間的理論在數(shù)學(xué)表述上為線性、非線性,、單變量,、多變量、時(shí)變,、時(shí)不變系統(tǒng)提供了一個(gè)統(tǒng)一的框架,，這是卡爾曼最大的貢獻(xiàn)。
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最優(yōu)控制


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! t  P$ h! [: z7 D8 U) H2 L+ v9 Y前面說(shuō)到，搞控制有三撥人：電工出身的,，化工出身的,，和應(yīng)用數(shù)學(xué)出身的。在卡爾曼之前,，電工出身的占主導(dǎo)地位,，數(shù)學(xué)家們好在象牙塔里打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，化工出身則還對(duì)控制理論懵里懵懂,，還在“實(shí)干”呢,。卡爾曼之后,，一大批數(shù)學(xué)出身的人,，利用對(duì)數(shù)學(xué)工具的熟悉，轉(zhuǎn)攻控制理論,。一時(shí)間,，控制理論的數(shù)學(xué)化似乎成了“天下大勢(shì)，順我者昌,，逆我者亡”了,。在狀態(tài)空間的框架下，多變量沒(méi)有太多的問(wèn)題好研究,，于是最優(yōu)化成為控制理論的新時(shí)尚,。


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: m" S" L" C* l& z/ l對(duì)于一根給定的曲線，求一階導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn),，就是這個(gè)曲線的極點(diǎn),；在對(duì)這一極點(diǎn)求二階導(dǎo)數(shù)，大于零就是最小點(diǎn),，小于零就是最大點(diǎn),。這是牛頓老爺子就整明白的東東，現(xiàn)在高中或大一人人都學(xué)過(guò)的東西,。但是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)微分方程,，對(duì)微分方程求一階導(dǎo)數(shù)為零，就導(dǎo)致變分法和所謂歐拉方程,。但這個(gè)東西用起來(lái)不方便,。實(shí)際的最優(yōu)控制不大直接使用變分。
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" X2 {" j3 W& `. f% L! C* d0 s俄羅斯是一個(gè)奇怪的地方,。老毛子們要么蔫蔫的,，要么瘋狂的。俄羅斯的悲劇電影看得你也郁悶得想去自殺,。但是老毛子要是搭錯(cuò)筋整出一個(gè)喜劇呢,？那你要么跟著瘋狂,，要么被逼瘋狂。就是這么一個(gè)地方,，除了無(wú)數(shù)托爾斯泰,、柴可夫斯基、普希金,、屠格涅夫等文藝巨璧外,，俄羅斯也盛產(chǎn)數(shù)學(xué)家，其中兩個(gè)是龐特里亞京和學(xué)控制的人老惦記著的李亞普諾夫,。


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龐特里亞京的極大值原理聽(tīng)起來(lái)嚇人,，其實(shí)說(shuō)白了很簡(jiǎn)單�,？匆�(jiàn)那山嗎,？山頂就是最高點(diǎn)（切，這還用說(shuō),？）,；看見(jiàn)那山坡嗎？要是在山腰劃一道線,，從山下往上爬,，盡管山坡還在繼續(xù)往上延伸，但是到線為止,，不得逾越,，那山腰上那道三八線就是最高點(diǎn)（切，這還用說(shuō),？）,。這就是龐特里亞京的極大值原理。當(dāng)然啦,，龐特里亞京是用精巧,、深?yuàn)W的數(shù)學(xué)語(yǔ)言表述的，要不然他在數(shù)學(xué)界里也別混了,。不過(guò)呢,，意思就是這么一個(gè)意思。

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龐特里亞京極大值原理的一個(gè)典型應(yīng)用就是所謂最速控制問(wèn)題,，或者叫時(shí)間最優(yōu)控制（timeoptimalcontrol）問(wèn)題,，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是給定最大馬力和最大剎車功率,，問(wèn)題是怎么開(kāi)汽車能夠最快地從A點(diǎn)開(kāi)到B點(diǎn)（什么轉(zhuǎn)彎,、上下坡、紅綠燈,，這種瑣碎的事情也要拿來(lái)煩人,？一點(diǎn)品味都沒(méi)有！）,。你可以用優(yōu)美但繁瑣的數(shù)學(xué)求證,，或者用膝蓋想想：最快的方法，就是一上來(lái)就加足馬力,，全速前進(jìn),；然后在不到終點(diǎn)的某一地點(diǎn)，全力剎車,，使慢下來(lái)的汽車在到達(dá)終點(diǎn)時(shí)正好停下來(lái),。這是最快的方法，不可能比這更快了,。稍微發(fā)揮一點(diǎn)想象力,，可以想象“梆”的一下，控制量的油門板一腳到底,，再是“梆”的一下,，剎車板一腳到底，控制任務(wù)就完成了,。所以最速控制也叫“梆-梆”控制（bangbangcontrol）,。

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  O0 o6 Y  l! _& x最速控制在理論上是一個(gè)很有趣的問(wèn)題，解法也是簡(jiǎn)潔,、優(yōu)美,，但在實(shí)際中直接使用的例子實(shí)在是鳳毛麟角，一般都是開(kāi)始時(shí)用“梆-梆”,，或者勻速上升到最大控制,，以緩和控制的沖擊力；到終點(diǎn)附近時(shí),，改用PID作閉環(huán)微調(diào),，以克服“梆-梆”對(duì)系統(tǒng)模型誤差十分敏感的缺點(diǎn)。電梯控制就是這樣一個(gè)例子,。從一樓到四樓,，電動(dòng)機(jī)很快勻速上升到最高轉(zhuǎn)速，一過(guò)三樓,，電動(dòng)機(jī)就下降到較低的轉(zhuǎn)速,，然后根據(jù)電梯實(shí)際位置和樓面之差，有控制地減速,，直至停下來(lái),。要是控制參數(shù)調(diào)得好的話，一下子就穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)赝Ｏ聛?lái),；要是調(diào)的不夠好,，會(huì)在停下來(lái)之前上下晃蕩幾下,。
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最速控制問(wèn)題是較早的最優(yōu)控制問(wèn)題，它提供了一個(gè)很有趣的思路,，但這顆樹(shù)上開(kāi)花結(jié)果不多,。相比之下，最優(yōu)控制的另外一支枝繁葉茂,，有生氣得多了,。這一支就是線型二次型最優(yōu)控制（linearquadraticcontrol）。數(shù)學(xué)是有趣的,，但數(shù)學(xué)也是盲目的,。在數(shù)學(xué)上，最優(yōu)化問(wèn)題就是一個(gè)在曲面上尋找凸點(diǎn)的問(wèn)題,，只要你能把一個(gè)物理問(wèn)題表述成一個(gè)曲面,，數(shù)學(xué)是不理會(huì)姓無(wú)姓資的。既然如此,，控制偏差的平方在時(shí)間上的累積就是很自然的選擇,，二次型就是平方在線性代數(shù)里的說(shuō)法。線型系統(tǒng)的偏差平方有很好的性質(zhì),，這山峰是一個(gè)饅頭山,，沒(méi)有懸崖峭壁，沒(méi)有溝坎,，容易爬,；一山只有一峰，不用擔(dān)心找錯(cuò)地方,。不過(guò)這山峰不能只包含控制偏差,，還要包含控制量，原因有三個(gè)：
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1,、如果不包括控制量,，那最優(yōu)控制的解是沒(méi)有意義的，因?yàn)闊o(wú)窮大的控制量可以使累計(jì)平方偏差為最小,，但無(wú)窮大的控制量是不現(xiàn)實(shí)的,。
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2、控制量的大小通常和能量,、物料的消耗連在一起,，實(shí)際控制問(wèn)題一般是“在最小能量、物料消耗小達(dá)到最高的控制精度”,，所以在“山峰”中同時(shí)包含控制偏差和控制量是很自然的,。


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3、系統(tǒng)模型總是有誤差的,，誤差“總是”在高頻,、大幅度控制作用下最突出,，所以為了減低系統(tǒng)對(duì)模型誤差的敏感性，也有必要限制控制量的大小,。
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所以線性二次型最優(yōu)控制的“目標(biāo)函數(shù)”（也就是定義山峰形狀的數(shù)學(xué)表述）是一個(gè)控制偏差和控制量各自平方的加權(quán)和的積分,。積分當(dāng)然就是“在時(shí)間上的累積”了，加權(quán)和其實(shí)就是在控制偏差的平方項(xiàng)和控制量的平方相前分別乘以比例因子,，然后再相加。兩個(gè)比例因子的相對(duì)大小決定了誰(shuí)更重要,。運(yùn)用矩陣微分和線型代數(shù)工具,，不難導(dǎo)出線性二次型控制律—一個(gè)基本的狀態(tài)反饋控制律！只是反饋增益矩陣是按最優(yōu)化的要求計(jì)算出來(lái)的,。

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線型二次型最優(yōu)控制開(kāi)創(chuàng)了一整個(gè)新的控制領(lǐng)域,，很快從狀態(tài)空間走出來(lái)，進(jìn)入其他領(lǐng)域,，子孫繁衍,，人丁興旺。這一支是當(dāng)今最優(yōu)控制在應(yīng)用中的主體,。
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線性二次型控制具有各種各樣的優(yōu)點(diǎn),，但是，線性二次型沒(méi)有回答一個(gè)最基本的控制問(wèn)題：這個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)是不是穩(wěn)定,。這里,，我們的飽受牽記的李亞普諾夫同志出場(chǎng)了。李亞普諾夫也是一個(gè)腦子搭錯(cuò)筋的人,，一百多年前,，玩微分方程玩出了癮，整出兩個(gè)穩(wěn)定性（或者叫收斂性）的定理,，前一個(gè)沒(méi)有什么太了不起的,，把非線性系統(tǒng)線性化，就是把一根曲線用很多一小段,、一小段的直線近似,，然后按直線來(lái)分析。后一個(gè)就有點(diǎn)邪門了,。老李琢磨出一個(gè)定理,，說(shuō)是對(duì)于任意一個(gè)系統(tǒng)，如果能找到一個(gè)自我耗散的能量函數(shù)（數(shù)學(xué)說(shuō)法是正定函數(shù)）,，也就是其數(shù)值永遠(yuǎn)為正,，但隨時(shí)間漸進(jìn)地趨向零，或者說(shuō)這個(gè)能量函數(shù)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)永遠(yuǎn)為負(fù),，那這個(gè)系統(tǒng)就是穩(wěn)定的,。據(jù)說(shuō)定理的證明是一個(gè)天才的杰作,，我等凡人只有頻頻點(diǎn)頭的份。不過(guò)想想也對(duì),，系統(tǒng)的能量耗散沒(méi)了,，系統(tǒng)不也就安分下來(lái)了嗎？當(dāng)然就穩(wěn)定嘍,。


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李亞普諾夫比卡爾曼還要數(shù)學(xué)家,，他的定理只給出“如果存在……就……”，怎么找這個(gè)自我耗散的能量函數(shù)他沒(méi)說(shuō),，這個(gè)函數(shù)一般是什么樣他也沒(méi)說(shuō),。這難不倒搞自動(dòng)控制的廣大革命群眾。不是要正定函數(shù)嗎,？不是沒(méi)有限制什么形式的正定函數(shù)嗎,？那就用控制偏差的平方吧。說(shuō)干就干,，但是干著干著,，好玩的事情出現(xiàn)了，對(duì)偏差平方（或二次型）的求導(dǎo),，導(dǎo)出了和線性二次型最優(yōu)控制推導(dǎo)過(guò)程中同樣出現(xiàn)的一個(gè)所謂黎卡蒂方程（Riccatiequation）,，感情這是殊途同歸呀。換句話說(shuō),，線性二次型控制總是穩(wěn)定的,。這是線性二次型控制的一個(gè)重要貢獻(xiàn)：把最優(yōu)性和穩(wěn)定性連到一起。
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. W5 Y4 c' Y! Q9 M5 O再扯一句李亞普諾夫,，他的第二個(gè)定理非常威猛,，但是有點(diǎn)像一個(gè)奇形怪狀的大錘，到現(xiàn)在人們還在找合適的釘子,，好用這把大錘砸?guī)紫�,。線性二次型控制是已知的僅有的幾個(gè)釘子之一，另一個(gè)是變結(jié)構(gòu)控制,，也可以用李亞普諾夫方法,，這是題外話了。


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$ H6 Z8 T, y& P; D% i數(shù)字控制
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$ j1 W' |/ i. t都說(shuō)瓦特的蒸汽機(jī)后,，計(jì)算機(jī)是影響人類進(jìn)程最大的發(fā)明,，計(jì)算機(jī)當(dāng)然也對(duì)自動(dòng)控制帶來(lái)深刻的影響。如前所述,，控制理論基本上都是圍繞微分方程轉(zhuǎn)的,，所以在“本質(zhì)”上是連續(xù)的。但是數(shù)字計(jì)算機(jī)是離散的，也就是說(shuō),，數(shù)字控制器的眼睛不是一直盯著被控對(duì)象看的,，而是一眨一眨的。數(shù)字控制器的“手腳”也不是一刻不停地連續(xù)動(dòng)作的,，而是一頓一頓的,。這是數(shù)字計(jì)算機(jī)的天性使然。于是,，傳統(tǒng)的控制理論全部“翻譯”到離散時(shí)間領(lǐng)域,，微分方程變成了差分方程，所有方法,、結(jié)論都有了連續(xù),、離散兩套，不盡相同,，但是大同小異。


  \' x7 _8 ~1 A$ b  {  I: g
: W" d* _( D# V2 y# C( z要是數(shù)字控制就是簡(jiǎn)單的連續(xù)系統(tǒng)離散化,，計(jì)算機(jī)控制也就沒(méi)有什么了不起,。離散控制帶來(lái)了一些連續(xù)控制所不可能具備的新特點(diǎn)，這就是：差分方程用清晰界定的時(shí)刻之間的關(guān)系來(lái)描述動(dòng)態(tài)過(guò)程,�,；氐较礋崴�澡的例子，如果熱水龍頭不在跟前,，而是在村外一里地的小鍋爐房里,，你只能用電話遙控，那水溫或許可以表示為
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下一分鐘水溫=0.7*現(xiàn)在水溫+0.2*上一分鐘水溫+0.1*再上一分鐘水溫+0.4*（5分鐘前鍋爐房龍頭開(kāi)度-6分鐘前鍋爐房龍頭開(kāi)度）
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) E' J, ~. a  M5 ^- ^9 k顯然,，下一分鐘的水溫受現(xiàn)在水溫的影響比上一分鐘和再上一分鐘的水溫的影響要大,，但鍋爐房龍頭開(kāi)度要是不變，現(xiàn)在,、上一分鐘,、再上一分鐘水溫都一樣的話，下一分鐘的水溫也應(yīng)該和現(xiàn)在的水溫一樣,。為什么用5分鐘前鍋爐房的龍頭開(kāi)度呢,？那是因?yàn)闊崴畯拇逋饬鞯较丛璺恳�有一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是滯后,。要是把時(shí)間向前推,，那現(xiàn)在的龍頭開(kāi)度就會(huì)影響5分鐘后的水溫。這說(shuō)明了離散模型的一個(gè)重要特質(zhì)：預(yù)估能力,。所有預(yù)報(bào)模型都是建立在離散模型的這個(gè)預(yù)估能力上,，不管是天氣預(yù)報(bào)，還是經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)，還是自動(dòng)控制里對(duì)有滯后的過(guò)程的控制,。

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數(shù)字控制的另一特質(zhì)是可以實(shí)施一些不可能在連續(xù)時(shí)間實(shí)現(xiàn)的控制規(guī)律,。工業(yè)上常有控制量的變化需要和當(dāng)前的實(shí)際值有關(guān)的情況。比如對(duì)于不同的產(chǎn)品,，反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率總是大體在88-92%之間,，沒(méi)有太大的變化，但是催化劑可以在0.5到35ppm之間變化,，采用常規(guī)的PID的話,，增益就非常難設(shè)，對(duì)一個(gè)情況合適了,，對(duì)另一個(gè)情況就不合適,。所以催化劑需要按百分比變化率調(diào)整，而不是簡(jiǎn)單地按偏差比例調(diào)整,。比如說(shuō),，轉(zhuǎn)化率偏離1%時(shí)，催化劑要是在0.5ppm,，應(yīng)該調(diào)整0.05ppm,；但是在15ppm的時(shí)候，就應(yīng)該是1.5ppm,。這樣,，控制律就可以表示為
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當(dāng)前的控制量=上一步的控制量*（設(shè)定值/當(dāng)前的測(cè)量值）

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1 F" B2 h9 Z8 h6 b' @" z6 C+ m; l也就是說(shuō)，在被控變量高于設(shè)定值10%的情況下,，控制量也增加10%,；測(cè)量值和設(shè)定值一樣時(shí)，控制量不再變化,。實(shí)際使用時(shí),，誰(shuí)除以誰(shuí)要根據(jù)測(cè)量值上升你是要控制量上升還是下降來(lái)決定，控制律也要稍微修改一下,，成為
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當(dāng)前的控制量=上一步的控制量*（當(dāng)前的測(cè)量值/設(shè)定值）^k


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7 z: T$ h& X2 H7 l6 }4 `k次方是用來(lái)調(diào)整控制律對(duì)“偏差”（這是已經(jīng)不是差值,，而是比值了，嚴(yán)格地說(shuō),，應(yīng)該叫“偏比”,？）的靈敏度，相當(dāng)于比例增益,。這個(gè)控制律實(shí)際上相當(dāng)于對(duì)數(shù)空間的純積分控制,，要是有興趣，對(duì)很多常見(jiàn)的非線性過(guò)程有相當(dāng)不錯(cuò)的效果,，實(shí)現(xiàn)也簡(jiǎn)單,。然而,，這是一個(gè)本質(zhì)離散的控制律，在連續(xù)時(shí)間里無(wú)法實(shí)現(xiàn),。
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離散控制可以“看一步,、走一步”的特性，是連續(xù)控制很難模仿的,，也是在實(shí)際中極其有用的,。

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5 J) N9 W$ N* h: Q" N' c9 H( b辨識(shí)



4 c: `: O" C7 ^8 b6 Z! d形形色色的控制理論再牛，沒(méi)有被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,，照樣抓瞎,。前面的洗澡水溫就是一個(gè)數(shù)學(xué)模型。這個(gè)模型是杜撰的,，當(dāng)然可以很容易地給它所有模型參數(shù),。但在實(shí)際中，模型參數(shù)不會(huì)從天上掉下來(lái),。多少科學(xué)家畢生致力于建立某一特定的物理,、生物、化學(xué)或別的學(xué)科的數(shù)學(xué)模型,，基本機(jī)制已經(jīng)清楚的模型都不容易建立,，更不用說(shuō)很多過(guò)程的基本機(jī)制或深層機(jī)制并不清楚。所以靠機(jī)理推導(dǎo)被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型是可能的,，但對(duì)日常的控制問(wèn)題來(lái)說(shuō)，并不實(shí)際,。這就是控制理論的另一個(gè)分支—辨識(shí)—一顯身手的地方了,。
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如果給定一個(gè)模型，也就是一個(gè)數(shù)學(xué)公式,，給它一組輸入數(shù)據(jù),，模型就可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)。比如說(shuō),，給定模型y=2*x+1,，再給出x=1，2,，3,，4，那y就等于3,，5,，7，9,，就這么很簡(jiǎn)單,。辨識(shí)的問(wèn)題反過(guò)來(lái)，先給定一個(gè)模型結(jié)構(gòu)，在這里就是y=a*x+b,，已知輸入-輸出數(shù)據(jù)是x=1,，2時(shí)y=3，5,，要求計(jì)算出a和b,。顯然，這是一個(gè)二元一次方程,，誰(shuí)都會(huì)解,。在實(shí)際中，輸入-輸出的觀察數(shù)據(jù)含有測(cè)量噪聲,，這對(duì)參數(shù)估計(jì)的精度不利,；但通常積累觀察的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)未知參數(shù)的個(gè)數(shù)，不說(shuō)數(shù)學(xué),，感覺(jué)上這就應(yīng)該對(duì)克服測(cè)量噪聲有利,，關(guān)鍵是怎么利用這“多余”的數(shù)據(jù)。一個(gè)辦法是把數(shù)據(jù)組兩兩配對(duì),，借眾多的二元一次方程,，然后對(duì)解出來(lái)的a和b作平均。還有一個(gè)辦法就是有名的最小二乘法了,，說(shuō)穿了,，就是以a和b為最優(yōu)化的“控制量”，使模型輸出和實(shí)際觀測(cè)值之間的累積平方誤差為最小,。


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: r0 T  g& m0 l0 e' g) s  a實(shí)際工業(yè)過(guò)程大多有多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),，大量的數(shù)據(jù)不成問(wèn)題。對(duì)于大多數(shù)常見(jiàn)過(guò)程,，模型的基本結(jié)構(gòu)和定性性質(zhì)也可以猜一個(gè)八九不離十,，有了如此有力的數(shù)學(xué)“大錘”，那么應(yīng)該可以砸開(kāi)一切建模的硬核桃啦,。且慢,，世上沒(méi)有真正的“神奇子彈”，一個(gè)問(wèn)題解決了,，另一個(gè)同等難度的問(wèn)題又會(huì)出現(xiàn),。對(duì)于辨識(shí)來(lái)說(shuō)，問(wèn)題有好幾個(gè),。
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. X+ |# N$ A  t+ ~0 I1 d5 h第一個(gè)問(wèn)題是工業(yè)數(shù)據(jù)的閉環(huán)性,。大多數(shù)重要參數(shù)都有閉環(huán)回路控制。如果沒(méi)有閉環(huán)回路控制,，那要么就是過(guò)程特性實(shí)在太復(fù)雜,，簡(jiǎn)單回路控制不了,；要么就是這個(gè)參數(shù)其實(shí)不重要，飄移一點(diǎn)沒(méi)人在乎,。然而,，一旦閉環(huán)，系統(tǒng)地輸入和輸出就是相關(guān)的了,。這一相關(guān)不要緊,，輸入-輸出數(shù)據(jù)之間的因果性就全亂了：輸出通過(guò)被控過(guò)程本身和輸入相關(guān)（這是好的，辨識(shí)就是要測(cè)算出這個(gè)相關(guān)關(guān)系,，輸出要是和輸入不相關(guān),，也沒(méi)有控制或辨識(shí)什么事了），輸入通過(guò)反饋和輸出相關(guān),；輸入-輸出成為一個(gè)閉合系統(tǒng),，你可以用任意多條定理或方法證明同樣的事：由于因果不分，閉環(huán)辨識(shí)是不可能的,，除非另外加入“新鮮”的激勵(lì),，比如使勁變?cè)O(shè)定值，或者在閉環(huán)回路里額外施加獨(dú)立于輸入,、輸出的激勵(lì)信號(hào),，比如“莫名其妙”地把閥門動(dòng)幾下。弄到最后,，工業(yè)數(shù)據(jù)到底能用多少,，就不是一個(gè)簡(jiǎn)單的回答。有的過(guò)程常年穩(wěn)定操作,，像乙烯裝置,，只有小范圍的微調(diào)。這倒不是人家懶或者不求上進(jìn),，而是這些裝置早已高度優(yōu)化，常年操作在極其接近極限的位置,，但原料和產(chǎn)品單一,，所以工藝狀況不怎么大變。這種系統(tǒng)的閉環(huán)數(shù)據(jù)用起來(lái)很吃力,，常常必須做一定的開(kāi)環(huán)試驗(yàn),。有的過(guò)程經(jīng)常在不同的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換（transition），或者由于不同的原料,，如“吃”得很雜的煉油廠,，或者由于不同的產(chǎn)品，如聚乙烯裝置,，這實(shí)際上就是“使勁變?cè)O(shè)定值”,，是新鮮的激勵(lì),。這種系統(tǒng)的閉環(huán)數(shù)據(jù)比較好用，但有別的問(wèn)題,，下面要談到,。
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+ S( I+ u7 x8 A" x第二個(gè)問(wèn)題是動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)。動(dòng)態(tài)模型的作用有兩個(gè)：一是描述需要多少時(shí)間輸出才能達(dá)到某一數(shù)值,；二是輸出最終能夠達(dá)到什么數(shù)值,。用股票市場(chǎng)舉一個(gè)例子，你需要知道兩件事：一是這支股票最后會(huì)升到多少,，二是需要多少時(shí)間才能升到那里,，只知道其中一個(gè)對(duì)你并沒(méi)有太大的用處。當(dāng)然為了簡(jiǎn)化,，這里假定這支股票一路飆升,，不來(lái)忽升忽降（也就是非線性）或跌買漲賣（也就是閉環(huán)影響）的名堂。這就要求輸入-輸出數(shù)據(jù)必須包含充分的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)信息,，過(guò)于偏頗其中一方面對(duì)另一方面會(huì)不利,。所以，長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的過(guò)程中可能包含足夠的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù),，但動(dòng)態(tài)不足,；常年不怎么穩(wěn)定的過(guò)程可能包含足夠的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，但穩(wěn)態(tài)不足,。用PID控制打比方,，精確的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)有助于計(jì)算正確的比例控制增益，精確的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)有助于計(jì)算正確的積分和微分增益,，顯然,，把比例增益整對(duì)了更為重要。為了獲得精確的穩(wěn)態(tài),，在辨識(shí)中常常需要等過(guò)程開(kāi)環(huán)穩(wěn)定下來(lái)才進(jìn)行下一步,，但是問(wèn)題是，實(shí)際過(guò)程有時(shí)時(shí)間常數(shù)很長(zhǎng),，幾個(gè)精餾塔一串聯(lián),，時(shí)間常數(shù)幾個(gè)小時(shí)是客氣的，一,、兩天都是可能的,。這樣一來(lái)，一個(gè)不太大的模型,，十來(lái)個(gè)變量,，開(kāi)環(huán)試驗(yàn)一做就是一、兩個(gè)星期或者更長(zhǎng),。要是一個(gè)裝置能夠兩個(gè)星期開(kāi)環(huán),，那也不需要什么控制了,。
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+ p0 E' Y& D( `2 k, q2 b第三個(gè)問(wèn)題是激勵(lì)的信噪比。都說(shuō)人類活動(dòng)是二氧化碳和溫室效應(yīng)的主要原因,，但要是你去生一堆篝火,，再去高空大氣層去測(cè)一測(cè)二氧化碳和溫室效應(yīng)，肯定什么也測(cè)不出來(lái),，本來(lái)多少,，現(xiàn)在還是多少。為什么呢,？不是因?yàn)檫@堆篝火沒(méi)有效果,，而是環(huán)境中的自然的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了篝火的作用，換句話說(shuō),，就是噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了信號(hào),。工業(yè)測(cè)試也是一樣，信號(hào)一定要有一定的強(qiáng)度,，否則是白耽誤工夫,。信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)該使過(guò)程達(dá)到嚴(yán)重失穩(wěn)的邊緣，這樣才好獲得在大范圍內(nèi)都精確的模型,，以便控制器不光在“風(fēng)平浪靜”的情況下可以正常工作,，在“驚濤駭浪”的情況下也能使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。然而,，工廠以生產(chǎn)為主,，在一切都“斤斤計(jì)較”的今天，如此大范圍的測(cè)試所帶來(lái)的產(chǎn)品損失甚至對(duì)設(shè)備的可能的危害,，都是工廠極不愿意見(jiàn)到的,。理論家們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)偽隨機(jī)信號(hào)，用一連串寬窄不等的方波信號(hào),，作為激勵(lì)過(guò)程的輸入,，在理論上可以使過(guò)程參數(shù)的平均值不致偏離設(shè)定值太多，但I(xiàn)SO9000不僅要求產(chǎn)品質(zhì)量的平均值要保證,，產(chǎn)品質(zhì)量的一致性也要保證,。再說(shuō)，偽隨機(jī)信號(hào)的脈寬不好確定,，太窄了,，穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)不夠,；太寬了,，和常規(guī)的階躍信號(hào)也沒(méi)有什么兩樣。所以偽隨機(jī)信號(hào)在實(shí)際上用得很少,。
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第四個(gè)問(wèn)題是輸入的相關(guān)性,。實(shí)際工業(yè)過(guò)程到了要用辨識(shí)來(lái)確定模型的時(shí)候,，都是單回路對(duì)付不了了，所以都是多變量過(guò)程,。在理論上,，多個(gè)輸入變量可以同時(shí)變化，只要輸入變量的變化是相互獨(dú)立的,，數(shù)學(xué)上容許多個(gè)輸入變量同時(shí)變化,，而辨識(shí)可以正確地辨別模型。然而,，在使用實(shí)際過(guò)程的歷史數(shù)據(jù)時(shí),，常常遇到多個(gè)輸入變量并不相互獨(dú)立的問(wèn)題。比如說(shuō),，在制作巧克力的過(guò)程中,，香草巧克力比較“苦”，或者說(shuō)不太甜,，而牛奶巧克力比較甜,。問(wèn)題是做牛奶巧克力時(shí)，不光加糖,，還要加牛奶（廢話,，不加牛奶那還是牛奶巧克力嗎？）由于兩者總是同時(shí)出現(xiàn),，從純數(shù)學(xué)角度來(lái)說(shuō),，在甜度模型里，就難以辨別甜度是由于加糖的關(guān)系,，還是由于加牛奶的關(guān)系,。有的時(shí)候可以根據(jù)對(duì)具體過(guò)程的認(rèn)識(shí)，人工地限制辨識(shí)的過(guò)程,，來(lái)消除這種影響,，有的時(shí)候，就不太容易了,，只好不用歷史數(shù)據(jù),，專門做試驗(yàn)，用各自獨(dú)立的輸入,，便是模型,。
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+ b$ j0 N2 M: {/ @: G2 g* ?  u第五個(gè)問(wèn)題是模型結(jié)構(gòu)。模型結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)方面,，一是模型的階數(shù),，二是剔除在物理上不可能的模型。辨識(shí)的模型歸根結(jié)蒂還是差分方程,，這就有一個(gè)如何預(yù)設(shè)階數(shù)的問(wèn)題,。數(shù)學(xué)上有很多驗(yàn)前和驗(yàn)后的檢驗(yàn)方法,，在工業(yè)上，人們偷一個(gè)懶,，改用非參數(shù)模型,，也就是用一條響應(yīng)曲線而不是一個(gè)方程來(lái)表述一個(gè)模型，這樣就可以繞過(guò)階數(shù)的問(wèn)題,。但是剔出不現(xiàn)實(shí)的模型還是一個(gè)手工活,，需要對(duì)每一個(gè)模型仔細(xì)研究，以確定模型所描述的動(dòng)態(tài)關(guān)系是否合理,。數(shù)學(xué)方法還是不夠可靠,。
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, t; m3 ~8 |- e4 T* z8 d4 k在搞模型的人中間，常常會(huì)聽(tīng)到黑箱,、白箱和灰箱的說(shuō)法,。黑箱模型就是不理會(huì)實(shí)際過(guò)程的物理、化學(xué)等性質(zhì),，純粹從數(shù)學(xué)出發(fā),，假設(shè)一個(gè)模型結(jié)構(gòu)，然后用種種數(shù)學(xué)方法找出一個(gè)最好的模型,。白箱反其道而行之,，從物理、化學(xué)等性質(zhì)出發(fā),，建立機(jī)理模型,。黑箱模型的好處是“放之四海而皆準(zhǔn)”，不需要對(duì)具體過(guò)程有深入的了解,。黑箱模型是一種削足適履的作法,，但是如果履本身就做得比較好，具有相當(dāng)?shù)撵`活性和適應(yīng)性,，就并不需要削太多的足,。由于黑箱模型可以自由假設(shè)模型結(jié)構(gòu)，黑箱模型的處理和使用都比較方便,。黑箱模型是經(jīng)驗(yàn)主義的,，數(shù)據(jù)里沒(méi)有包含的情況，黑箱模型無(wú)法預(yù)測(cè),。白箱模型則是“量身度造”的,，反映了過(guò)程的物理、化學(xué)等性質(zhì),，對(duì)實(shí)際過(guò)程的數(shù)據(jù)依賴較少,，對(duì)數(shù)據(jù)中不包含的情況也能可靠地預(yù)測(cè)。但是白箱模型的結(jié)構(gòu)由具體問(wèn)題決定，得出的模型不一定容易使用,。在實(shí)際中，人們經(jīng)常在假設(shè)一個(gè)模型結(jié)構(gòu)的時(shí)候考慮進(jìn)大大簡(jiǎn)化的過(guò)程機(jī)理,，所以模型結(jié)構(gòu)不是憑空拍腦袋出來(lái),，而是粗略地抓住了過(guò)程的基本特質(zhì)，然后再用黑箱方法的“數(shù)據(jù)絞肉機(jī)”,，將簡(jiǎn)化模型沒(méi)有能夠捕捉的細(xì)微末節(jié)一網(wǎng)打盡,。這種模型結(jié)合了黑箱和白箱的特點(diǎn)，所以稱為灰箱,。實(shí)際建模中,，純粹黑箱或白箱的成功例子很少，灰箱的成功機(jī)會(huì)就要多得多,。



不管什么箱,，最后還是有一個(gè)如何辨識(shí)實(shí)際過(guò)程的問(wèn)題。閉環(huán)辨識(shí)的好處不用多說(shuō)了,，問(wèn)題是如何從閉環(huán)辨識(shí)中獲得有用的模型,。工業(yè)上有一個(gè)辦法，沒(méi)有一個(gè)“官名”,，但實(shí)際上是一個(gè)開(kāi)環(huán)-反饋過(guò)程,。具體做法是這樣的：先用粗略的過(guò)程知識(shí)構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)單的多變量控制器，其任務(wù)不是精確控制被控過(guò)程,，而是將被控變量維持在極限之內(nèi),，一旦逼近或超過(guò)極限，就采取動(dòng)作將其“趕”回極限內(nèi),；但只要在極限內(nèi),，就按部就班地作階躍擾動(dòng)，測(cè)試過(guò)程特性,。測(cè)試的結(jié)果用來(lái)改進(jìn)控制器的模型,，然后再來(lái)一遍。幾遍（一般兩遍就夠了）之后,，模型精度應(yīng)該很不錯(cuò)了,。這個(gè)方法比較好地解決了辨識(shí)精度和過(guò)程穩(wěn)定性的要求。


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" Q) E! P7 ]# b1 ~' V自適應(yīng)


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- h5 _# u* N, ?  `" X6 g) i+ O" L西游記里最好看的打斗是孫悟空大戰(zhàn)二郎神那一段,。孫悟空打不過(guò)就變,，二郎神則是“敵變我變”，緊追不舍,，最后把個(gè)無(wú)法無(wú)天的頑皮猴子擒拿歸案,。用控制理論的觀點(diǎn)看，這“敵變我變”的本事就是自適應(yīng)控制控制器結(jié)構(gòu)根據(jù)被控過(guò)程的變化自動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)優(yōu)化,。
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2 z9 f1 V) }) i" x; m  ^自適應(yīng)控制有兩個(gè)基本思路,，一是所謂模型跟蹤控制，二是所謂自校正控制,。模型跟蹤控制也叫模型參考控制,，在概念上對(duì)人們并不陌生。毛主席那陣子,，經(jīng)常樹(shù)立各種榜樣,，目的就是要在黨發(fā)出號(hào)召時(shí)，普通人們比照榜樣的行為,，盡量調(diào)整自己的行為,，使我們的行為和榜樣的行為接近。這就是模型跟蹤控制的基本思路,。模型跟蹤控制在航空和機(jī)電上用得比較多,，在過(guò)程控制中很少使用。



% ]+ G. J& o( [自校正控制的思路更接近人們對(duì)自適應(yīng)的理解,。自校正控制是一個(gè)兩步走的過(guò)程,，首先對(duì)被控過(guò)程作實(shí)時(shí)辨識(shí)，然后再辨識(shí)出來(lái)的模型的基礎(chǔ),，實(shí)時(shí)地重新構(gòu)造控制器,。思路簡(jiǎn)單明了，實(shí)施也不算復(fù)雜,，但自校正控制在一開(kāi)始的歡呼后,，并沒(méi)有在工業(yè)上取得大范圍的成功，原因何在呢,？

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原因之一是閉環(huán)辨識(shí),。雖然自校正控制不斷改變控制器的參數(shù)，在一定程度上打破了固定增益反饋控制對(duì)輸入,、輸出帶來(lái)的因果關(guān)系,，但是因果關(guān)系還是存在，還是相當(dāng)強(qiáng)烈,，對(duì)辨識(shí)模型的質(zhì)量帶來(lái)影響,。


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' Y/ {3 {/ f5 D7 W, U8 z: r( e原因之二是所謂“協(xié)方差爆炸”。數(shù)學(xué)上當(dāng)然有嚴(yán)格的說(shuō)法,，但簡(jiǎn)單地說(shuō),，就是自校正控制器的目的當(dāng)然還是使系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)，但是在系統(tǒng)越來(lái)越穩(wěn)定的過(guò)程中,，自校正控制器對(duì)偏差和擾動(dòng)的敏感度越來(lái)越高,，最后到“萬(wàn)籟俱靜”的時(shí)候,，敏感度在理論上可以達(dá)到無(wú)窮大，然而,，這時(shí)如果真的擾動(dòng)來(lái)了,，控制器一下子就手足無(wú)措了。
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原因之三是實(shí)際過(guò)程的復(fù)雜性,。在辨識(shí)實(shí)際過(guò)程時(shí),，最重要的步驟不是后面的“數(shù)學(xué)絞肉機(jī)”，而是對(duì)數(shù)據(jù)的篩選,，必須把各種異常數(shù)據(jù)剔除出去，否則就是“垃圾進(jìn)來(lái),，垃圾出去”,。但是，要實(shí)時(shí),、自動(dòng)地剔除異常數(shù)據(jù),，這個(gè)要求非同小可，比設(shè)計(jì),、投運(yùn)一個(gè)自校正控制器費(fèi)事多了,。這是自校正控制在實(shí)際中成功例子有限的最大原因。


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模型預(yù)估控制
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3 s5 s* G( \& Z8 K2 Q9 A9 a9 p" E$ B自動(dòng)控制從一開(kāi)始就是以機(jī)電控制為主導(dǎo)的,。60年代數(shù)學(xué)派主導(dǎo)了一段時(shí)間后,，70年代化工派開(kāi)始“小荷才露尖尖角”。自校正控制已經(jīng)有很多化工的影子,，但化工派的正式入場(chǎng)之作是模型預(yù)估控制（modelpredictivecontrol,，MPC）。這是一個(gè)總稱,，其代表作是動(dòng)態(tài)矩陣控制（dynamicmatrixcontrol,，DMC）。DMC是CharlieCuttler的PhD論文,，最先在殼牌石油公司獲得應(yīng)用,，以后Cuttler自立門戶，創(chuàng)辦DMC公司,，現(xiàn)在是AspenTechnology公司的一部分,。

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數(shù)學(xué)控制理論非常優(yōu)美，放之四海而皆準(zhǔn),，但是像老虎一樣,，看起來(lái)威猛，卻是干不得活的,，干活畢竟靠老牛,。DMC的成功之處在于應(yīng)用偽理論,，將一些本來(lái)不相干的數(shù)學(xué)工具一鍋煮，給一頭老老實(shí)實(shí)的老牛披上一張絢爛的老虎皮,，在把普羅大眾唬得一愣一愣的時(shí)候,，悄悄地把活干了。

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作者: qijc    時(shí)間: 2015-10-14 13:57
DMC基本就是把非參數(shù)模型（在這里是截?cái)嗟碾A躍曲線）放入線性二次型最優(yōu)控制的架構(gòu)下,，成功地解決了解決了多變量,、滯后補(bǔ)償和約束控制問(wèn)題。多變量的含義不言自明,，滯后放在離散動(dòng)態(tài)模型下也很容易實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè),，這也沒(méi)有什么稀奇。稀奇的是,，DMC用“土辦法”解決了約束控制問(wèn)題,。所有實(shí)際控制問(wèn)題的控制量都有極限。加速時(shí),，油門踩到底了,，那就是極限，再要多一馬力也多不出來(lái)了,。龐特里亞金的最大值原理在理論上可以處理約束控制問(wèn)題,，在實(shí)際上很難求出有用的解來(lái)，最速控制是一個(gè)特例,。那DMC是怎么解決約束控制問(wèn)題的呢,？當(dāng)某個(gè)控制量達(dá)到極限時(shí)，這個(gè)控制量就固定在極限值上了,，這就不再是變量,，而是已知量，把已知量代進(jìn)去,，將控制矩陣中相關(guān)的行和列抽掉,，重新排列矩陣，剩余的接著求解,。這也沒(méi)有什么稀奇,。令人頭疼的是如何處理輸出約束的問(wèn)題。DMC把線性規(guī)劃和控制問(wèn)題結(jié)合起來(lái),，用線性規(guī)劃解決輸出約束的問(wèn)題,，同時(shí)解決了靜態(tài)最優(yōu)的問(wèn)題，一石兩鳥(niǎo),，在工業(yè)界取得了極大的成功,。自卡爾曼始，這是第一個(gè)大規(guī)模產(chǎn)品化的“現(xiàn)代控制技術(shù)”,，Cuttler在DMC上賺了大錢了,，在“高技術(shù)泡沫”破碎之前把公司賣給AspenTechnology,，更是賺得缽滿盆溢。他女婿是一個(gè)醫(yī)生,，也不行醫(yī)了,，改行搞過(guò)程控制，跟著Cuttler干了,。

1 S- M$ M. }  xDMC的英明之初在于從實(shí)際需要入手,，不拘泥于理論上的嚴(yán)格性、完整性,，人參,、麻黃、紅藥水,、狗皮膏藥統(tǒng)統(tǒng)上,，只要管用就行。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),，DMC的穩(wěn)定性根本沒(méi)有辦法分析,，但是它管用,。搞實(shí)際的人容易理解DMC的歪道理,，但搞理論的人對(duì)DMC很頭疼。
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$ i- ~( G/ z2 I4 X, S8 h  tDMC打開(kāi)局面后,，一時(shí)群雄蜂起,，但塵埃落定之后，包括DMC,，如今只有三家還在舞臺(tái)上,。Honeywell的RMPCT（RobustMultivariablePredictiveControlTechnology）是一個(gè)中國(guó)同胞開(kāi)創(chuàng)的，他的獨(dú)特之處在于引入“漏斗”概念,。大部分控制問(wèn)題都有一個(gè)特點(diǎn)：如果擾動(dòng)當(dāng)前,，有一點(diǎn)控制偏差是可以容忍的；但時(shí)間一長(zhǎng),，控制偏差應(yīng)該消除,。換句話說(shuō)，這就像一個(gè)時(shí)間軸上對(duì)偏差的橫放的漏斗,。這個(gè)概念對(duì)復(fù)雜過(guò)程的MPC參數(shù)整定非常有用,，已經(jīng)在別的公司的產(chǎn)品上也出現(xiàn)了。

' X8 z; F# {. j1 p; \第三家就是方興正艾的PavilionTechnology的Perfecter,。美國(guó)公司有一個(gè)壞毛病,，喜歡對(duì)好好的產(chǎn)品取一個(gè)不倫不類的名字，不過(guò)現(xiàn)在也改名了,，規(guī)規(guī)矩矩叫controller了,。Perfecter的特色是將神經(jīng)元技術(shù)（neuralnet）和MPC結(jié)合起來(lái),，所以可以有效地處理非線性過(guò)程。神經(jīng)元模型沒(méi)有什么神秘的,，說(shuō)穿了,，就是具有某些特定復(fù)雜形式的回歸模型，但是比回歸模型更不適宜內(nèi)插和外推,。DMC也號(hào)稱可以處理非線性,，因?yàn)榧词闺A躍響應(yīng)曲線拐上幾拐，DMC照樣囫圇吞棗,，可以計(jì)算控制輸出來(lái),，這就是非參數(shù)模型的好處。但是問(wèn)題在于DMC的結(jié)構(gòu)框架畢竟還是線性的,，階躍響應(yīng)的概念根本不適合非線性過(guò)程,，因?yàn)榉蔷�性響應(yīng)和輸入的絕對(duì)數(shù)值、相對(duì)變化甚至變化方向有關(guān),，甚至可以更復(fù)雜,，所以所謂DMC可以處理非線性是放空炮。如果實(shí)際過(guò)程的非線性不強(qiáng),，根本可以忽略它,；如果實(shí)際過(guò)程有很強(qiáng)的非線性，DMC肯定抓瞎,。那么,，Perfecter用了神經(jīng)元，是不是就所向披靡了呢,？也不盡然,。Perfecter繼承了DMC不問(wèn)理論、唯實(shí)用是問(wèn)的好傳統(tǒng),，但是Perfecter的基本骨架還是線性的MPC,，只是用靜態(tài)的神經(jīng)元模型時(shí)不時(shí)地作一個(gè)線性化。Perfecter在理論上乏善可陳,，在實(shí)用上還是管用的,。
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前面說(shuō)到PID在當(dāng)今過(guò)程控制中占至少85%，那MPC就要占14.5%了,。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
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" D' G$ c! E# u6 H% y計(jì)算機(jī)對(duì)自動(dòng)控制的影響要是只局限在離散控制理論上,，那也就不是計(jì)算機(jī)控制了。事實(shí)上,，80年代以后新建的化工廠,，基本都采用計(jì)算機(jī)控制。說(shuō)是可以采用比PID更先進(jìn)的技術(shù),，實(shí)際上,，絕大多數(shù)還是在用PID,，加上順序控制，按部就班地執(zhí)行一系列動(dòng)作,。那計(jì)算機(jī)控制的好處到底在什么地方呢,？

過(guò)程控制的實(shí)際裝置最初全是直接安裝在現(xiàn)場(chǎng) 的，后來(lái)出現(xiàn)氣動(dòng)單元儀表,，可以把壓縮空氣的信號(hào)管線從現(xiàn)場(chǎng)拉到中心控制室,，操作工可以在中控觀察、控制全廠了,。電動(dòng)單元儀表防爆問(wèn)題解決后,，中控的使用 更加廣泛。操作工坐在儀表板前,，對(duì)管轄工段的情況一目了然,。但是隨著工廠的增大和過(guò)程的復(fù)雜，儀表板越來(lái)越長(zhǎng),，一個(gè)大型化工廠隨隨便便就可以有上千個(gè)基本 控制回路和上萬(wàn)個(gè)各種監(jiān)控,、報(bào)警點(diǎn)，儀表板非有幾百米長(zhǎng)不可,，這顯然是不可能的,。生產(chǎn)過(guò)程的高度整合，使一兩個(gè)人控制整個(gè)工廠不光滿足削減人工的需要,，也 對(duì)減少通訊環(huán)節(jié),、綜合掌控全局有利,。所以,，計(jì)算機(jī)顯示屏就不光是酷，而是必須的了,。另外,，計(jì)算機(jī)控制使現(xiàn)場(chǎng)儀表（閥門、測(cè)量變送器等）的自檢成為可能,，大 大提高了系統(tǒng)的可靠性,。于是，計(jì)算機(jī)控制就是不花沒(méi)人性了,。

計(jì)算機(jī)控制從一開(kāi)始的集中控制（用IBM的大型機(jī)）到現(xiàn)在的分散控制（所謂DistributedControlSystem,，DCS） 走過(guò)一個(gè)螺旋形上升的過(guò)程。集中控制的要害在于風(fēng)險(xiǎn)集中,，要是大型機(jī)掛了,，全廠都要失控。分散控制將全廠劃分為若干條條塊塊,，用以微處理器為基礎(chǔ)的一個(gè)控 制用局部網(wǎng)來(lái)分散控制,，主要子系統(tǒng)都是實(shí)時(shí)冗余的,，故障時(shí)在第一時(shí)間內(nèi)切換到備用系統(tǒng)，主系統(tǒng)和備用系統(tǒng)在平時(shí)定期互相自檢,、切換,，以保證可靠。分散控制 顯然大大提高由于計(jì)算機(jī)本身引起的可靠性,。但是現(xiàn)場(chǎng)儀表和接線終端（fieldterminalassembly,，F(xiàn)TA）不是冗余的，整個(gè)可靠性鏈還是有漏洞,。另外,，控制局部網(wǎng)的同軸電纜長(zhǎng)度有物理限制，F(xiàn)TA到DCS的長(zhǎng)度也有物理限制,，所以最后分散控制還是不怎么分散,，全是集中在中控室附近或地下室里。不過(guò)DCS在地理上的集中,，并不妨礙其在邏輯上的分散,，只要不是一把火把DCS的機(jī)房燒掉，部件可靠性的問(wèn)題還是可以很好地隔離在小范圍,。
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5 v! }* u( W4 Z! g" `既然DCS是一個(gè)局部網(wǎng),，那就有一個(gè)通信協(xié)議的問(wèn)題。DCS基本上用兩大類型的通信協(xié)議：輪詢（polling,， 中文的準(zhǔn)確譯名是什么,？）和中斷。輪詢由中心控制單元輪流查詢所有子系統(tǒng),，不管有沒(méi)有數(shù)據(jù)更新,，到時(shí)候就來(lái)問(wèn)一遍，所以不管什么時(shí)候,，系統(tǒng)地通信流量都很 高,，但是恒定。中斷方式正好相反,，子系統(tǒng)自己先檢查一下,，如果數(shù)據(jù)沒(méi)有變化，就不上網(wǎng)更新,；直到數(shù)據(jù)有變化,，再上網(wǎng)“打一個(gè)招呼”。這個(gè)方式的平時(shí)通信流 量較低,，所以網(wǎng)路帶寬要求較低,。但是生產(chǎn)過(guò)程發(fā)生異常時(shí)，大量警報(bào)數(shù)據(jù)蜂擁而來(lái)，如果帶寬不夠,，就會(huì)發(fā)生通信阻塞的問(wèn)題,。所以，中斷和輪詢到最后對(duì)帶寬的 要求是一樣的,，因?yàn)檎l(shuí)也不能承擔(dān)生產(chǎn)過(guò)程異常時(shí)通信阻塞的后果,。

二十年前，Honeywell是第一個(gè)吃DCS這個(gè)螃蟹的公司,，今天Honeywell仍然是行業(yè)里的老大,，盡管其設(shè)備昂貴，被戲稱為Moneywell,。當(dāng)年的DCS全是量身度造的硬件,、軟件。今天在“開(kāi)放系統(tǒng)”（openarchitecture）的大潮里,，DCS的制造廠家都紛紛將控制臺(tái)和計(jì)算,、網(wǎng)絡(luò)控制單元轉(zhuǎn)向通用的WINTEL或UNIX平臺(tái)，自己專注于工控專用裝置（如基本控制裝置,，包括I/O）和系統(tǒng)的軟件整合,。但是這帶來(lái)了新的問(wèn)題。通用/商用硬件,、軟件的可靠性常常不能滿足24小時(shí),、365天的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)要求。對(duì)于大多數(shù)IT來(lái)說(shuō),，機(jī)子壞了,，兩小時(shí)內(nèi)換上就是很快的了。系統(tǒng)需要維護(hù),，弄一個(gè)周末或者晚上停機(jī)維修就是了,。但是對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程來(lái)說(shuō)，這是不可容忍的,，不惜365天一天24小時(shí)可靠運(yùn)轉(zhuǎn),，很多乙烯廠,、煉油廠要4,、5年才有一次停車大修。開(kāi)放結(jié)構(gòu)容許將DCS和經(jīng)營(yíng),、管理,、辦公網(wǎng)絡(luò)相連接，極大地提高了信息交流速度和深度,、廣度,，但也帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，緊接著就是DCS前面豎起一道又一道的防火墻,，把數(shù)據(jù)分享和遠(yuǎn)程操控壓縮到最低,。另外就是WINTEL夜以繼日的不斷更新?lián)Q代,，使硬件、軟件的穩(wěn)定性十分糟糕,，沒(méi)有過(guò)多少時(shí)間,，又要升級(jí)，又是頭疼,。這是DCS的第二個(gè)螺旋形上升,，只是現(xiàn)在還是盤旋多于上升。

0 q" S* q/ N) |- W計(jì)算機(jī)控制的領(lǐng)地也在擴(kuò)大,，類似USB那樣的技術(shù)也開(kāi)始用于數(shù)字化的儀表,。過(guò)去的儀表都必須把信號(hào)線拉到接線板（marshallingpanel）上，然后再連到FTA上,，這樣同樣遠(yuǎn)在百把米外的10臺(tái)儀表,，需要并行拉10條線，很浪費(fèi),。用了類似USB的現(xiàn)場(chǎng)總線（fieldbus）,，各個(gè)儀表可以“掛”在總線上，然后一根總線連到DCS就可以了,，大大節(jié)約拉線費(fèi)用和時(shí)間,，對(duì)系統(tǒng)（如加一個(gè)測(cè)量用的變送器或控制閥）的擴(kuò)展也極為方便。現(xiàn)場(chǎng)總線也有現(xiàn)場(chǎng)總線的問(wèn)題,，不過(guò)這里就不多扯了,。

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DCS的最大優(yōu)越性是可編程。這不是簡(jiǎn)單的像PLC（programmablelogiccontroller,，可編程序邏輯控制器,，多用于機(jī)電控制）的梯級(jí)邏輯那樣編程，而是可以像C,、FORTRAN那樣“正規(guī)”的編程,。我沒(méi)有在IT干過(guò)，只能和學(xué)校里計(jì)算機(jī)語(yǔ)言課程和大作業(yè)的程序相比,。DCS編程和平常的編程相比,，還是有一些特點(diǎn)的。首先,，DCS的程序?qū)儆凇霸偃搿笔�,，也就是定時(shí)反復(fù)運(yùn)行的，而不是一次從頭到底運(yùn)行就完事的,。所以DCS程序可以在運(yùn)行完畢時(shí)在內(nèi)存里存放數(shù)據(jù),，到下次運(yùn)行時(shí)再調(diào)用，形成所謂“遞歸”運(yùn)算。這既是優(yōu)點(diǎn),，也是缺點(diǎn),，要是別人在你兩次運(yùn)算中間把那個(gè)中間數(shù)據(jù)更改了，你就慘了,，找債主都不容易,。
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DCS程序的特色是實(shí)時(shí)，所以其 執(zhí)行非常取決于一系列事件在時(shí)間上的順序,。時(shí)序上要是搞岔了,，老母雞也就變鴨了。問(wèn)題是,，分散控制要求越分散越好,，不光是可靠性，在系統(tǒng)資源的調(diào)度上,，分 散了也容易使系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)荷均勻,。這樣一來(lái)，一個(gè)應(yīng)用程序包常常將一個(gè)巨大的程序打散成很多小程序,，各自的時(shí)序和銜接就要非常小心,。

# M. t: @4 d; d" F( d, M和學(xué)術(shù)型控制計(jì)算程序最大的不同，或許還在于 對(duì)異常情況的處理,。一個(gè)多變量控制問(wèn)題在實(shí)際上常常會(huì)有部分變量處于手動(dòng)控制,，而其余變量處于自動(dòng)控制的情況。這在理論上是一個(gè)麻煩,，在實(shí)際上是一個(gè)噩 夢(mèng),。不光要考慮所有的排列、組合,，還要考慮所有情況平順的切入,、切出，不同模式之間的切換,。還有就是要考慮異常情況下如何安全,、自動(dòng)地退出自動(dòng)控制，交還 手動(dòng)控制,。有時(shí)操作規(guī)程上的一句話,，程序?qū)憣懢褪且豁?yè)。如果操作規(guī)程上來(lái)一句“視情處理”,，那就更慘了,。在所有控制程序中，控制計(jì)算通常不超過(guò)30%,，20%為人機(jī)接口功能，而50%為異常情況處理。

; T5 u2 j1 x- n. S- ?$ X1 \4 h8 I# A人機(jī)界面

計(jì)算機(jī)控制不是因?yàn)楦�先進(jìn),、更有效的人機(jī)界面才開(kāi)始的,。從一開(kāi)始，人機(jī)界面就面臨一個(gè)管中窺豹的問(wèn)題,。計(jì)算機(jī)的CRT顯 屏只有這么大,，不可能“一言以蔽之”，在一瞥之中把所有的過(guò)程信息盡收眼底,。計(jì)算機(jī)可以不斷地?fù)Q屏,，分段顯示其他裝置、工段的信息,，但是把所有的工段,、裝 置分別用各自的畫幅表示，如果沒(méi)有有效的組織,，找都不容易找到,，就像在同一個(gè)目錄里雜亂無(wú)章地放上百把個(gè)文件一樣。分級(jí)的菜單是傳統(tǒng)的解決辦法,，但是要逐 級(jí)上去再逐級(jí)下來(lái),，很費(fèi)時(shí)間，情急之中,，往往來(lái)不及更換,。大鍵盤上shortcut鍵可以“一鍵調(diào) 出”，但需要死記硬背,，這可不是幾個(gè),、十幾個(gè)畫幅，而是上百個(gè)甚至更多,。很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái),，如何有效地在畫幅之間導(dǎo)航，可以在最短時(shí)間和最少點(diǎn)擊內(nèi),，不需要死 記硬背,，就可以直觀地找到所需要的畫幅，一直是一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題,。其實(shí),，這個(gè)問(wèn)題在網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)里也碰到，一個(gè)內(nèi)容豐富的網(wǎng)站,，要如何組織網(wǎng)頁(yè),，使用戶自 然、迅速地找到自己需要的內(nèi)容,，很不容易,。所不同的是,，工控的“網(wǎng)頁(yè)”需要保證在最短時(shí)間里找到，需要的時(shí)候找不到是要出大問(wèn)題的,。

; J0 a, s6 ?) m) P7 j3 ^人機(jī)界面設(shè)計(jì)的另一個(gè)問(wèn)題是色彩,。還記得DOS2.0時(shí)代的WordStar嗎？那是黑底綠字的,。那時(shí)候,，CRT亮度不足，壽命也糟糕,，黑底可以延長(zhǎng)壽命,，綠字可以增加反差，幫助閱讀,，反正機(jī)房是暗暗的,，黑底并不傷眼睛。到了WordPerfect5.0的時(shí)候,，就是藍(lán)底白字了,，字和背景之間的反差大大減小，藍(lán)底也比較適宜于在明亮的房間內(nèi)使用,。到了Word的時(shí)代,，沒(méi)有昏暗的機(jī)房了，基本上都用像紙上寫字一樣的白底黑字了,，再用黑底綠字,，太傷眼睛。

中控室計(jì)算機(jī)顯示也經(jīng)歷了類似的旅程,。早期DCS的顯示都是黑底綠字的,，到了用WINTEL或UNIX的 時(shí)代，很多人出于習(xí)慣,，仍然采用黑底綠字,，但是現(xiàn)代人機(jī)工程研究表明，淺色背景大大減低眼睛的疲勞,，在明亮室內(nèi)的燈光對(duì)屏幕的反光也小,，所以控制室的顯示 開(kāi)始向淺灰背景進(jìn)化了。人機(jī)工程研究同時(shí)發(fā)現(xiàn),，色彩可以作為過(guò)程信息的一部分,，天下太平的時(shí)候，應(yīng)該用最不顯眼的灰色,，所有的圖形,、數(shù)據(jù)都用不同深淺的灰 色來(lái)表示，只有在過(guò)程參數(shù)越限或報(bào)警時(shí),，才采用彩色顯示,，這樣可以一下子就把操作工的注意力吸引到需要的地方,。但是，出于習(xí)慣思維,，很多地方還是大量采用 各種色彩表示不同的設(shè)備狀態(tài)和參數(shù),，即使是正常狀態(tài)也是一樣,。這樣在平日里色彩繽紛很好看,，但在異常情況時(shí)，不容易在萬(wàn)馬軍中找到上將的首級(jí),，實(shí)際上是舍 本逐末,。
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' r$ Y& i6 w* I! K, {顯示器的布置也很有講究，少了當(dāng)然不行,，也不是越多越好,，一個(gè)操作工的視界的上下左右有一定的范圍，控制臺(tái)的色彩,、構(gòu)造,、照明都不能想當(dāng)然的。這不是助長(zhǎng)修正主義,，而是保持操作工最有效地控制生產(chǎn)過(guò)程的要求,。
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性能評(píng)估

傳統(tǒng)上，如果操作工不抱怨,，控制回路的性能就 是可以接受的,，除非你想精益求精，一般不會(huì)去沒(méi)事找事,，重新整定參數(shù),。在對(duì)經(jīng)濟(jì)效益斤斤計(jì)較的今天，生產(chǎn)過(guò)程的工藝條件被推到極端,，對(duì)控制性能提出極大的 挑戰(zhàn),，控制回路必需時(shí)時(shí)、處處都在最優(yōu)狀態(tài),。隨著控制回路數(shù)的迅速增長(zhǎng),，單靠人工觀察，已經(jīng)難于隨時(shí)掌握所有控制回路的性能狀況了,�,？刂苹芈沸阅茉u(píng)估技術(shù) 應(yīng)運(yùn)而生。
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: Y9 p- J9 u  e5 C8 M; U理論上,，對(duì)一個(gè)過(guò)程可以設(shè)計(jì)一個(gè)最優(yōu)控制,，其中一種就叫最小方差控制。這其實(shí)是線性二次型最優(yōu)控制的一種,，控制作用比較猛,，但是這是理論上的極限,，控制方差不可能再小了。90年代時(shí),，理論界提出一個(gè)方法,，可以用閉環(huán)辨識(shí)的方法，不辨識(shí)模型,，而是直接確定理論上的最小方差,，然后將實(shí)際方差和理論上的最小方差相比，判別控制回路是否需要重新整定,。這個(gè)方法開(kāi)創(chuàng)了控制回路性能評(píng)估的先河,，但是在實(shí)用上不容易排除不利影響，應(yīng)用不多,。
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7 T0 E( e9 V4 ^  p$ u. m& P* _7 g然而,，不和理論上的最優(yōu)值比較，而是和實(shí)際上的理想值比較,，就可以繞過(guò)很多麻煩的理論問(wèn)題,。比如說(shuō)，流量回路應(yīng)該在1分鐘內(nèi)安定下來(lái),，那理想值就是1分 鐘,。通過(guò)快速富利葉變換和頻域分析，可以將理論性能和實(shí)際性能相比較,，迅速確定回路的當(dāng)前性能狀況,。最要緊的是，這可以用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù),，自動(dòng)計(jì)算,， 每天早上（或隨便什么時(shí)候）給出報(bào)表，控制工程師可以一目了然,，哪些回路需要重新整定,，哪些沒(méi)有問(wèn)題，可以有的放矢,。實(shí)時(shí)頻域分析還可以將所有以相近頻率 振蕩的回路羅列出來(lái),，接下來(lái)控制工程師就可以按圖索驥，找出害群之馬了,。
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# M( Y8 F$ \9 A8 w% a' K/ X控制回路性能評(píng)估的下一步當(dāng)然就是自動(dòng)整定,。這實(shí)際上是一個(gè)簡(jiǎn)化的、斷續(xù)運(yùn)行的自校正PID控制器,，在理論上已經(jīng)沒(méi)有問(wèn)題,，但實(shí)用上還有很多可靠性問(wèn)題沒(méi)有完全解決，現(xiàn)在產(chǎn)品不少,，但實(shí)用的還是不多,。

7 J0 i1 Z& Q0 q- v故障診斷和容錯(cuò)系統(tǒng)
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% C6 M" U' r0 \7 `, _7 c3 t對(duì)控制回路性能評(píng)估的更進(jìn)一步,，當(dāng)然就是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的故障診斷了。故障就是異常情況,，異常就是和正常不一樣,。所以故障診斷的核心在于如何探測(cè)這“不一樣”。

; ?+ m- x+ Y9 t故障總是有蛛絲馬跡的,，問(wèn)題在于工業(yè)過(guò)程的數(shù)據(jù)量太大,，在大海里撈針，等撈到的時(shí)候,，常常已經(jīng)時(shí)過(guò)境遷了,。在數(shù)據(jù)分析中,，PLS（其實(shí)是PeojectiontoLatentStructure,，而不是一般所認(rèn)為的PartialLeastSquare）和主元分析（PrincipalComponentAnalysis，PCA）是很流行的方法,。PLS和PCA將眾多相關(guān)的變量歸攏到少數(shù)幾個(gè)“合成”的變量,，這樣一個(gè)有大量變量的復(fù)雜大系統(tǒng)就可以簡(jiǎn)化為一個(gè)小系統(tǒng)，就從大海撈針變?yōu)橥肜飺漆樍�,。撈出�?lái)的針不再是單個(gè)的變量,，而是變量的組合。這和實(shí)際是相符的,，故障的早期征兆常常是若干變量的組合,，而不能單從一兩個(gè)變量上看出來(lái)。
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PLS和PCA還可以和圖形方法結(jié)合起來(lái)使用,。比如說(shuō),，將那些合成變量標(biāo)稱化，就是除以正常值,，那所有合成變量的標(biāo)稱值就是1,。把所有變量畫成“蜘蛛圖”（spiderchart），每一個(gè)蜘蛛腳代表一個(gè)合成變量,，由于合成變量的標(biāo)稱值都是1,，蜘蛛圖就是大體為圓的。如果哪一個(gè)腳出現(xiàn)變化,，蜘蛛就不圓了,，非常容易看出異常來(lái)，接下來(lái)就可以有的放矢地尋找故障的早期跡象了,。
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: X; j# A" w5 |: o1 L8 T圖形數(shù)據(jù)分析的另一個(gè)路子是所謂co-linear分析,。這是IBM早 年琢磨出來(lái)的一個(gè)東西，理論上簡(jiǎn)直沒(méi)有東西,，但要求換一個(gè)思路,，正所謂退一步海闊天空,。平常的數(shù)據(jù)點(diǎn)，三維以上就沒(méi)法畫了,。但是如果把三維空間的所有數(shù)軸 畫成平行線,，而不是常見(jiàn)的直角坐標(biāo)，那三維空間里的一個(gè)點(diǎn),，就是連接三根平行線的一根折線,。如果僅此而已，那也就是一個(gè)簡(jiǎn)單但愚蠢的數(shù)學(xué)游戲,。平行坐標(biāo)系 的妙處在于,，平行線可以盡著畫，所以5維,、20維,、3千 維，只要紙足夠大,，都可以畫,，而且可以看見(jiàn)，而不是只能想像,。平行坐標(biāo)只有一個(gè)缺點(diǎn),，就是只能表述離散的點(diǎn)，而難以表述連續(xù)的線或面,，但這對(duì)計(jì)算機(jī)采集的 數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō),，不是問(wèn)題，計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)本來(lái)就是離散的點(diǎn),。這樣,，用平行坐標(biāo)把大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)畫成折線簇，可以很直觀地看出數(shù)據(jù)中的模式來(lái),，
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9 Q1 h5 `6 p* Z1 I故障診斷的另一個(gè)思路是對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行辨識(shí),。辨識(shí)出來(lái)的模型表述系統(tǒng)的行為，故障當(dāng)然就是行為的改變,，所以將實(shí)時(shí)辨識(shí)出來(lái)的模型和正常模型相比較,，就可以判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常或故障,。

仿真

5 S3 F) ~) N  r計(jì)算機(jī)和模型的另一個(gè)用處就是仿真,。仿真（simulation）也叫模擬，但是模擬容易和模擬電路（analogcircuit）搞混,，所以現(xiàn)在叫仿真多了,。只要對(duì)實(shí)際過(guò)程有一個(gè)足夠精確的模型，計(jì)算機(jī)是可以相當(dāng)精確地模仿實(shí)際系統(tǒng)的行為的。
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仿真有靜態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)仿真,。靜態(tài)仿真基本上就 是解一個(gè)巨大的非線性聯(lián)立方程組,，描述空間分布的微分方程也被有限元方法分解了。現(xiàn)代靜態(tài)仿真已經(jīng)可以做得相當(dāng)精確,，但這也是在多年結(jié)合實(shí)際過(guò)程數(shù)據(jù)“磨 合”模型的基礎(chǔ)上才能做到的,。靜態(tài)仿真大量用于工藝設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算，但是對(duì)研究實(shí)際過(guò)程的真實(shí)行為的作用有限,，因?yàn)閷?duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程和工藝的仿真要考慮進(jìn)各個(gè) 設(shè)備動(dòng)作的時(shí)間和控制回路的影響,，這些靜態(tài)仿真是無(wú)法體現(xiàn)的。動(dòng)態(tài)仿真要解同樣巨大的聯(lián)立微分方程組,，由于要達(dá)到實(shí)時(shí)或更快,，一般只能大大簡(jiǎn)化，否則計(jì)算 速度跟不上,，收斂性也難以保證,。希望有朝一日，動(dòng)態(tài)仿真可以達(dá)到靜態(tài)仿真同等的精度,，而不必?fù)?dān)心損失計(jì)算速度,。
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; B# y* L# j* T& [# V- a仿真在工業(yè)上十分有用。現(xiàn)代化工廠越來(lái)越穩(wěn) 定,，越來(lái)越安全，很多操作工一輩子也沒(méi)有遇到過(guò)真正危險(xiǎn)的情況,。但沒(méi)有遇到過(guò)不等于不會(huì)遇到,，操作工必須接受足夠的訓(xùn)練，只有這樣,，才能當(dāng)遇到危險(xiǎn)情況 時(shí),，首先能及時(shí)、正確地識(shí)別故障,，然后才能及時(shí),、正確地作出反應(yīng)。這就要靠仿真訓(xùn)練了�,，F(xiàn)代化工廠也在不斷地拓展工藝參數(shù)的極限,，經(jīng)常需要做各種各樣的試 驗(yàn)。有了仿真,，就可以預(yù)先驗(yàn)證試驗(yàn)的構(gòu)思,，和驗(yàn)證對(duì)緊急情況的處理。

仿真更是控制工程師的好幫手,，新的控制回路先放到仿真上試一下,，得出初始整定參數(shù)，驗(yàn)證異常情況的處理能力，然后再放到真家伙上,，可以避免很多不必要的驚訝,。

RTO

; d. {& Z+ ]4 R0 L. I6 d仿真的一個(gè)遠(yuǎn)親是實(shí)時(shí)最優(yōu)化。對(duì)于斤斤計(jì)較的 現(xiàn)代制造業(yè),，實(shí)時(shí)最優(yōu)化當(dāng)然是求之不得的,。實(shí)時(shí)最優(yōu)化就是把整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)一個(gè)大的實(shí)時(shí)仿真來(lái)運(yùn)算，實(shí)時(shí)（實(shí)際上是每小時(shí)）計(jì)算出最優(yōu)工況,。想法是好的,， 困難是多的。首先,，那么大一個(gè)方程組收斂不容易,，要?jiǎng)澇珊芏鄺l條塊塊，分別求解,，然后拼起來(lái),。問(wèn)題就出在“拼”上，邊界條件碰不攏怎么辦,？模型總是有相當(dāng) 的簡(jiǎn)化,，其中有些參數(shù)必須和實(shí)際測(cè)量值符合，有些就沒(méi)有實(shí)際測(cè)量值對(duì)應(yīng),，就是“經(jīng)驗(yàn)系數(shù)”（fudgefactor）了,。這些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)就是承擔(dān)收拾爛賬的，邊界碰不攏,，就調(diào)整經(jīng)驗(yàn)系數(shù),，使他們對(duì)齊。問(wèn)題是,，好多時(shí)候,，這一招也不靈，所以實(shí)時(shí)最優(yōu)化的喇叭吹得很響,，真正用起來(lái)的很少,，花了大錢最后放棄的也不在少數(shù)。

3 d9 F. p2 h" x! v人的因素
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1 ?5 v: W. r1 P和打仗一樣,，贏得戰(zhàn)斗的是武士,，不是武器�,？刂乒こ處熓强刂苹芈烦晒εc否的關(guān)鍵,，而不是價(jià)值千金的計(jì)算機(jī)，或者“放之四海而皆準(zhǔn)”的數(shù)學(xué)控制理論,。
1 ^. ~. D- d% R/ A: z' Q% f4 K
在加拿大,，化工系的控制“專業(yè)”要選滿所有化 工學(xué)分，然后再加選控制學(xué)分，所以要求比一般的化學(xué)工程師還要高一點(diǎn),。選滿化工學(xué)分是很重要的一點(diǎn),，如果沒(méi)有對(duì)化工的話語(yǔ)權(quán)，那化工控制也別混了,，這一點(diǎn) 是國(guó)內(nèi)（至少是三十多前我讀大學(xué)的時(shí)候）所欠缺的,。這就像醫(yī)生一樣，只有對(duì)生理,、病理有深刻的了解,，對(duì)病人的具體情況有深刻的了解，才有可能可靠地判斷病 情,，才能可靠地開(kāi)方治病,。只會(huì)看單抓藥，這就不是醫(yī)生,，而是藥劑師了,。在實(shí)際中，控制工程師對(duì)工藝過(guò)程的動(dòng)態(tài)行為的理解至少應(yīng)該和工藝工程師同等,，和操作 工相當(dāng),。事實(shí)上，很多時(shí)候,，控制工程師的使命就是將工藝工程師和操作工的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)具體化,、自動(dòng)化，如果你不能深刻理解,，那如何實(shí)現(xiàn)呢,？一個(gè)優(yōu)秀的控制工 程師可以在操作工不在的時(shí)候，頂班操作,；可以在工藝工程師不在的時(shí)候，做出工藝決定,。
7 n. K) ], [( M, Y- H  A& @9 e* ^
9 L; W/ H# B% ~/ F! B2 T; [但是控制工程師畢竟不是工藝工程師,，也不是操 作工�,？刂乒こ處煈�(yīng)該掌握前面說(shuō)到的所有領(lǐng)域,，從數(shù)學(xué)控制理論，到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),，到人機(jī)工程,，到工藝和儀表知識(shí)。這個(gè)要求很高,，但不是不切實(shí)際的,。這些是攪 這個(gè)瓷器活所必需的金剛鉆。這也是為什么現(xiàn)在加拿大工業(yè)界熱衷于招雇具有碩士學(xué)位的控制畢業(yè)生，因?yàn)楸究频膸啄暌呀?jīng)很難學(xué)習(xí)必須的知識(shí)了,。至于博士,，那還 是有眼高手低的嫌疑，不過(guò)也開(kāi)始改觀了,。

2 |6 _8 h/ r$ N; N0 L& t專業(yè)知識(shí)只是成功的一面,，控制工程師必須善于 與人打交道。工藝工程師比較好說(shuō),，畢竟有類似的背景,，但操作工是控制系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，如果無(wú)法取得操作工對(duì)你個(gè)人和你的控制系統(tǒng)的信任和合作,，那控制系統(tǒng) 很可能就是永久性地被關(guān)閉,，操作工寧愿手工控制，出了問(wèn)題還是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)不可靠,，你就等著里外不是人吧,。但是取得操作工的信任和合作后，事情會(huì)向相反的 方向發(fā)展,。操作工會(huì)主動(dòng)向你提出改進(jìn)建議,，或新的想法，主動(dòng)找機(jī)會(huì)幫你試驗(yàn)新的功能,，主動(dòng)拓展控制系統(tǒng)的性能極限,。如果說(shuō)顧客是上帝的話，操作工而不是部 門主管才是控制工程師的上帝,。
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/ z! r7 Y0 h: ^9 f控制工程師也要善于和頭兒打交道,，畢竟搞項(xiàng)目、要錢的時(shí)候,，還是要找頭兒的,。打報(bào)告、作報(bào)告,、項(xiàng)目控制和管理,、和供應(yīng)商打交道，這些都是必備的技能,。
4 V/ o+ B/ R# o% `) s/ m0 t
# U) b+ p1 ^" k2 }2 W. N工藝工程師也是工程師,，但用軍隊(duì)的比方來(lái)說(shuō)，他們?nèi)硕鄤?shì)眾,，更像常規(guī)部隊(duì),，習(xí)慣大兵團(tuán)協(xié)同作戰(zhàn)�,？刂乒こ處焺t像特種部隊(duì),，人數(shù)少,，行止怪癖（至少對(duì)工藝的人來(lái)說(shuō)，他們永遠(yuǎn)弄不明白控制的人到底在做什么,，怎么做出來(lái)的）,，從規(guī)劃到實(shí)施到維修，全一手包辦,。
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控制理論的發(fā)展歷程就是一個(gè)尋找“放之四海而 皆準(zhǔn)”的“神奇子彈”的歷程,，終極目標(biāo)是可以用一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)控制工具去“套”任何一個(gè)具體的控制問(wèn)題，而不必對(duì)具體過(guò)程的物理,、化學(xué)等特性有深入的理 解,。控制理論的每一次重大進(jìn)展,，都給人們帶來(lái)希望,，“這一次終于找到了”。但每一次希望都帶來(lái)了新的失望,，新方法,、新工具解決了老問(wèn)題，但帶來(lái)了新的局 限,，有的時(shí)候甚至轉(zhuǎn)了一圈兜回去了,。新的局限往往比老問(wèn)題更棘手，需要對(duì)過(guò)程的理解是更多而不是更少,。矛和盾就是這么著在螺旋形上升中斗法,。

但是現(xiàn)實(shí)常常和人們的認(rèn)識(shí)背道而馳。在商業(yè)化 的大潮中,，推銷先進(jìn)控制算法的公司拍胸脯擔(dān)�,？梢匀绾稳绾斡谩叭f(wàn)能”的數(shù)學(xué)控制工具解決一切控制問(wèn)題，那些絢爛的老虎皮也確實(shí)照得不明就里的人眼花繚亂,， 心旌飄蕩,；公司的頭兒也一口吃進(jìn)，畢竟“技術(shù)萬(wàn)能論”不僅在美軍中盛行,，在北美的公司文化中也是大行其道,。直到有一天，人們發(fā)現(xiàn)永動(dòng)機(jī)依然是神話,，人還是 不能在水上步行，方才想起來(lái),，原來(lái)世上是沒(méi)有這等好事的,。不過(guò)這是題外話了。
+ {7 x  }) d1 n. h
本來(lái)就知道這個(gè)系列會(huì)又臭又長(zhǎng),，但是既然寫了,，就寫完吧,，希望沒(méi)有占用太多的帶寬，希望沒(méi)有浪費(fèi)大家的時(shí)間,，希望給對(duì)自動(dòng)控制有興趣的朋友提供一點(diǎn)入門的知識(shí),，希望給同好提供一些從實(shí)際中得到的經(jīng)驗(yàn)，錯(cuò)誤的地方肯定很多,，敬請(qǐng)?jiān)���,，同時(shí)謝謝閱讀。

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作者: 藍(lán)胖也有人用    時(shí)間: 2015-10-14 17:19
我呢

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作者: stoplonely    時(shí)間: 2015-10-14 18:54
這文章寫的確實(shí)好,。

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作者: 藍(lán)色先生    時(shí)間: 2015-10-14 20:21
好文

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作者: magicyoulife    時(shí)間: 2015-10-14 20:32
收藏

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作者: hc2003    時(shí)間: 2015-10-14 20:36
通俗易懂啊,，復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化

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作者: 工程師0106    時(shí)間: 2015-10-14 22:29
受教了

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作者: 陳云奇哥    時(shí)間: 2015-10-15 12:43
看了，受益匪淺

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作者: 默笑滄海    時(shí)間: 2015-10-15 13:01
標(biāo)記一下,，有空再看,，搞設(shè)計(jì)的必須得懂點(diǎn)電氣

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作者: 無(wú)名小白    時(shí)間: 2015-10-15 18:38
MARKMARK  明天來(lái)拜讀

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作者: 盜版小朝    時(shí)間: 2015-10-15 19:34
返原文地址http://zhouf601117.blog.163.com/

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作者: zhengjcaaa    時(shí)間: 2015-10-17 15:06
挺好的

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作者: 普通的玩家    時(shí)間: 2015-10-17 17:25
好東西啊,！mark

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作者: 豪軍bibiking    時(shí)間: 2015-10-18 20:09
學(xué)到了,，最近在上自動(dòng)控制這門課，淺顯易懂,，十分感謝,。

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作者: renf117    時(shí)間: 2015-10-19 11:18
路過(guò)來(lái)學(xué)習(xí)下。

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作者: llm_nuc    時(shí)間: 2015-10-21 10:04
學(xué)習(xí)下

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作者: 小笨熊兩只    時(shí)間: 2015-10-21 15:31
終于明白什么是PID了

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作者: 為何abc    時(shí)間: 2016-4-3 00:23
mark

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