【文章內容簡介】 和爆炸時間，并且有 專門一個人管炸彈的引信，設定幾秒鐘后爆炸。這樣一個系統是比較復雜的，維納在研究過 程中，提出了一個重要概念：負反饋。咱們搞自動控制的都知道，一個控制系統中，負反饋 回路可以使得系統穩(wěn)定，正反饋使得系統發(fā)散。 科學就是科學，她是熱情而又冰冷的。就像一個高傲的淑女，在你摸不著門道的時候， 她對你冷酷無情，不管你費多少精力也都白搭；而當你掌握了她的規(guī)律脾氣的時候 ，她會向 你敞開懷抱，通過擁有她，從而擁有認識掌握大自然的力量。但是，這個高傲的淑女有時候 也會被權貴們打扮。《控制論》也有過這樣的遭遇。歐洲的前社會主義國家，以蘇聯為首， 曾經撻伐聲討維納的《控制論》，認為維納竟然把人和機器相提并論，這是帝國主義用以為 戰(zhàn)爭服務的工具，這是偽科學！幸而，那段扭曲冷酷的歷史已經過去。愿地球上再也沒有隨 意打扮科學和學術的現象產生。只是這個祝愿似乎有點蒼白。只要將來的發(fā)展，出現社會性 的狂熱，科學恐怕還會被人侮弄。 16 PID 我始終認為，在自動調節(jié) 的發(fā)展歷程中， PID 的創(chuàng)立是非常重要的一環(huán)。 PID，就是對 輸入偏差進行比例積分微分運算，運算的疊加結果去控制執(zhí)行機構。關于 PID 的方法，咱 們以后還要多次講述。 PID 的表述是這么的簡單，應用范圍卻是無比的廣泛。從洗澡水的控 制到神七上天，從空調控溫到導彈制導，從能源化工到家電環(huán)保制造加工軍事航天等等，如 今從生活到工廠，方方面面都有它的影子，角角落落都可以看到它在發(fā)揮作用。 那么， PID 是誰創(chuàng)立的呢？為了尋找這個問題的答案，我花費了不少精力。百家講壇里 面王廣雄教授說是尼克爾斯（ Nichols）創(chuàng)立的，可是我找不到更多的佐證。我所能找到的 是齊格勒（ Zegler）和尼克爾斯想出了對 PID 參數進行整定的辦法。以至于后來一些人干脆 把經典的 PID 控制叫做尼克爾斯 PID。但是從我所能找到的資料來看，這個提法的佐證不 強。后來，經過山東建筑大學魏建平老師的幫助，我找到了 1936 年的美國專利文獻《 The past of pid controllers》（變物理量的 pid 控制）（美國專利，專利號 2,175,985，美國存檔時間： 1936 年 2 月 17 日，大不列顛存檔時間： 1935 年 2 月 13 日； 1939 年 10 月 10 日批準美國專利申 請）。由此基本搞明白了 PID 的創(chuàng)立過程。在此鳴謝魏建平老師。以下關于 PID 創(chuàng)立的資料 基本是在魏老師提供的基礎上整合了其它資料形成的。 從前面的敘述可以看到，自動調節(jié)的發(fā)展歷程，與兩個情況有關：當時工業(yè)控制的要求， 和自動控制理論的研究。而 PID 控制器的發(fā)展，與自動化儀表，特別是一些處于世界領先 地位的自動化儀表公司息息相關，同時也與工業(yè)實踐緊密聯合的。 了解自動調節(jié)的人，經過分析應該可以看出來：當初瓦特所用的小錘 控制轉速，實際上 是純比例調節(jié)。調節(jié)杠桿的長度就是改變比例帶。比例作用比較容易被人理解。后來工業(yè)領 域的控制器都只有比例作用。如 1907 年，美國 公司在紐約的一家牛奶巴士滅 菌器生產廠里安裝了第一臺氣動自動溫度控制器。采用氣動控制，測量單元用的是壓差，通 過不銹鋼溫度計的水銀推動舵閥，舵閥控制空氣壓力作用到主閥上，主閥來調整對象的流 量。該控制器從原理上講是比例控制。 但是直到這個時候，所謂的比例控制，也沒有明晰的提法 。在應用過程中，人們發(fā)現這 種控制方法有很大局限。最主要的問題是系統被控對象很不容易達到要設定的目標值，我們 現在稱之為存在靜態(tài)偏差?？茖W家和工程師們?yōu)榇擞掷^續(xù)努力了。到了 1929 年， Leedsamp。Northrup 公司生產出一種他們稱為具有“比例步”（ Proporational step）控制動作的電 子機械控制器，即 PI 控制器。注意，這個公司把比例控制由自覺變成了有意，并且也注意 到了積分作用。但是這個公司的產品并沒有影響到整個控制界，似乎他們的思想也沒有給后 來的自動控制帶來太大影響 。 其他公司還在繼續(xù)探索。 1939 年， Foxboro 儀器公司為了克服靜態(tài)偏差問題，他們想了 一個方法：手動增強調節(jié)系統的比例作用，使得系統調節(jié)“恰好”彌補偏差。他們稱之為“重 置”（ hyperreset）。后來人們專門設置了自動重置技術（ Automatic reset），每一時刻都根據 上一時刻的偏差，自動修改系數，使得偏差不為零的時候，執(zhí)行機構一直動作下去，很明顯， 這就是積分作用了。后來，某些專業(yè)的人們至今還把這個積分參數稱之為“重置率”。 Foxboro 儀器公司的 Stabilog 氣動控制器中加入了 hyperreset 技術。同年， Taylor 儀器公司發(fā)布了一 款全新設計的氣動控制器： Fulscope，新儀器提供了“預動作”（ preact）控制作用。這個所 謂的預動作，就是微分作用。后來的相當長的時間內，微分作用都被稱作“預動作”。 從上面可以看出， PID 已經誕生了。但是我們常規(guī)上不說 PID 的創(chuàng)立者是上述的公司。而是 另有其人。為什么呢？上面所述的功能雖然等同于 PID 的功能，但是與真正意義的 PID 還 是有所不同的，它們只是在實際使用意義上等同于積分微分環(huán) 節(jié)。真正徹底清晰的 PID 理 論其實早幾年就提出了，只是提出者在大洋彼岸的英國。 1936 年，英國諾夫威治市帝國化 學有限公司（ Imperial Chemical Limited in Northwich, England）的考倫德（ Albert Callender） 和斯蒂文森（ Allan Stevenson）等人給出了一個溫度控制系統的 PID 控制器的方法，并于1939 年獲得美國專利。從美國專利局的網站上，可以找到當年獲得專利的 PID 計算公式： 這個公式與我們現在使用的 PID 公式已 經沒有很大區(qū)別。式中，θ 代表溫度。只是當時 把比例積分微分的增益倍數分開了，可以想象當初這樣做的原因：用 K1 來確定積分的強度 （斜率），用 K3 來確定微分的強度。面對這個美妙的、簡潔的、普適的思想，我們還是多 花點時間關注一下她的生日吧。她的專利的美國存檔時間是 1936 年 2 月 17 日。英國的檔時 間： 1935 年 2 月 13 日； 1939 年 10 月 10 日批準美國專利申請。這說明 PID 的誕生時間應 該在 1935 年初了，只是出生證明開在 1936 年。 PID 問世了。可惜這個過程被忽 略了很久。 17 再說負反饋 咱們前面說了，維納在上學期間，精通數學、物理、無線電、生物和哲學。而在電子領 域，乃奎斯特已經提出了負反饋回路可以使得系統穩(wěn)定這個概念。維納通過在電子學領域的 知識，在控制領域取得了重大突破。其實瓦特的蒸汽轉速控制系統，本身也不知不覺地應用 了負反饋系統：轉速反饋到連桿上后，控制汽閥關小，使得轉速降低。只是瓦特沒有把這個 機構中的原理提煉出來，上升到理論高度。說著容易做著難，這個理論經過了 200 年才被提 出來。 負反饋理論應用非常廣泛。維納本人研究的物 理、無線電、生物學，在這些領域都廣泛 的應用著負反饋原理，這些學科很可能都給他提出負反饋理論以支持。不光物理、無線電、 生物學使用負反饋，也不光工業(yè)控制使用負反饋，大到國家宏觀調控，中到商業(yè)管理，小到 個人的行為，角角落落，無不出現負反饋的身影。國家每一項宏觀調控政策出臺后，總要收 集各種數據觀察政策發(fā)布后的效果，這個收集的信息叫反饋。對收集到的信息如何處理呢？ 比如發(fā)現政策使得經濟過熱了，那么下一步就要修改政策，抑制經濟過熱。我們總要把這個 信 號進行相反處理，這個對收集到的信號進行相反處理的辦法叫做負反饋。 朱镕基先生在當總理的時候，發(fā)現電力建設過快，就嚴格控制電力建設的審批，使得電 力建設的步伐放緩。等到溫家寶先生當總理的時候，發(fā)現壞了，電力建設步伐過慢，與國家 的快速經濟發(fā)展不相適應，國家到處出現電荒。于是溫政府放松電力建設審批，電力建設急 速加快。過了幾年發(fā)現又壞了，電力建設審批門檻過低，能源浪費嚴重。然后開始實行適度 控制電力建設的辦法，電力建設得到良好有序地發(fā)展。這一段時期對電力建設的控制是個比 較典型的負反饋過量的問題。 看樣子，溫家寶先生似乎比朱镕基先生在自動控制方面學習成 績要好一點。不過也不好說，說不定是前車之鑒，使得后來總結了經驗。 維納當年就認識到反饋信息過量的后果。這里還涉及到一個問題，就是控制過度，使得 系統發(fā)生震蕩。控制過度其實就是比例帶過小。負反饋是不是過量，也跟比例帶的設置有關 系。這些個問題在后面的“穩(wěn)定性”章節(jié)中具體探討。商業(yè)管理中也廣泛應用負反饋原理。最 近老板們總是強調執(zhí)行力。執(zhí)行力怎么體現？收集反饋信息。老板們往往要求我們命令要有 回復，回復就是反饋。如果老板們還要判斷命令是否合理 ，那就需要用負反饋原理。 我們走路的時候，不能閉著眼睛，因為眼睛是反饋環(huán)節(jié)。即使視力出現故障，也要有導 盲犬、探路棍、盲道等措施彌補，所有這些措施都是提供反饋環(huán)節(jié)。大腦收集到反饋以后， 一定會進行負反饋處理。為什么是負反饋呢？走路的時候，眼睛看路，他會告訴你個信號： 偏左了，偏右了，然后讓你腦子進行修正。信號發(fā)到你腦子里面后，你腦子里要對反饋信號 與目標信號相減，然后進行修正。偏左了就向右點，偏右了就向左點。對這個相減的信號就 是負反饋。如果相加就是正反饋了，那樣走著走著你就掉進坑里去了。 但是，保證你不掉進坑里，那僅僅是給你怎樣走路給了一個大致的方向。具體每一步走 多大，向左向右偏多少，還要進行具體計算。前面說的都是定性的問題，步子走多大，向左 右偏多少是定量的問題。光定性不定量還是沒辦法控制的。后面還會介紹如何定量。 18 IEEE IEEE 是國際電工協會的簡稱。他致力于控制系統中理論和實踐的探討。我們之所以把 IEEE 作為自動控制歷史的一部分，是因為他為自動控制的發(fā)展做出了很大貢獻，并且在將 來還會不斷地做出貢獻。如果說以前自動控制的科學家們基本上算是單兵作戰(zhàn) 的話，那么 IEEE 可以說是集群作戰(zhàn)了。當然，集群作戰(zhàn)的模式在貝爾實驗室里已經產生了。 IEEE 誕生于 1954 年。目前他有三個期刊：控制系統雜志 (Control Systems Magazine) , 自動 控制學報 (Transactions on Automatic Control) 和控制系統技術學報 (Transactions on Control Systems Technology)。會議與會員的研究，基本上代表了自動控制的發(fā)展水平。通過會員之 間的交流，產生集群效應，學會 有力的推動著自動調節(jié)技術的發(fā)展。 1－ 9 著作里程碑 任何學科發(fā)展史，都是由無數的科學家的名字和著作串聯起來的。任何學科的發(fā)展史， 也總有那么幾個人物著作特別顯眼明亮，我們稱之為里程碑。在漫長而又短暫的自動發(fā)展歷 史上，有無數科學家的辛勤努力，都值得我們景仰。其中，奠定了自動控制基礎的三本著作 最值得我們關注： 《信息論》，作者香濃（ Claude Elwood Shannon）（國內普遍翻譯為香農，我認為作 為自動控制鼻祖之一人物，這個翻譯不夠浪漫，所以就擅自篡改為香濃哈）。 1948 年，香農 在《貝爾系統技術雜志》第 27 卷上發(fā)表了一篇論文：《通訊的數學理論》， 1949 年又發(fā)表《噪 聲中的通訊》。這兩篇文章奠定了《信息論》的基礎。 以前學習熱力學，對熱力學簡直到了膜拜的地步。正好當時流行一個理論：由熱力學看 宇宙的哲學。也喜歡得不得了，以為熵可以推廣到一切。后來發(fā)現問題了。對熵概念就冷淡 了。再后來發(fā)現，熵的關于哲學的推廣雖然有問題，可是上的應用也非常廣泛。計算機信息 處理有熵，股票的書籍里有熵，香濃的信息論也有熵，叫 做信息熵。熵的概念最初是度量熱 力學中熱量的傳播的，信息熵適度兩一個信息源能夠提供多少新的信息的。信息熵是香濃弄 出的概念。 《控制論》，作者維納。前面介紹過了，這里忽略。 PID 控制法的創(chuàng)立。雖然說現在誕生了行行色色的先進控制方法，許多可以代替 PID 控制法，可是到目前為止，沒有任何一種新的控制法有 PID 應用這么廣泛。并且，新興的先 進控制法中，有許多也融合進了 PID 的控制原理，或者干脆疊加上 PID 控制法。 另外一個可資借鑒的一個老外收集的 PID 控制器大事記（年表） 作者： Vance 。 . 1788 年： James Watt 為其蒸汽機配備飛球調速器，第一種具有比例控制能力的機械反 饋裝置。 . 1933 年： Tayor 公司（現已并入 ABB 公司）推出 56R Fulscope 型控制器，第一種具有 全可調比例控制能力的氣動式調節(jié)器。 . 19341935 年： Foxboro 公司推出 40 型氣動式調節(jié)器，第一種比例積分式控制器。 . 1940 年： Tayor 公司推出 Fulscope 100，第一種擁有裝在一個單元中的全 PID 控制能 力的氣動式控制器。 . 1942 年： Tayor 公司的 John G. Ziegler 和 Nathaniel B. Nichols 公布著名的 ZieglerNich