发布时间 : 星期日 文章由入门到精通 - PID自动调节纵横谈更新完毕开始阅读21ff5dd276a20029bd642d7b
现。
但是军事战争中，对武器的操控需求却大大刺激了自动调节的发展。这一点在后面会有讲述。
维纳先生借助于安培的想法，把他关于自动控制的理论称之为：cybernetics—— “对电子、机械和生物系统的控制过程的理论性研究，特别是对这些系统中的信息流动的研究。”。
维纳说：控制论是“对电子、机械和生物系统的控制过程的理论性研究”？电子需要控制论，机械需要控制论，生物也需要？恩，咱开头就说了，人们生产活动都离不开的。虽然你在泡妞的时候，从没有想过那讨厌的比例积分微分什么的概念，但是你实际上切切实实无意识地一直在运用控制论的方法。维纳运用自己丰富的学识敏锐的观察深刻的分析，把这些基本原理提炼出来，最终，创立了控制论。
维纳少年时期就是天才，用咱们的话说是神童。咱不了解美国20世纪初的教育制度，我很惊讶维纳11岁就上了大学，学习数学（这个时候我还在上小学学习解应用题），是不是当时美国的大学数学研究的项目是鸡兔同笼？否则一个11岁的小孩子??迷惑中。这个天才兴趣广泛，除了专业之外，还喜欢物理、无线电、生物和哲学。这在当时可能都属于比较热门的学科。14岁他又考入了哈佛大学研究生学院，学习生物学和哲学（这个时候我在上初中，背诵为什么社会主义取代资本主义是历史的必然）。18岁获得了哈佛大学数理逻辑博士学位。可能是他的成绩比较突出，后来又专门去欧洲向罗素和希尔伯特学习数学。罗素和希尔伯特有什么了不起？这两个人可牛！他们无论在当时还是在科学史上都是不可忽视的人物，都是世界级的大腕啊！前者写出好多《论哲学》之类的豆腐块文章，曾经一度在国内很流行；后面那个希尔伯特曾提出了20世纪数学的23个问题，哄着数学家们都一古脑的研究那些问题。名师出高徒，维纳越来越来牛了。
好了，不罗列他上学的内容了。深厚而又广博的学识，为维纳将来的工作奠定了坚实的基础。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。