馮少輝博士編著的《PID參數(shù)整定與復(fù)雜控制》深入講解PID參數(shù)整定和自動(dòng)化控制方案設(shè)計(jì)，近十年來過程控制領(lǐng)域關(guān)于PID整定的含金量高的自動(dòng)化書籍極少，本書值得大家仔細(xì)研讀。



圖書特點(diǎn)
1、《PID參數(shù)整定與復(fù)雜控制》介紹的PID整定和控制方案設(shè)計(jì)是提升裝置過程控制水平的兩個(gè)核心問題，關(guān)注這兩方面的知識(shí)并實(shí)踐是實(shí)現(xiàn)智能工廠的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。
2、《PID參數(shù)整定與復(fù)雜控制》從時(shí)域響應(yīng)曲線入手，工程師可以使用Lambda整定方法實(shí)現(xiàn)PID整定科學(xué)化，將整定的難度降低為響應(yīng)曲線作圖的難度，使非自動(dòng)化專業(yè)背是的人也能進(jìn)行PID整定。
3、《PID參數(shù)整定與復(fù)雜控制》對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Lambda整定方法做了一系列工程化改進(jìn)以滿足實(shí)際工程需要，Lambda整定方法能夠給絕大部分工業(yè)過程提供穩(wěn)定一致的閉環(huán)性能，克服傳統(tǒng)整定方法存在的缺陷并能充分展示PID控制的潛力。
4、將PID整定看作控制回路優(yōu)化工作的一部分，介紹了如何分析閉環(huán)趨勢(shì)通過最佳實(shí)踐將控制回路優(yōu)化過程標(biāo)準(zhǔn)化。通過科圖，分享了整定的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)化、系統(tǒng)化、規(guī)范化、工程化降低PID整定的難度，使工程師掌握PID整定方法，實(shí)現(xiàn)PID整定大眾化。
5、介紹了常見的5種復(fù)雜控制方案: 串級(jí)控制、前饋控制、超馳控制、分程控制和閥位控制。這些復(fù)雜控制方案的綜合形成了很多標(biāo)準(zhǔn)解決方案，對(duì)于提升裝置自動(dòng)化水平、挖潛增效具有重要意義。
6、最優(yōu)控制方案充滿藝術(shù)性，本書提出了控制方案設(shè)計(jì)的原則，例如簡單規(guī)范、充分、優(yōu)化等。
7、《PID參數(shù)整定與復(fù)雜控制》附錄給出了關(guān)于Lambda整定的公式推導(dǎo)和頻域分析，這些內(nèi)容對(duì)深入理解Lambda整定非常有好處。每種方法都有適用范圍和邊界，當(dāng)有超預(yù)期的要求時(shí)讀者可以知道如何改進(jìn)。

《PID參數(shù)整定與復(fù)雜控制》目錄
1 概述
1.1 PID仿人智能控制器
1.2 復(fù)雜控制和先進(jìn)控制
1.3 全書構(gòu)成
2 過程控制基本原理
2.1 過程和過程控制
2.2 過程控制目的
2.2.1 安全第一
2.2.2 效益優(yōu)先
2.3 過程控制方式
2.3.1 開環(huán)控制
2.3.2 閉環(huán)控制
2.4 動(dòng)態(tài)過程模型
2.4.1 過程階次
2.4.2 一階過程
2.4.3 高階過程
2.4.4 過程作用與控制器作用
2.5 過程類型
2.5.1 自衡過程
2.5.2 積分過程
2.5.3 過程類型的閉環(huán)判斷
2.6 控制系統(tǒng)性能評(píng)估
2.6.1 系統(tǒng)過渡過程評(píng)估
2.6.2 目視優(yōu)閉環(huán)響應(yīng)
3 PID控制器
3.1 PID控制器發(fā)展簡史
3.1.1 PID與飛球式調(diào)速器
3.1.2 從發(fā)明到創(chuàng)新
3.1.3 PID控制器大事記
3.2 PID參數(shù)影響分析
3.2.1 比例控制
3.2.2 積分控制
3.2.3 比例積分控制
3.2.4 微分控制
3.2.5 PID控制
3.3 PID算法改進(jìn)
3.3.1 PID的形式
3.3.2 兩自由度PID
3.3.3 不完全微分
3.3.4 積分飽和
3.3.5 變比例增益PID
4 Lambda整定方法
4.1 PID參數(shù)整定
4.2 整定的目標(biāo)
4.3 自衡對(duì)象特性參數(shù)對(duì)PID參數(shù)的影響
4.3.1 純滯后時(shí)間對(duì)控制性能的影響
4.3.2 模型特性對(duì)控制性能的影響
4.3.3 自衡對(duì)象純比例控制器整定方法
4.3.4 自衡對(duì)象比例積分控制器整定方法
4.4 自衡對(duì)象Lambda整定方法
4.4.1 自衡對(duì)象Lambda整定
4.4.2 自衡對(duì)象控制模型計(jì)算
4.4.3 自衡對(duì)象Lambda整定實(shí)例
4.5 積分對(duì)象Lambda整定方法
4.6 關(guān)于Lambda整定工程方法
5 PID參數(shù)整定實(shí)操
5.1 自衡對(duì)象響應(yīng)曲線分析
5.2 積分對(duì)象響應(yīng)曲線分析
5.3 控制回路振蕩的根源
5.4 PID參數(shù)整定實(shí)例
5.4.1 讀懂設(shè)定值階躍響應(yīng)曲線
5.4.2 流量控制回路PID參數(shù)整定
5.4.3 比例增益嚴(yán)重依賴于量程
5.4.4 液位控制誤區(qū)
5.5 PID參數(shù)整定新口訣
5.6 控制回路整定優(yōu)化流程
5.7 λ選擇準(zhǔn)則
6 復(fù)雜控制
6.1 概述
6.2 串級(jí)控制
6.2.1 串級(jí)控制設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
6.2.2 串級(jí)控制方案
6.2.3 串級(jí)控制特點(diǎn)
6.2.4 串級(jí)控制應(yīng)用
6.2.5 串級(jí)控制總結(jié)
6.3 前饋控制
6.3.1 前饋控制的應(yīng)用與定義
6.3.2 手動(dòng)前饋控制
6.3.3 自動(dòng)前饋控制
6.3.4 前饋控制設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
6.3.5 前饋-反饋聯(lián)合控制
6.4 比值控制
6.5 超馳控制
6.6 分程控制
6.7 閥位控制
6.7.1 閥位控制的選擇
6.7.2 閥位控制應(yīng)用
6.8 控制方案設(shè)計(jì)案例
6.8.1 一個(gè)測量值兩個(gè)最終控制元件
6.8.2 兩個(gè)測量值一個(gè)最終控制元件
6.8.3 控制方案設(shè)計(jì)原則
6.9 結(jié)論
附錄
附錄1 Lambda整定方法推導(dǎo)
1、自衡對(duì)象Lambda整定方法推導(dǎo)
2、積分對(duì)象Lambda整定方法推導(dǎo)
3、積分對(duì)象純比例控制
4、積分對(duì)象比例積分控制
附錄2 基于響應(yīng)曲線的控制模型辨識(shí)工程方法
附錄3 Lambda整定方法的頻域分析
附錄4 Lambda整定方法的補(bǔ)充

筆者馮少輝博士的話
以PID為代表的過程控制是個(gè)非常古老的行業(yè)，甚至比經(jīng)典控制理論的出現(xiàn)還要早。我的博士論文和大部份的職業(yè)生涯都和先進(jìn)控制相關(guān)。交到的朋友和職業(yè)聲望也和先進(jìn)控制聯(lián)系在一起。但是現(xiàn)在看對(duì)過程控制的認(rèn)識(shí)還是不夠深刻不夠本質(zhì)。PID參數(shù)整定和控制方案設(shè)計(jì)才是過程控制的根本，復(fù)雜控制和先進(jìn)控制都是形式和工具。寫一本書既是一種傳承也是記錄。努力把書寫出來的過程促使我更加深入的思考，這本書和我相互成全。希望這個(gè)書能給大家正確認(rèn)識(shí)過程控制的道有所幫助。

過控之道：整定難不到，方案設(shè)計(jì)巧
對(duì)于人造系統(tǒng)中的強(qiáng)因果單變量控制，在反饋加持下PID就能滿足控制要求。對(duì)于一階純滯后自衡對(duì)象，PI控制的三個(gè)特性說明了PI的能力：
1、和時(shí)間常數(shù)無關(guān)；
2、閉環(huán)超調(diào)不振蕩有無數(shù)組PI；
3、有一個(gè)適用于所有自衡對(duì)象的比例增益1/4K。很多人有誤解！其實(shí)PID能力很強(qiáng)，而且整定參數(shù)只要知道邊界并不難。

可惜現(xiàn)場大部份PID參數(shù)都是默認(rèn)值，對(duì)過程控制的中流砥柱PID缺乏起碼的尊重和重視。學(xué)習(xí)書里提到的Lambda工程整定方法是解決控制問題很重要的第一步！

歷史不能假設(shè)，如果1942年Ziegler和Nichols兩位工程師就發(fā)明Lambda整定方法，可能大家誤解會(huì)少一些。可站在PID參數(shù)整定的歷史起點(diǎn)，兩位祖師爺開創(chuàng)了PID整定方法的工程范式而且關(guān)注抗擾能力，我們更多的是對(duì)泰勒儀表公司工程部和銷售部兩位前輩的敬仰。Nichols后來還在麻省理工學(xué)院工作過。兩位大師后來交集不多但是ZN整定方法這個(gè)牛，他們可以吹很久很久。這兩位年齡差了幾歲但是都是1997年去世的，那一年我本科畢業(yè)開始攻讀碩士學(xué)位。

理解本質(zhì)、持續(xù)改進(jìn)
二戰(zhàn)以后，現(xiàn)代流程工業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，規(guī)模大流程長工藝復(fù)雜，循環(huán)物料多，熱量集成大量存在，成本競爭劇烈。流程工業(yè)必須依靠高度的自動(dòng)化才能保證安全效益和效率。每套裝置都有成百上千個(gè)變量需要控制。變量互相影響是之前工業(yè)上很少見，學(xué)術(shù)研究也忽視的一個(gè)基本情況。必須以更系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法保證這些變量的動(dòng)態(tài)協(xié)同工作。

這里面其實(shí)是三個(gè)層級(jí)的問題：
1、如何既抗擾又不干擾其他回路；
2、如何設(shè)計(jì)方案確保全部控制目標(biāo)都能實(shí)現(xiàn)；
3、如此多的工藝參數(shù)被控制后如何協(xié)調(diào)優(yōu)化。

在整定方法上，使用不振蕩而且可以自定義期望閉環(huán)時(shí)間常數(shù)的Lambda工程整定方法，則是必選。如何選擇期望的閉環(huán)時(shí)間常數(shù)要綜合考慮。提升抗擾能力除了PID參數(shù)整定，前饋和串級(jí)也是工程上常用的形式。

工藝要求和邊界條件太復(fù)雜，不合理的控制方案往往不能投自動(dòng)，控制方案必須通過系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化思維進(jìn)行設(shè)計(jì)。很多最優(yōu)控制方案看起來非常簡單，但是內(nèi)在的邏輯卻非常復(fù)雜。為了方便讀者掌握常見的基于PID的多變量控制標(biāo)準(zhǔn)方案，書里介紹了常見的復(fù)雜控制策略并提供了一些范例。能夠掌握這些復(fù)雜控制的知識(shí)對(duì)工程師來說已經(jīng)足夠了。對(duì)工藝要求和邊界條件的本質(zhì)深刻理解則可以讓工程師進(jìn)階為過程控制專家。

每位工程師還應(yīng)該意識(shí)到：裝置需要持續(xù)改進(jìn)。這么多工藝參數(shù)被控制后，其實(shí)整個(gè)裝置可以優(yōu)化的地方很多。在保證安全的前提下進(jìn)一步挖掘裝置潛力是效益之源也是核心競爭力。設(shè)定值和閥位都是自由度。持續(xù)改進(jìn)和裝置上的每一個(gè)人都有干系。工藝、設(shè)備、儀表、控制都要配合起來才能建立企業(yè)的競爭優(yōu)勢(shì)。希望大家都能知行合一、持續(xù)不斷地去消除每一個(gè)人工干預(yù)和報(bào)警，優(yōu)化每個(gè)一工藝參數(shù)。

寫書是辛苦的事情，想給中國過程控制做點(diǎn)有意義的事情的想法推動(dòng)我不斷思索研究，想幫助工程師把事情說清楚反過來促進(jìn)了我的進(jìn)步。李老師讓我有想法就要寫出來，這些年也寫了一些科技論文。目標(biāo)遠(yuǎn)大了這些年多做了很多事情！2020年關(guān)于PID參數(shù)整定就有了初步的成果，然后經(jīng)過這幾年和同仁們一起探討談?wù)劊覍?duì)過程控制的認(rèn)識(shí)更加深刻，對(duì)PID的能力和PID整定方法有了更本質(zhì)地理解。

《PID參數(shù)整定與復(fù)雜控制》一開始只是個(gè)關(guān)于PID整定的小冊(cè)子，隨著研究的深入逐漸認(rèn)識(shí)到：過程控制的關(guān)鍵是PID和控制結(jié)構(gòu)。PID參數(shù)整定理解了并不難，知道邊界，掌握Lambda工程整定方法就可以了。但是要找到滿足工藝需求的控制結(jié)構(gòu)則需要理解本質(zhì)。好的方案應(yīng)該既簡單又高效。一種理論一個(gè)控制結(jié)構(gòu)如果修飾太多往往還不夠完善，如果您設(shè)計(jì)的控制方案包括邏輯切換的條件要非常小心。

如果不能本質(zhì)地理解工藝需求和條件，就很難設(shè)計(jì)出合理的控制結(jié)構(gòu)。對(duì)工程師而言學(xué)習(xí)基本的復(fù)雜控制形式，知道如何標(biāo)準(zhǔn)化組態(tài)，再掌握一些典型范例就很好了。這也是《PID參數(shù)整定與復(fù)雜控制》里關(guān)于復(fù)雜控制的主要內(nèi)容。

有很多控制方案看起來都是單回路，但是這些回路通過不同設(shè)定值、被修改的設(shè)定值、區(qū)間設(shè)定值、前饋抗擾、閥位協(xié)調(diào)優(yōu)化、邏輯模塊超馳等可以協(xié)同工作，這些巧妙的內(nèi)在邏輯需要更高的認(rèn)知水平，是最難的。

形式上越簡單內(nèi)在的邏輯就要越清晰。有些控制回路投自動(dòng)會(huì)提升抗擾能力并解耦，而有些控制回路投自動(dòng)反而會(huì)引起耦合放大干擾，有些控制回路還有優(yōu)化挖潛的機(jī)會(huì)，有些則勉強(qiáng)運(yùn)行性能不達(dá)標(biāo)。這些要靠提升認(rèn)知水平靠經(jīng)驗(yàn)積累，以更系統(tǒng)的視角觀察分析才能發(fā)現(xiàn)問題解決問題。這需要開放的心胸、持續(xù)學(xué)習(xí)、知行合一，這也是過程控制之道。



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