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自动调节原理的基本知识
wangchao11 发表于 2009/8/11 18:48:03 1020 查看 8 回复 [上一主题] [下一主题]
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第一章 自动调节系统的发展历程
自动调节，又称自动控制，如今已经涵盖了社会生活的方方面面。在工程控制领域，理所应当的属于应用最普遍的范畴，但是在生物、电子、机械、军事等各个领域。甚至连政治经济领域，似乎也隐隐存在着自动控制的原理。可是考察自动控制的发展历程，从公认的有着明确的控制系统产生的十九世纪以来，其历史也就短短的一百多年。而自动控制理论诞生的明确的成熟的标志——《控制论》，其产生时间在1948年，至今也不过60余年的历史。60年来，尤其在工程控制领域，自动控制得到了极其普遍的应用，取得了辉煌的效果。毫不夸张地说：如果没有自动控制，我们的社会就不可能发展到现在这个地步。
1-1
中国古代的自动调节系统
学术界对于中国古代的自动调节机构进行了发掘，认为中国古代也存在着一些符合自动调节规律的机构。因而我们可以自豪的宣称：中国古代有“自动装置”（自动控制专家万百五《我国古代自动装置的原理分析及其成就的探讨》，1965年自动化学报）。
1991年他又补充新材料为《中国大百科全书：自动控制与系统工程卷》写成新条目“我国古代自动装置”。文中例举：指南车是采用扰动补偿原理的方向开环自动调整系统；铜壶滴漏计时装置是采用非线性限制器的多级阻容滤波；浮子式阀门是用于铜壶滴漏计时装置中保持水位恒定的闭环自动调节系统，又用于饮酒速度自动调节器；记里鼓车是备有路程自动测量装置的车；漏水转浑天仪是天文表现仪器，采用仿真原理的水运浑象；候风地动仪是观测地震用的自动检测仪器；水运仪象台采用仿真原理演示或观测天象的水力天文装置，内有枢轮转速恒定系统采用内部负反馈并进行自振荡的系统。
首先说，我们承认中国古代存在着自动调节系统的应用现象。并对万百五老师致以敬意。
可是如果按照这样朝自动理论上靠的话，那么我们甚至可以说张衡的地动仪也应用到了自动调节——小球的力学传动有比例作用的影子；弩发射机构也是比例作用中比例带很小的机构；中医的望闻问切是对反馈的重视等等。所有这些都只是对于自动调节原理的某一个侧重点的应用，它是不完整的，不能算的上是自动调节机构的。
我们公认的自动调节机构的诞生，应该是瓦特的蒸汽机转速调节机构（见下图）。其中包含了自动调节的几个必要条件：
1、输出执行机构有效控制被调量
2、被调量参与调节
3、调节参数可以修改（修改小球的重量或者摆干的长度）
而我们目前所看到的中国古代自动调节例子都不能全部符合上述特征。有的情况只是跟自动调节系统中某一个特点有些类似。严格的说，他们不能算得上自动调节机构。
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wangchao11 发表于 2009/8/11 18:45:25
2楼 回复本楼1-2 指南车的可行性分析
指南车据说皇帝时候就有了。崔豹《古今注》卷上：“作司南车以示四方……”后来，有历史记载的张衡、马均、祖冲之等人都造出了指南车。黄帝时期的指南车是什么样子的，没有留下记载。后来所造的指南车都“追修古法”（《南齐书·祖沖之传》），可是否跟黄帝时候的司南车原理一致，没有详细的记载不好下结论。历代所造的指南车也都没有留下图纸。我们现在所说的指南车原理，都是自己想当然的设计。万百五老师说指南车是采用扰动补偿原理的方向开环自动调整系统，网络上不知名作者说“指南车使用了差动齿轮装置”都是根据记载想象出来的。没有切实的依据的。
虽然如此，现代人不管根据什么原理，所复原的指南车，都有以下特征：
1、蓄力拖动
2、车轮转动，车轮将转动的角度传给指南机构
3、齿轮传动
4、机械制造
那么，所有这种原理的指南车存在如下问题：
1、指南车在行进过程中，不可避免的存在地面摩擦与轮轴传动摩擦的矛盾。如果轮轴等一系列传动摩擦大于车轮与地面摩擦的时候，就可能发生车轮停止转动的情况。如果某一段地面较为光滑，就会发生指南车方向错误。
黄帝时期，即使算是青铜时代，克服传动摩擦的水平也不会很高，所以在黄帝时期，这种原理的指南车不会太可靠。何况中国传统上讲，轮毂轴承一般都采用木制，摩擦力很大。方向误差会更大。
而汉朝张衡以后，金属制造工艺发展，这种原理的指南车会较为可靠。
2、马车带动指南车在野外快速行走的时候，会产生较大颠簸，一旦车轮一侧腾空，车轮旋转虽有惯性，但是还会使得该侧车轮变慢甚至停转。不管变慢还是停转，都会使得指向误差产生。
引用 wangchao11 2009/8/11 18:45:25 发表于2楼的内容
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wangchao11 发表于 2009/8/11 18:45:47
3楼 回复本楼1-3没有控制理论的世界
虽然说人——甚至连动物都是——从生下来就在掌握自动调节系统，并且在儿童时期就是一个自动调节系统的高手，可以应付很复杂的自动调节系统了，那么我们国家5000年的文明，就没有发展出一条自动调节理论么？
很遗憾地告诉您，没有。这个问题在本章的附文中，咱们会专门探讨。
自动调节系统的理论，是针对工业过程的控制理论。以前我们国家没有一个完整的工业结构，所以几乎不可能发展出一条自动调节理论的。即使是工业化很早了的欧美，真正完整的自动控制理论的确立，也是很晚时期的事情了。
咱先把理论的事情放到一边，先说说是谁先弄出一套真正的自动调节系统产品的吧。
咱大家都知道蒸汽机是瓦特发明的。可是实际上在此之前还有人在钻研蒸汽推动技术。不嫌累赘的话，咱罗列一下研究蒸汽推动的历史。没有兴趣的可以隔过不看。1606年，意大利人波尔塔（公元1538—1615年）在他撰写的《灵学三问》中，论述了如何利用蒸汽产生压力，使水槽中的液位升高。还阐述了如何利用水蒸汽的凝结产生吸力，使液位下降。在此之后，1615年，法国斯科，1629年，意大利布兰卡，1654年，德国发明家盖里克，1680年，荷兰物理学家惠更斯，法国物理学家帕潘，随后的英国军事工程师托玛斯·沙弗瑞都先后进行了研究。这些研究仅仅是初步探索阶段，还用不到自动调节。１７１２年英国人托玛斯·纽考门（公元１６６３～１７２９年）发明了可以连续工作的实用蒸汽机。可是为什么我们都说蒸汽机是瓦特发明的，不说是纽考门发明的呢？因为他的蒸汽机没有转速控制系统，转速不能控制的话，后果可想而知。纽考门的蒸汽机因为无法控制，最终不能应用。瓦特因为有了转速控制系统，蒸汽机转速可以稳定安全的被控制在合理范围内，瓦特的名字就被写到了教科书上。那么瓦特是怎么实现转速控制的呢？
上图就是瓦特的转速控制的模型。蒸汽机的输出轴通过几个传动部分，最终连接着两个小球，连接小球的棍子的另一端固定。蒸汽机转动的时候，传动部分带动两个小球旋转，小球因为离心力的原因张开，小球连杆带动装置控制放汽阀。如果转速过快，小球张开就大，放汽阀就开大，进汽减少，转速就降低。
可以看出，这是个正作用调节系统。虽然没有任何电子元器件，可是它确确实实就是一个自动调节系统。虽然咱没有资料表明它如何调节参数，可是咱可以想象影响调节参数的因素：小球的位置。小球越靠近连杆根部，抑制离心力的力量就越小，比例作用越大。
瓦特发明了蒸汽机，瓦特又发明了转速控制系统？我总是怀疑，这不应该是一个人的功劳。一个人的能力再大，也不可能搞了这个又搞那个。很可能是一批人共同的成果，或者说，瓦特发明了主要的蒸汽机，其它的东西都寄到瓦特的名下了。不过史书里没有说，咱就权且都当成瓦特一个人的发明吧。
从瓦特之后，工业革命的大门就打开了。我们记住了瓦特，一部分原因就是：他有了可靠的自动调节系统。否则，他的蒸汽机就没有办法控制，要么转速过低，要么转所过高造成危险事故。而瓦特之前的那些人的努力，
引用 wangchao11 2009/8/11 18:45:47 发表于3楼的内容
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wangchao11 发表于 2009/8/11 18:46:04
4楼 回复本楼1-4负反馈
一切事物的发展都有着清晰的脉络的，控制论也是这样。直到20世纪中叶，工业控制首先要解决的，就是怎么能够稳定的让系统进行控制工作。所以科学家们更多考虑的，是控制系统的稳定性。
20世纪30~40年代，人们开始发现控制信息的重要。比较传奇的故事，是讲述一个叫做哈罗德.布莱克（Harold Black）的人。布莱克当时才29岁，电子工程专业毕业六年来，在西部电子公司工程部工作。西部电子公司我们知道的人不多，可是提起贝尔实验室（Bell Labs）来，可能许多人都知道。在1925年，贝尔实验室成立，这个工程部成为贝尔实验室的核心。当时他在研究电子管放大器的失真和不稳定问题。怎样控制放大器震荡始终不好解决。1928年8月的一天，布莱克早上上班，可能是必须要坐轮渡。他坐在船上还在思索这个问题，突然灵感来临，想到了抑制反馈的办法，也许可以用牺牲一定的放大倍数来解决，具体的解决办法，就是用负反馈来抑制震荡。为了捕捉住这个灵感，布莱克抓住手边的一份报纸，写下了这个想法。为了记住这个具有天才想法的一刻，贝尔实验室保存了这个报纸，这个报纸的名字叫纽约时报。为了记住这个当时具有天才想法的一刻，我们也说一下那条河，叫做胡森河（Hudson），那条船叫做Lackawanna Ferry，太鸟嘴，就不翻译了。
现在我们都知道了，要想让一个放大器稳定，需要用到负反馈。布莱克和同事们后来向专利局提出了总共52页一百多项的专利申请，当时美国的专利局可能也有点官僚，也许是看这么多理论不好判断。专利局的人迟迟没有通过这个申请。布莱克先生望穿秋水不见通过，就继续研究负反馈放大器的电路。九年之后他们研制出了实用的负反馈放大器，专利终获通过。
负反馈放大器的方法有了，但是怎样界定震荡与不震荡，比较麻烦。1932年美国通信工程师H.奈奎斯特（HarryNyquist Nyquist）发现电子电路中负反馈放大器的稳定性条件，即著名的奈奎斯特稳定判据。1934年，乃奎斯特也加入了贝尔实验室。
至此，自动控制的准备工作差不多了，但是我们还要介绍一下让我们许多人都感到头疼，或者在实际应用过程中懒得运用的传递函数，我们每个学习自动控制的人在学校都要学习的。
早在1925年，英国电气工程师亥维赛就把拉普拉斯变换应用到求解电网络的问题上。后来拉普拉斯变换就被应用到调节系统上，得到了很好的效果。乃奎斯特以后，数学家哈瑞斯也开始研究负反馈放大器问题。1942年，他用我们目前已经熟悉的方框图、输入、输出的方法，把系统分为若干环节，并引入了传递函数的概念。
在自动控制的接力赛的中间环节，我们看到了电子电路也加入了进来。可是电子电路仅仅算是插班生。当时，对电子电路本身并没有考虑到要去影响自动调节系统。放大器理论与自动控制理论可是说是两条线。那么，是谁让这两条线相交了呢？
引用 wangchao11 2009/8/11 18:46:04 发表于4楼的内容
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wangchao11 发表于 2009/8/11 18:46:46
1-5 控制论5楼 回复本楼
1945年，美国数学家维纳把乃奎斯特的反馈概念推广到一切工程控制中，1948年维纳发表奠基性著作《控制论》。这本书的副标题是“关于动物和机器中控制和通信的科学”。
在此之前西方没有控制论这个词。维纳先生根据希腊词Kubernetes（舵手）创造了一个词：cybernetics。舵手是干什么的？控制船的方向的。“cyber”一词在今天已经被重新定义为“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。”——由最初的“舵手”变成了后来的“指导者”和“统治者”，由“驾驭航向”转变为“控制别人”。
且慢，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。虽然你在泡女孩的时候，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。
引用 wangchao11 2009/8/11 18:46:46 发表于5楼的内容
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wangchao11 发表于 2009/8/11 18:47:01
6楼 回复本楼1-6 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。
商业管理中也广泛应用负反馈原理。最近老板们总是强调执行力。执行力怎么体现？收集反馈信息。老板们往往要求我们命令要有回复，回复就是反馈。如果老板们还要判断命令是否合理，那就需要用负反馈原理。
我们走路的时候，不能闭着眼睛，因为眼睛是反馈环节。即使视力出现故障，也要有导盲犬、探路棍、盲道等措施弥补，所有这些措施都是提供反馈环节。大脑收集到反馈以后，一定会进行负反馈处理。为什么是负反馈呢？走路的时候，眼睛看路，他会告诉你个信号：偏左了，偏右了，然后让你脑子进行修正。信号发到你脑子里面后，你脑子里要对反馈信号与目标信号相减，然后进行修正。偏左了就向右点，偏右了就向左点。对这个相减的信号就是负反馈。如果相加就是正反馈了，那样走着走着你就掉进坑里去了。
但是，保证你不掉进坑里，那仅仅是给你怎样走路给了一个大致的方向。具体每一步走多大，向左向右偏多少，还要进行具体计算。前面说的都是定性的问题，步子走多大，向左右偏多少是定量的问题。光定性不定量还是没办法控制的。下面就介绍如何定量：
引用 wangchao11 2009/8/11 18:47:01 发表于6楼的内容
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wangchao11 发表于 2009/8/11 18:47:29
7楼 回复本楼1-7 著作里程碑
在漫长而又短暂的自动发展历史上，有无数科学家的辛勤努力，都值得我们景仰。其中，奠定了自动控制基础的三本著作最值得我们关注：
1、《信息论》，作者香浓（Claude Elwood Shannon）（国内普遍翻译为香农，我认为作为自动控制鼻祖之一人物，这个翻译不够浪漫，所以就擅自篡改为香浓哈）。1948年，香农在《贝尔系统技术杂志》第27卷上发表了一篇论文：《通讯的数学理论》，1949年又发表《噪声中的通讯》。这两篇文章奠定了《信息论》的基础。
2、《控制论》，作者维纳。前面介绍过了，这里忽略。
3、据说是《工程控制论》，作者钱学森。此处存疑。（中国人终于可以骄傲一下了）但是，不仅仅是中国人，好多国家都有一种民族自豪感。为了这个自豪感，我怀疑我们国家夸大了工程控制论的作用。声明：不光是我们国家有，苏俄当初把科学史修改得也是相当厉害的。控制论在维纳时期已经足够完备，不管在工程上还是其它方面，大的理论似乎没有什么需要添补的。改天买本《工程控制论》，恶补一下先。
引用 wangchao11 2009/8/11 18:47:29 发表于7楼的内容
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wangchao11 发表于 2009/8/11 18:47:43
8楼 回复本楼1-8 调节器
控制理论这个大厦基本上建立起来了。其实我更关心的是PID控制方法的建立。说老实话，我总觉得维纳虽然伟大，可是总觉得他的理论不那么“精巧”，说白了谁都能明白。相比之下，我对PID理论的发明人更加佩服。说起来非常简单，不就是比例积分微分运算么，可具体要提出这种方法，还是需要一定的天才的。
PID是什么？
要弄清楚怎样定量之前，我们先要理解一个最基本的概念：调节器。调节器是干什么的？调节器就是人的大脑，就是一个调节系统的核心。任何一个控制系统，只要具备了带有PID的大脑或者说是控制方法，那它就是自动调节系统。如果没有带PID的控制方法呢？那可不一定不是自动调节系统，因为后来又涌现各种控制思想。比如时下研究风头最劲的模糊控制，以前还有神经元控制等等；后来又产生了具有自组织能力的调节系统，说白了也就是自动整定参数的能力；还有把模糊控制，或者神经元控制与PID结合在一起应用的综合控制等等。在后面咱们还会有介绍。咱们这个文章，只要不加以特殊说明，都是指的是传统的PID控制。可以这样说：凡是具备控制思想和调节方法的系统都叫自动调节系统。而放置最核心的调节方法的东西叫做调节器。
基本的调节器具有两个输入量：被调量和设定值。被调量就是反映被调节对象的实际波动的量值。比如水位温度压力等等；设定值顾名思义，是人们设定的值，也就是人们期望被调量需要达到的值。被调量肯定是经常变化的。而设定值可以是固定的，也可以是经常变化的，比如电厂的AGC系统，机组负荷的设定值就是个经常变化的量。
基本的调节器至少有一个模拟量输出。大脑根据情况运算之后要发布命令了，它发布一个精确的命令让执行机构去按照它的要求动作。在大脑和执行机构（手）之间还会有其他的环节，比如限幅、伺服放大器等等。有的限幅功能做在大脑里，有的伺服放大器做在执行机构里。
上面说的输入输出三个量是调节器最重要的量，其它还有许多辅助量。比如为了实现手自动切换，需要自动指令；为了安全，需要偏差报警等等。这些可以暂不考虑。为了思考的方便，咱们只要记住这三个量：设定值、被调量、输出指令。
事实上，为了描述方便，大家习惯上更精简为两个量：输入偏差和输出指令。输入偏差是被调量和设定值之间的差值，这就不用罗嗦了吧？
引用 wangchao11 2009/8/11 18:47:43 发表于8楼的内容
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wangchao11 发表于 2009/8/11 18:48:03
9楼 回复本楼1-9 PID
回到刚才的提问：什么是PID？
P就是比例，就是输入偏差乘以一个系数；
I就是积分，就是对输入偏差进行积分运算；
D就是微分，对输入偏差进行微分运算。
就这么简单。很多年后，我还始终认为：这个理论真美！
这个方法的发明人似乎是尼可尔斯（Nichols）。我手头没有更多资料，不能确定是不是尼可尔斯发明的。可是PID参数的整定方法确实是他做的。
其实这个方法已经被广大系统维护者所采用，浅白一点说，就是先把系统调为纯比例作用，然后增强比例作用让系统震荡，记录下比例作用和震荡周期，然后这个比例作用乘以0.6，积分作用适当延长。虽然本文的初衷是力图避免繁琐的计算公式，而用门外汉都能看懂的语言来叙述工程问题，可是对于最基本的公式还要涉及以下的，况且这个公式也很简单，感兴趣的看一下，不感兴趣的可以不看哈。公式表达如下：
Ｋｐ ＝ ０．６*ＫｍＫｄ ＝ Ｋｐ*π／4*ω
Ｋｉ ＝ Ｋｐ*ω／π
Ｋｐ为比例控制参数Ｋｄ为微分控制参数
Ｋｉ为积分控制参数
Ｋｍ为系统开始振荡时的比例值；
ω为极坐标下振荡时的频率
这个方法只是提供一个大致的思路，具体情况要复杂得多。比如一个水位调节系统，微分作用可以取消，积分作用根据情况再调节；还有的系统超出常人的理解，某些参数可以设置得非常大或者非常小。具体调节方法咱们后面会专门介绍。微分和积分对系统的影响状况后面也会专门分析。
科学家们都说科学当中存在着美。我的理解，那种美是力图用最简洁的定义或者公式，去描述宇宙万物的运行规律。比如牛顿的三大运动规律，和他的加速度和力的关系的公式：F=ma。表达极其简洁，涵盖范围却非常之广，所以它们都很美。同样的，我们的PID调节法也是这样的，叙述极简洁，可在调节系统中应用却极普遍。所以，不由得人不感叹它的美！不过说实话，PID控制法虽然精巧，可是并不玄奥。
现在，世界控制理论有了更大的发展，涌现出了各种各样控制方法。比如神经元控制、模糊控制等等，这些控制过程中，我只接触过模糊控制。用我自己最粗浅的理解，要是对控制系统要求更为精准严格的话，还是要用PID控制来配合的。并且，对于火电厂自动调节系统，我还没有发现有哪种系统用PID调节法不能实现的。如果你认为你所观察的某个系统，单纯用传统的PID调节方法不能解决问题，那存在两个可能：一是你的控制策略可能有问题，二是你的PID参数整定得不够好。
引用 wangchao11 2009/8/11 18:48:03 发表于9楼的内容
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