发布时间 : 星期三 文章由入门到精通-吃透PID更新完毕开始阅读
基础。同时，因为他对多种学科都有深入的研究，使得它能够触类旁通，并且能把相邻学科 的一些知识方法，应用到另外的学科当中。有些人可能对这一点不太理解。80、90 年代， 国内兴起一种理论，叫做方法论，它就是专门研究不同学科之间的研究方法的应用的。下面 咱们还要说到维纳的广博知识对他的研究起到的作用。
第二次世界大战期间，维纳参与研究美国军方的防空火力自动控制系统的工作。咱们可 以大致说一下这种系统的情况。
假如前面来了一辆敌机，当时要打下来这辆敌机，需要知道敌机的方位、高度、速度这 些个量，然后根据这两个量算出提前量。也就是说，防空炮要把目标指向飞机前面一段距离， 等到打出去的炮弹到达飞机的高度的时候，飞机正好飞到炮弹周围。注意，不是要炮弹贯穿 飞机，那样概率太低，而是让炮弹在这个时候正好爆炸，依靠爆炸的力量把飞机摧毁。这种 情况下，我们不仅仅需要敌机的方位、高度、速度，还要计算出提前量和爆炸时间，并且有 专门一个人管炸弹的引信，设定几秒钟后爆炸。这样一个系统是比较复杂的，维纳在研究过 程中，提出了一个重要概念：负反馈。咱们搞自动控制的都知道，一个控制系统中，负反馈 回路可以使得系统稳定，正反馈使得系统发散。
科学就是科学，她是热情而又冰冷的。就像一个高傲的淑女，在你摸不着门道的时候， 她对你冷酷无情，不管你费多少精力也都白搭；而当你掌握了她的规律脾气的时候，她会向 你敞开怀抱，通过拥有她，从而拥有认识掌握大自然的力量。但是，这个高傲的淑女有时候 也会被权贵们打扮。《控制论》也有过这样的遭遇。欧洲的前社会主义国家，以苏联为首， 曾经挞伐声讨维纳的《控制论》，认为维纳竟然把人和机器相提并论，这是帝国主义用以为 战争服务的工具，这是伪科学！幸而，那段扭曲冷酷的历史已经过去。愿地球上再也没有随 意打扮科学和学术的现象产生。只是这个祝愿似乎有点苍白。只要将来的发展，出现社会性 的狂热，科学恐怕还会被人侮弄。 1-6 PID
我始终认为，在自动调节的发展历程中，PID 的创立是非常重要的一环。PID，就是对 输入偏差进行比例积分微分运算，运算的叠加结果去控制执行机构。关于PID 的方法，咱 们以后还要多次讲述。PID 的表述是这么的简单，应用范围却是无比的广泛。从洗澡水的控 制到神七上天，从空调控温到导弹制导，从能源化工到家电环保制造加工军事航天等等，如 今从生活到工厂，方方面面都有它的影子，角角落落都可以看到它在发挥作用。
那么，PID 是谁创立的呢？为了寻找这个问题的答案，我花费了不少精力。百家讲坛里 面王广雄教授说是尼克尔斯（Nichols）创立的，可是我找不到更多的佐证。我所能找到的 是齐格勒（Zegler）和尼克尔斯想出了对PID 参数进行整定的办法。以至于后来一些人干脆 把经典的PID 控制叫做尼克尔斯PID。但是从我所能找到的资料来看，这个提法的佐证不 强。后来，经过山东建筑大学魏建平老师的帮助，我找到了1936 年的美国专利文献《The past of pid controllers》（变物理量的pid 控制）（美国专利，专利号2,175,985，美国存档时间：1936
年2 月17 日，大不列颠存档时间：1935 年2 月13 日；1939 年10 月10 日批准美国专利申 请）。由此基本搞明白了PID 的创立过程。在此鸣谢魏建平老师。以下关于PID 创立的资料 基本是在魏老师提供的基础上整合了其它资料形成的。
从前面的叙述可以看到，自动调节的发展历程，与两个情况有关：当时工业控制的要求， 和自动控制理论的研究。而PID 控制器的发展，与自动化仪表，特别是一些处于世界领先 地位的自动化仪表公司息息相关，同时也与工业实践紧密联合的。
了解自动调节的人，经过分析应该可以看出来：当初瓦特所用的小锤控制转速，实际上 是纯比例调节。调节杠杆的长度就是改变比例带。比例作用比较容易被人理解。后来工业领 域的控制器都只有比例作用。如1907 年，美国C.J.Tagliabue 公司在纽约的一家牛奶巴士
灭菌器生产厂里安装了第一台气动自动温度控制器。采用气动控制，测量单元用的是压差，通
过不锈钢温度计的水银推动舵阀，舵阀控制空气压力作用到主阀上，主阀来调整对象的流 量。该控制器从原理上讲是比例控制。
但是直到这个时候，所谓的比例控制，也没有明晰的提法。在应用过程中，人们发现这 种控制方法有很大局限。最主要的问题是系统被控对象很不容易达到要设定的目标值，我们 现在称之为存在静态偏差。科学家和工程师们为此又继续努力了。到了1929 年， Leeds&Northrup 公司生产出一种他们称为具有“比例步”（Proporational step）控制动作的电
子机械控制器，即PI 控制器。注意，这个公司把比例控制由自觉变成了有意，并且也注意 到了积分作用。但是这个公司的产品并没有影响到整个控制界，似乎他们的思想也没有给后 来的自动控制带来太大影响。
其他公司还在继续探索。1939 年，Foxboro 仪器公司为了克服静态偏差问题，他们想了 一个方法：手动增强调节系统的比例作用，使得系统调节“恰好”弥补偏差。他们称之为“重 置”（hyper-reset）。后来人们专门设置了自动重置技术（Automatic reset），每一时刻都根据
上一时刻的偏差，自动修改系数，使得偏差不为零的时候，执行机构一直动作下去，很明显， 这就是积分作用了。后来，某些专业的人们至今还把这个积分参数称之为“重置率”。Foxboro 仪器公司的Stabilog 气动控制器中加入了hyper-reset 技术。同年，Taylor 仪器公司发布了一
款全新设计的气动控制器：Fulscope，新仪器提供了“预动作”（pre-act）控制作用。这个所
谓的预动作，就是微分作用。后来的相当长的时间内，微分作用都被称作“预动作”。 从上面可以看出，PID 已经诞生了。但是我们常规上不说PID 的创立者是上述的公司。而是 另有其人。为什么呢？上面所述的功能虽然等同于PID 的功能，但是与真正意义的PID 还 是有所不同的，它们只是在实际使用意义上等同于积分微分环节。真正彻底清晰的PID 理 论其实早几年就提出了，只是提出者在大洋彼岸的英国。1936 年，英国诺夫威治市帝国化 学有限公司（Imperial Chemical Limited in Northwich, England）的考伦德（Albert Callender）
和斯蒂文森（Allan Stevenson）等人给出了一个温度控制系统的PID 控制器的方法，并于1939
年获得美国专利。从美国专利局的网站上，可以找到当年获得专利的PID 计算公式： 这个公式与我们现在使用的PID 公式已经没有很大区别。式中，θ 代表温度。只是当时 把比例积分微分的增益倍数分开了，可以想象当初这样做的原因：用K1 来确定积分的强度 （斜率），用K3 来确定微分的强度。面对这个美妙的、简洁的、普适的思想，我们还是多 花点时间关注一下她的生日吧。她的专利的美国存档时间是1936 年2 月17 日。英国的档时 间：1935 年2 月13 日；1939 年10 月10 日批准美国专利申请。这说明PID 的诞生时间应 该在1935 年初了，只是出生证明开在1936 年。 PID 问世了。可惜这个过程被忽略了很久。
1-7 再说负反馈
咱们前面说了，维纳在上学期间，精通数学、物理、无线电、生物和哲学。而在电子领 域，乃奎斯特已经提出了负反馈回路可以使得系统稳定这个概念。维纳通过在电子学领域的 知识，在控制领域取得了重大突破。其实瓦特的蒸汽转速控制系统，本身也不知不觉地应用 了负反馈系统：转速反馈到连杆上后，控制汽阀关小，使得转速降低。只是瓦特没有把这个
机构中的原理提炼出来，上升到理论高度。说着容易做着难，这个理论经过了200 年才被提 出来。
负反馈理论应用非常广泛。维纳本人研究的物理、无线电、生物学，在这些领域都广泛 的应用着负反馈原理，这些学科很可能都给他提出负反馈理论以支持。不光物理、无线电、 生物学使用负反馈，也不光工业控制使用负反馈，大到国家宏观调控，中到商业管理，小到 个人的行为，角角落落，无不出现负反馈的身影。国家每一项宏观调控政策出台后，总要收 集各种数据观察政策发布后的效果，这个收集的信息叫反馈。对收集到的信息如何处理呢？ 比如发现政策使得经济过热了，那么下一步就要修改政策，抑制经济过热。我们总要把这个 信号进行相反处理，这个对收集到的信号进行相反处理的办法叫做负反馈。
朱镕基先生在当总理的时候，发现电力建设过快，就严格控制电力建设的审批，使得电 力建设的步伐放缓。等到温家宝先生当总理的时候，发现坏了，电力建设步伐过慢，与国家 的快速经济发展不相适应，国家到处出现电荒。于是温政府放松电力建设审批，电力建设急 速加快。过了几年发现又坏了，电力建设审批门槛过低，能源浪费严重。然后开始实行适度 控制电力建设的办法，电力建设得到良好有序地发展。这一段时期对电力建设的控制是个比 较典型的负反馈过量的问题。看样子，温家宝先生似乎比朱镕基先生在自动控制方面学习成 绩要好一点。不过也不好说，说不定是前车之鉴，使得后来总结了经验。
维纳当年就认识到反馈信息过量的后果。这里还涉及到一个问题，就是控制过度，使得 系统发生震荡。控制过度其实就是比例带过小。负反馈是不是过量，也跟比例带的设置有关 系。这些个问题在后面的“稳定性”章节中具体探讨。商业管理中也广泛应用负反馈原理。最
近老板们总是强调执行力。执行力怎么体现？收集反馈信息。老板们往往要求我们命令要有 回复，回复就是反馈。如果老板们还要判断命令是否合理，那就需要用负反馈原理。 我们走路的时候，不能闭着眼睛，因为眼睛是反馈环节。即使视力出现故障，也要有导 盲犬、探路棍、盲道等措施弥补，所有这些措施都是提供反馈环节。大脑收集到反馈以后， 一定会进行负反馈处理。为什么是负反馈呢？走路的时候，眼睛看路，他会告诉你个信号： 偏左了，偏右了，然后让你脑子进行修正。信号发到你脑子里面后，你脑子里要对反馈信号 与目标信号相减，然后进行修正。偏左了就向右点，偏右了就向左点。对这个相减的信号就 是负反馈。如果相加就是正反馈了，那样走着走着你就掉进坑里去了。
但是，保证你不掉进坑里，那仅仅是给你怎样走路给了一个大致的方向。具体每一步走 多大，向左向右偏多少，还要进行具体计算。前面说的都是定性的问题，步子走多大，向左 右偏多少是定量的问题。光定性不定量还是没办法控制的。后面还会介绍如何定量。 1-8 IEEE
IEEE 是国际电工协会的简称。他致力于控制系统中理论和实践的探讨。我们之所以把
IEEE 作为自动控制历史的一部分，是因为他为自动控制的发展做出了很大贡献，并且在将 来还会不断地做出贡献。如果说以前自动控制的科学家们基本上算是单兵作战的话，那么 IEEE 可以说是集群作战了。当然，集群作战的模式在贝尔实验室里已经产生了。 IEEE 诞生于1954 年。目前他有三个期刊：控制系统杂志 (Control Systems Magazine) , 自动
控制学报 (Transactions on Automatic Control) 和控制系统技术学报 (Transactions on Control
Systems Technology)。会议与会员的研究，基本上代表了自动控制的发展水平。通过会员之
间的交流，产生集群效应，学会有力的推动着自动调节技术的发展。 1－9 著作里程碑
任何学科发展史，都是由无数的科学家的名字和著作串联起来的。任何学科的发展史， 也总有那么几个人物著作特别显眼明亮，我们称之为里程碑。在漫长而又短暂的自动发展历 史上，有无数科学家的辛勤努力，都值得我们景仰。其中，奠定了自动控制基础的三本著作 最值得我们关注：
1、《信息论》，作者香浓（Claude Elwood Shannon）（国内普遍翻译为香农，我认为作 为自动控制鼻祖之一人物，这个翻译不够浪漫，所以就擅自篡改为香浓哈）。1948 年，香农
在《贝尔系统技术杂志》第27 卷上发表了一篇论文：《通讯的数学理论》，1949 年又发表《噪
声中的通讯》。这两篇文章奠定了《信息论》的基础。
以前学习热力学，对热力学简直到了膜拜的地步。正好当时流行一个理论：由热力学看 宇宙的哲学。也喜欢得不得了，以为熵可以推广到一切。后来发现问题了。对熵概念就冷淡 了。再后来发现，熵的关于哲学的推广虽然有问题，可是上的应用也非常广泛。计算机信息 处理有熵，股票的书籍里有熵，香浓的信息论也有熵，叫做信息熵。熵的概念最初是度量热 力学中热量的传播的，信息熵适度两一个信息源能够提供多少新的信息的。信息熵是香浓弄 出的概念。
2、《控制论》，作者维纳。前面介绍过了，这里忽略。
3、PID 控制法的创立。虽然说现在诞生了行行色色的先进控制方法，许多可以代替PID 控制法，可是到目前为止，没有任何一种新的控制法有PID 应用这么广泛。并且，新兴的先 进控制法中，有许多也融合进了PID 的控制原理，或者干脆叠加上PID 控制法。
另外一个可资借鉴的一个老外收集的PID 控制器大事记（年表）作者：Vance J.VanDoren。 ? 1788 年：James Watt 为其蒸汽机配备飞球调速器，第一种具有比例控制能力的机械反 馈装置。
? 1933 年：Tayor 公司（现已并入ABB 公司）推出56R Fulscope 型控制器，第一种具有 全可调比例控制能力的气动式调节器。
? 1934-1935 年：Foxboro 公司推出40 型气动式调节器，第一种比例积分式控制器。 ? 1940 年：Tayor 公司推出Fulscope 100，第一种拥有装在一个单元中的全PID 控制能 力的气动式控制器。
? 1942 年：Tayor 公司的 John G. Ziegler 和 Nathaniel B. Nichols 公布著名的 Ziegler-Nichols 整定准则。
? 第二次世界大战期间，气动式 PID 控制器用于稳定火控伺服系统，以及用于合成橡胶、 高辛烷航空燃料及第一颗原子弹所使用的U-235 等材料的生产控制。
? 1951 年：Swartwout 公司（现已并入Prime Measurement Products 公司）推出其Autronic 产品系列，第一种基于真空管技术的电子控制器。
? 1959 年：Bailey Meter 公司（现已并入ABB 公司）推出首个全固态电子控制器。 ? 1964 年：Tayor 公司展示第一个单回路数字式控制器，但未进行大批量销售。 ? 1969 年：Honeywell 公司推出Vutronik 过程控制器产品系列，这种产品具有从负过程 变量而不是直接从误差上来计算的微分作用。 ? 1975 年：Process Systems 公司（现已并入MICON Systems 公司）推出P-200 型控制器， 第一种基于微处理器的PID 控制器。
? 1976 年：Rochester Instrument systems 公司（现已并入AMETEK Power Instruments） 推出Media 控制器，第一种封装型数字式PI 及PID 控制器产品。
? 1980 年至今年：各种其他控制器技术开始从大学及研究机构走向工业界，用于在更为 困难的控制回路中使用。这其中包括人工智能、自适应控制以及模型预测控制等。