过程自动化中经典控制理论的指导意义
——郝庆超董延凯
自动化已深入到各个领域，大到军事，航天，小的楼宇电梯。

而在中国社会主义建设的现今阶段，过程自动化控制在工业生产领域，不断的发挥着提高效率，控制质量，节约成本等重要作用，已经成为除“工艺”，“电气”等之外，不可或缺的生产保障范围。

就生产过程自动化而言，整体上可分为三大环节，即“过程检测（Process Detection）”、“过程控制系统（Process Control System）”、“过程控制装置（Process Control Devices）”。

此三大环节工作内容，即为过程检测装置把实际的现场的工程量检测出来，即当前的压力、流量、温度等，转换成为控制系统环节可以识别的电信号，并传送给控制系统；过程控制系统环节接收到由过程检测装置传输来的信号，一则显示该信号的工程值，反应当前现场的实际情况，一则根据此信号值，经过相关的计算，将结果转换为过程控制装置（即现场控制阀门或电机等）可以识别的电信号，传送给过程控制装置；过程控制装置根据过程控制系统传输来的电信号，修正其执行机构的执行量大小，进而影响现场的实际情况，而该实际情况又重新被过程检测装置识别，再转换传送给过程控制系统，等等，周而复始形成整套循环，此为过程控制自动化中，大的闭环控制系统。

该闭环控制系统，又是由或多或少的多个小的开环或闭环控制系统组成，根据生产需要，其规模、内容、精度及相关设备的性能，也不尽相同。

但归咎其理论，都基于经典控制理论基础为原则和依据。

如果把过程自动化系统比作是人，过程检测装置相当于人的眼睛、鼻子等感官，其工作原理是基于一些基本的和非基本的物理化学性质等，检测现场情况。

过程控制装置相当于人的四肢，根据要求执行各种动作。

而过程控制系统，则相当于人的大脑，分析和计算各种信息，并发出各种命令。

从原来的二型及三型盘装仪表，到现在的PLC(可编程控制器)、DCS （集中分散控制系统）等，其工作的理念和工作方式是极为复杂的，也正应为此，经典控制理论在过程控制系统中，也是体现的最为明显的。

那么，何为经典控制理论？
一般来看，自动控制理论分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分，经典控制理论主要以传递函数为基础，研究单输入单输出（SISO）自动控制系统的分析和设计问题。

而现代控制理论则主要是以状态空间法为基础，研究多输入多输出（MIMO）及变参数、非线性控制系统的分析设计问题。

二者是自动控制理论发展的两个阶段，但是它们又是相互影响和促进的，现代控制理论也不能看做是经典控制理论的延续和推广，其采用的数学工具、理论基础、研究方法、研究对象都有着明显区别。

而在生产过程自动化领域里，控制系统主要是以数学模型和函数为基础，研究SISO系统，表面上看，有多输入多输出，而其输入多以计算变参数及补偿的方式出现，主要的输入对象，即控制对象是单一的，输出也多为一输出一控制。

因此，按照生产过程自动化的特点，用经典控制理论研究其分析和设计的实际问题，是相对最合适的。

在自动控制系统中，有三大基本要求，即稳定性、精确性和快速性。

此三大基本要求直接影响了生产过程中的安全和效率。

而在实际的应用中，我们在各个过程控制系统中，可以通过其他的方式来判断系统该回路的稳定性、速度和准确度。

那么，对于实际的应用中，我们研究经典控制理论的方式和指导意义又是什么呢？如何根据其数学特点来分析过程自动化控制中的问题呢？我们可以通过比较典型的实际应用问题，来说明这一点。

按照实际的过程生产特点，无论是化工，电力，冶金，制药，其过程自动化系统中，应用比较广泛的，是单回路控制系统，即单一的PID控制。

那么就此，我们结合经典控制理论，来研究一下单回路PID的控制的实际应用。

首先，我们看一下控制系统中的典型环节。

比例环节：又称放大环节，其特点是一种输出量与输入量成正比、无失真和时间延迟的环节，即它的输出量能够无失真、无延迟的按照一定比例关系复现输入量。

微分环节：微分环节分三种，即理想微分环节、一阶微分环节和二阶微分环节。

理想微分环节的输出量与输入量的一阶导数成正比，其输出能预示输入变化的趋势，具有相对超前作用，因此该环节又叫做超前环节。

一阶微分环节的输出等于输入与其一阶导数的加权和。

二阶微分具有一对共轭复零点。

由于微分环节的输出量与输入量的各阶微分有关，因此，微分环节能预示输入信号的变化趋势。

积分环节；积分环节的特点是其输出与输入的积分成正比。

当输入消失，输出具有记忆功能。

惯性环节：惯性环节具有一个贮能元件，输出量不能立即跟随输入量的变化，而是存在惯性。

其输出与其变化率的加权和等于输入。

振荡环节：振荡环节具有两个贮能元件，当输入量发生变化时，两种贮能元件的能量相互交换，其输出出现振荡。

延迟环节：又称纯滞后环节、时滞环节，其特点是环节的输出是经过一定的延时时间后，完全复现输入信号。

了解了以上六中控制系统中常见的典型环节后，我们再回到PID控制器的分析中来。

PID 控制器。

PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元P、积分单元I 和微分单元D 组成。

通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。

PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

由以上概念我们不难看出，PID控制器中有：比例环节、积分环节和理想微分环节三个控制系统典型环节。

结合三个典型环节的特点，我们分析PID的工作原理：比例环节来控制当前，误差值和一个负常数P（表示比例）相乘，然后和预定的值相加。

P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。

这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系。

积分环节来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。

I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。

一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。

通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。

所以，最终这个PID回路系统会在预定值定下来。

理想微分环节来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。

这个导数的控制会对系统的改变作出反应。

导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。

这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。

D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。

这样，我们就可以知道PID控制器中，各个典型环节的作用，也就知道了调试的方向。

根据输出对应输入的曲线，我们可以知道在哪个典型环节出了问题，需要进行调节其参数。

例如，如果我们的输入信号没有回到我们预想的设定线上来，而是等副振荡，那么我们就知道是积分环节没有起到及时的消差作用，需要调节Ki来放大积分的作用。

如果输入曲线横向的周期较大或较小，曲线回归缓慢或者过快（过快对设备的使用寿命是不利的），那么我们就会知道比例环节的作用缓慢，需要调整Kp来调整其相应时间。

一般单回路调节中，微分环节用到的相对比较少，相对变化缓慢的输入应考虑用微分环节，例如温度调节。

由于温度调节的滞后性，用输出能预示输入变化的趋势，具有相对超前作用的环节，可提前计算其变化，作相应的输出，适用环节即理想微分环节。

如不增加微分环节，则会产生振荡，影响生产的稳定性及调节效率。

目前，PID调节基本上采用的都是试凑法，因为计算出的结果误差比较大，不能应用，
而且计算的步骤十分的繁琐。

一些人根据实际调试的经验，给出了一些典型的PID调节器中Kp、Ki、Kd的基本参数值范围。

而在实际运用中，则需要根据上述的内容，结合曲线趋势进行调整。

温度系统：Kp（%）20--60，Ki（分）3--10，Kd（分）0.5--3
流量系统：Kp（%）40--100，Ki（分）0.1--1
压力系统：Kp（%）30--70，Ki（分）0.4--3
液位系统：Kp（%）20--80，Ki（分）1—5
在实际应用中，PID控制器的输入信号与输出信号，通常也是经过处理的，还有一些其他的信号，也需要参与到PID控制器调节中来，这就用到了其他的环节，以及一些数学模块。

例如如果输入信号本身的变化很频繁，波动较大，那么我们可以在其输入到PID控制器前，增加惯性环节，或者用专门的滤波器，起到滤波作用。

根据现场条件，输出有时候是需要进行延时作用，我们可以在输出插入延迟环节，以达到延时控制调节的目的。

再者，一些信号需要增加进PID控制器进行输入或者输出补偿，以达到外扰参与调节的目的，增加调节的准确度，一定程度上客服外扰。

这些信号可能需要用典型环节或者数学公式进行处理，再进入控制器，以满足现场需要。

当然，研究经典控制理论，还有很多其他的方法，例如“时域分析法”、“根轨迹分析法”，“频率特性分析法”等等。

控制系统模型的稳定性也有“劳斯（Routh）稳定判据”、“奈奎斯特（Nyquist）稳定判据”等等，我们可以深入研究经典控制理论，更深入的理解自动控制的内容。

随着计算机、网络、服务器以及云处理功能的不断发展和完善，过程自动化工具也将越来越方便，也不会断的促进经典控制理论的发展，这些发展，将使我们现代化工业发展更加迅猛，生产更加稳定。

参考文献：《自动控制原理》（厉玉鸣马召坤王晶编）。