馮少輝博士編著的《PID參數整定與復雜控制》深入講解PID參數整定和自動化控制方案設計，近十年來過程控制領域關于PID整定的含金量高的自動化書籍極少，本書值得大家仔細研讀。



圖書特點
1、《PID參數整定與復雜控制》介紹的PID整定和控制方案設計是提升裝置過程控制水平的兩個核心問題，關注這兩方面的知識并實踐是實現智能工廠的關鍵和基礎。
2、《PID參數整定與復雜控制》從時域響應曲線入手，工程師可以使用Lambda整定方法實現PID整定科學化，將整定的難度降低為響應曲線作圖的難度，使非自動化專業背是的人也能進行PID整定。
3、《PID參數整定與復雜控制》對標準Lambda整定方法做了一系列工程化改進以滿足實際工程需要，Lambda整定方法能夠給絕大部分工業過程提供穩定一致的閉環性能，克服傳統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化工作的一部分，介紹了如何分析閉環趨勢通過最佳實踐將控制回路優化過程標準化。通過科圖，分享了整定的經驗，學化、系統化、規范化、工程化降低PID整定的難度，使工程師掌握PID整定方法，實現PID整定大眾化。
5、介紹了常見的5種復雜控制方案: 串級控制、前饋控制、超馳控制、分程控制和閥位控制。這些復雜控制方案的綜合形成了很多標準解決方案，對于提升裝置自動化水平、挖潛增效具有重要意義。
6、最優控制方案充滿藝術性，本書提出了控制方案設計的原則，例如簡單規范、充分、優化等。
7、《PID參數整定與復雜控制》附錄給出了關于Lambda整定的公式推導和頻域分析，這些內容對深入理解Lambda整定非常有好處。每種方法都有適用范圍和邊界，當有超預期的要求時讀者可以知道如何改進。

《PID參數整定與復雜控制》目錄
1 概述
1.1 PID仿人智能控制器
1.2 復雜控制和先進控制
1.3 全書構成
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 效益優先
2.3 過程控制方式
2.3.1 開環控制
2.3.2 閉環控制
2.4 動態過程模型
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 過程類型的閉環判斷
2.6 控制系統性能評估
2.6.1 系統過渡過程評估
2.6.2 目視優閉環響應
3 PID控制器
3.1 PID控制器發展簡史
3.1.1 PID與飛球式調速器
3.1.2 從發明到創新
3.1.3 PID控制器大事記
3.2 PID參數影響分析
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
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參數整定
4.2 整定的目標
4.3 自衡對象特性參數對PID參數的影響
4.3.1 純滯后時間對控制性能的影響
4.3.2 模型特性對控制性能的影響
4.3.3 自衡對象純比例控制器整定方法
4.3.4 自衡對象比例積分控制器整定方法
4.4 自衡對象Lambda整定方法
4.4.1 自衡對象Lambda整定
4.4.2 自衡對象控制模型計算
4.4.3 自衡對象Lambda整定實例
4.5 積分對象Lambda整定方法
4.6 關于Lambda整定工程方法
5 PID參數整定實操
5.1 自衡對象響應曲線分析
5.2 積分對象響應曲線分析
5.3 控制回路振蕩的根源
5.4 PID參數整定實例
5.4.1 讀懂設定值階躍響應曲線
5.4.2 流量控制回路PID參數整定
5.4.3 比例增益嚴重依賴于量程
5.4.4 液位控制誤區
5.5 PID參數整定新口訣
5.6 控制回路整定優化流程
5.7 λ選擇準則
6 復雜控制
6.1 概述
6.2 串級控制
6.2.1 串級控制設計準則
6.2.2 串級控制方案
6.2.3 串級控制特點
6.2.4 串級控制應用
6.2.5 串級控制總結
6.3 前饋控制
6.3.1 前饋控制的應用與定義
6.3.2 手動前饋控制
6.3.3 自動前饋控制
6.3.4 前饋控制設計準則
6.3.5 前饋-反饋聯合控制
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 閥位控制應用
6.8 控制方案設計案例
6.8.1 一個測量值兩個最終控制元件
6.8.2 兩個測量值一個最終控制元件
6.8.3 控制方案設計原則
6.9 結論
附錄
附錄1 Lambda整定方法推導
1、自衡對象Lambda整定方法推導
2、積分對象Lambda整定方法推導
3、積分對象純比例控制
4、積分對象比例積分控制
附錄2 基于響應曲線的控制模型辨識工程方法
附錄3 Lambda整定方法的頻域分析
附錄4 Lambda整定方法的補充

筆者馮少輝博士的話
以PID為代表的過程控制是個非常古老的行業，甚至比經典控制理論的出現還要早。我的博士論文和大部份的職業生涯都和先進控制相關。交到的朋友和職業聲望也和先進控制聯系在一起。但是現在看對過程控制的認識還是不夠深刻不夠本質。PID參數整定和控制方案設計才是過程控制的根本，復雜控制和先進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。希望這個書能給大家正確認識過程控制的道有所幫助。

過控之道：整定難不到，方案設計巧
對于人造系統中的強因果單變量控制，在反饋加持下PID就能滿足控制要求。對于一階純滯后自衡對象，PI控制的三個特性說明了PI的能力：
1、和時間常數無關；
2、閉環超調不振蕩有無數組PI；
3、有一個適用于所有自衡對象的比例增益1/4K。很多人有誤解！其實PID能力很強，而且整定參數只要知道邊界并不難。

可惜現場大部份PID參數都是默認值，對過程控制的中流砥柱PID缺乏起碼的尊重和重視。學習書里提到的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，如果1942年Ziegler和Nichols兩位工程師就發明Lambda整定方法，可能大家誤解會少一些。可站在PID參數整定的歷史起點，兩位祖師爺開創了PID整定方法的工程范式而且關注抗擾能力，我們更多的是對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院工作過。兩位大師后來交集不多但是ZN整定方法這個牛，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，那一年我本科畢業開始攻讀碩士學位。

理解本質、持續改進
二戰以后，現代流程工業發生了翻天覆地的變化，規模大流程長工藝復雜，循環物料多，熱量集成大量存在，成本競爭劇烈。流程工業必須依靠高度的自動化才能保證安全效益和效率。每套裝置都有成百上千個變量需要控制。變量互相影響是之前工業上很少見，學術研究也忽視的一個基本情況。必須以更系統的分析和設計方法保證這些變量的動態協同工作。

這里面其實是三個層級的問題：
1、如何既抗擾又不干擾其他回路；
2、如何設計方案確保全部控制目標都能實現；
3、如此多的工藝參數被控制后如何協調優化。

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

工藝要求和邊界條件太復雜，不合理的控制方案往往不能投自動，控制方案必須通過系統化和結構化思維進行設計。很多最優控制方案看起來非常簡單，但是內在的邏輯卻非常復雜。為了方便讀者掌握常見的基于PID的多變量控制標準方案，書里介紹了常見的復雜控制策略并提供了一些范例。能夠掌握這些復雜控制的知識對工程師來說已經足夠了。對工藝要求和邊界條件的本質深刻理解則可以讓工程師進階為過程控制專家。

每位工程師還應該意識到：裝置需要持續改進。這么多工藝參數被控制后，其實整個裝置可以優化的地方很多。在保證安全的前提下進一步挖掘裝置潛力是效益之源也是核心競爭力。設定值和閥位都是自由度。持續改進和裝置上的每一個人都有干系。工藝、設備、儀表、控制都要配合起來才能建立企業的競爭優勢。希望大家都能知行合一、持續不斷地去消除每一個人工干預和報警，優化每個一工藝參數。

寫書是辛苦的事情，想給中國過程控制做點有意義的事情的想法推動我不斷思索研究，想幫助工程師把事情說清楚反過來促進了我的進步。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。目標遠大了這些年多做了很多事情！2020年關于PID參數整定就有了初步的成果，然后經過這幾年和同仁們一起探討談談，我對過程控制的認識更加深刻，對PID的能力和PID整定方法有了更本質地理解。

《PID參數整定與復雜控制》一開始只是個關于PID整定的小冊子，隨著研究的深入逐漸認識到：過程控制的關鍵是PID和控制結構。PID參數整定理解了并不難，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構則需要理解本質。好的方案應該既簡單又高效。一種理論一個控制結構如果修飾太多往往還不夠完善，如果您設計的控制方案包括邏輯切換的條件要非常小心。

如果不能本質地理解工藝需求和條件，就很難設計出合理的控制結構。對工程師而言學習基本的復雜控制形式，知道如何標準化組態，再掌握一些典型范例就很好了。這也是《PID參數整定與復雜控制》里關于復雜控制的主要內容。

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定值、被修改的設定值、區間設定值、前饋抗擾、閥位協調優化、邏輯模塊超馳等可以協同工作，這些巧妙的內在邏輯需要更高的認知水平，是最難的。

形式上越簡單內在的邏輯就要越清晰。有些控制回路投自動會提升抗擾能力并解耦，而有些控制回路投自動反而會引起耦合放大干擾，有些控制回路還有優化挖潛的機會，有些則勉強運行性能不達標。這些要靠提升認知水平靠經驗積累，以更系統的視角觀察分析才能發現問題解決問題。這需要開放的心胸、持續學習、知行合一，這也是過程控制之道。



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