“一個(gè)過(guò)程控制裝置可能有成百上千個(gè)PID控制器。眾所周知，它們中的大多數(shù)都處于手動(dòng)模式，調(diào)得不好，或者根本沒(méi)有調(diào)，而是保留了出廠設(shè)置。1993年，(Ender, 1993)提出了一項(xiàng)對(duì)“數(shù)百個(gè)運(yùn)行工廠中數(shù)千個(gè)單獨(dú)控制回路”的調(diào)查。調(diào)查顯示，30%的控制器在手動(dòng)模式下運(yùn)行，超過(guò)30%的控制器調(diào)試不良。同年，(Bialkowski, 1993)提供了類似的審計(jì)數(shù)據(jù)，顯示只有20%的控制器工作正常，30%的控制器調(diào)試不良，其余的控制器有設(shè)備問(wèn)題或回路設(shè)計(jì)不良。
2002年，(Desborough and Miller, 2002)對(duì)26000個(gè)控制回路進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明情況并沒(méi)有改善。他們發(fā)現(xiàn)，三分之一的回路工作正常，三分之一的控制器調(diào)得不好，最后三分之一的回路控制器在手動(dòng)模式下工作?！?/span>
盡管看起來(lái)PID是很簡(jiǎn)單的控制算法，但是現(xiàn)場(chǎng)用起來(lái)還有很多問(wèn)題。這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)具有普遍性。如果基礎(chǔ)的、基于反饋消除不確定性的PID控制都用不好。其他任何想提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化水平的方法，都很難發(fā)揮作用。所以做高級(jí)算法的實(shí)施，一定要從底層逐級(jí)實(shí)施，才能發(fā)揮作用。反過(guò)來(lái)如果PID不能很好的發(fā)揮作用，高級(jí)算法就是空中樓閣、繡花枕頭。在一個(gè)控制優(yōu)化項(xiàng)目中，判斷一個(gè)控制優(yōu)化項(xiàng)目到底有沒(méi)有效果的一個(gè)必要條件是：基礎(chǔ)PID首先要發(fā)揮作用。
為什么會(huì)這樣呢?為什么這么多PID控制器仍然沒(méi)有正確整定？Tore教授認(rèn)為：雖然有1700個(gè)整定公式，但是整定方法還是不夠簡(jiǎn)單，再加上工程師時(shí)間不夠用，導(dǎo)致問(wèn)題依舊。筆者對(duì)這一觀點(diǎn)有不同看法。如果是整定方法的問(wèn)題，工業(yè)上推出PID自整定軟件也有很多年了，但是實(shí)際上現(xiàn)場(chǎng)的PID的應(yīng)用情況并沒(méi)有改善很多！PID算法本身很簡(jiǎn)單，但是PID投自動(dòng)不僅僅是PID參數(shù)的問(wèn)題，而是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題。裝置是如此的復(fù)雜和不確定，在該裝置上的PID投自動(dòng)也是復(fù)雜系統(tǒng)的一部分，必須有系統(tǒng)觀和全局觀，周全考慮才能實(shí)現(xiàn)PID投自動(dòng)。形式簡(jiǎn)單的PID使用起來(lái)并不簡(jiǎn)單。而且因?yàn)檠b置的不確定，所以被控對(duì)象也是不確定的，基于精確模型的整定方法往往費(fèi)力不討好。
反饋是控制的核心，PID是控制的代表。PID雖然形式簡(jiǎn)單，但是在反饋加持下，PID在一百多年的時(shí)間里，跨越了氣動(dòng)、機(jī)械、電動(dòng)、電子、數(shù)字時(shí)代，一直是控制的主要算法。因?yàn)镻ID立足現(xiàn)在、綜合過(guò)去、展望未來(lái)，是偽裝成簡(jiǎn)單算法的人類解決問(wèn)題的哲學(xué)思想。
簡(jiǎn)單形式的PID普遍適用于單調(diào)被控對(duì)象，包括大純滯后和大時(shí)間常數(shù)等。而且使用合適的PID參數(shù)，可以克服被控對(duì)象參數(shù)的不確定性，實(shí)現(xiàn)保證閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性。Lambda整定PID，對(duì)所有一階純滯后被控對(duì)象，都可以獲得閉環(huán)性能的一致性。
我們對(duì)原Lambda整定方法進(jìn)行了一系列的工程改進(jìn)。改進(jìn)工作集中在簡(jiǎn)化與擴(kuò)展。簡(jiǎn)化工作包括只使用PI不使用微分、用響應(yīng)曲線畫(huà)圖代替系統(tǒng)辨識(shí)、使用三參數(shù)描述所有自衡和積分對(duì)象。擴(kuò)展工作包括推廣到所有自衡對(duì)象、積分對(duì)象整定方法的改進(jìn)、純滯后對(duì)象整定方法的改進(jìn)、大時(shí)間常數(shù)被控對(duì)象的改進(jìn)等。
PID控制算法本身-用比例、積分、微分三個(gè)基本動(dòng)作解決無(wú)數(shù)復(fù)雜系統(tǒng)的調(diào)控問(wèn)題。簡(jiǎn)單的PID體現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜世界中本質(zhì)的深刻洞察。如果說(shuō)使用復(fù)雜的多參數(shù)控制算法展示了科技進(jìn)步的話，那么使用簡(jiǎn)單三參數(shù)的線性PID，基于偏差循環(huán)迭代解決復(fù)雜控制問(wèn)題，則展示了人類解決問(wèn)題的智慧。這個(gè)誕生于1910年代的控制算法，歷經(jīng)百年演進(jìn)依然活躍在現(xiàn)代工業(yè)前沿，恰恰證明其簡(jiǎn)單外表下蘊(yùn)含著控制理論的精髓。真正掌握PID控制，需要工程師在理論與實(shí)踐之間架設(shè)橋梁，在數(shù)學(xué)推導(dǎo)與物理直覺(jué)之間尋求平衡，這正是控制工程的魅力所在。
PID因簡(jiǎn)單而偉大，因成熟而永恒。
偉大源于對(duì)本質(zhì)的把握，去蕪存菁，直指核心。成熟不是繁復(fù)，而是歷經(jīng)錘煉后的純粹與穩(wěn)定。
作者：馮少輝博士
