PID參數整定與複雜控制（簡體書）

本書結合作者多年的研究成果和實踐經驗，深入講解了PID控制器參數整定方法和複雜控制方案設計策略。書中首先介紹了PID控制器的基礎知識，包括過程控制基本原理、PID控制器發展簡史、PID參數影響分析、PID算法改進等，之後結合實操案例重點講述了PID參數的Lambda整定方法，最後給出了串級控制、前饋控制、比值控制、超馳控制、分程控制和閥位控制等常見的複雜控制方案。
本書總結了被實踐廣泛證明的PID參數整定工程技術方法，有助於推動PID參數整定工作的科學化和規範化，可供流程工業現場工程技術人員閱讀使用，也可作為高等院校相關專業高年級本科生和研究生學習PID整定、工業自動化、智能控制的入門參考書。

馮少輝，高級工程師，上海華理自動化系統工程有限公司總經理，2003年博士畢業於浙江大學控制科學與工程專業，2005年華東理工大學博士後。 2005年起主要從事先進控制的項目實施、管理和咨詢等工作。擅長石化、化工、煤化工、精細化工等領域的先進控制及控制回路優化。近些年致力於“以科學化和規範化使PID 整定大眾化”的工作。

1.本書是一部實用的PID控制器參數整定與複雜控制技術圖書。
2.本書凝結了作者多年在PID參數整定領域的研究成果和實踐經驗，具有很好的參考價值。
3.本書深入淺出，語言流暢，可讀性非常好。
4.本書不僅適合自動控制專業工程師閱讀，也方便非自動控制專業的工程師學習，尤其適合過程工業的現場工程技術人員參考。

PID控制器問世以來，因其結構簡單、符合人們的操作經驗且性能可靠而成為工業上應用最廣泛的生產過程控制技術。在過去的幾十年裡，PID控制器由於結構過於簡單並沒有引起學術界的廣泛關注，在控制方面的很多教科書中也沒有關於PID參數整定的詳細論述。工業現場很多工程師不能嫻熟地進行PID參數整定和複雜控制方案設計，因而對這方面知識的需求非常迫切，本書的撰寫就是為了滿足這一需求。本書通過總結工業實踐驗證的PID參數整定工程技術方法，推動PID參數整定工作的科學化和規範化，然後再通過多變量複雜控制方案的設計，提高工業自動化水平和控制資產的效能，提升裝置的效益和效率，為企業實現智能工廠打下堅實的基礎。
有關PID參數整定，國內外已經有大量研究，但是現場工程技術人員對PID參數整定技能掌握得仍然不夠深入，這造成很多工廠的自動化水平不高，操作人員干預頻繁、過程報警高發。解決這個問題既有助於降低操作人員的勞動強度、提高勞動效率，又能提高裝置的安全性和穩定性，在產品一致性改善的同時降低裝置的消耗，提高生產效益。我在工作中反復實踐，逐漸對PID參數整定和控制方案設計有了更深的認識，基於這些認識並結合現場實際工作中總結的經驗，編寫了這本關於PID參數整定和複雜控制的書。
本書介紹了簡化、可重復用於分析過程動態、確定模型參數和控制器參數的過程，以及過程控制和PID控制器參數整定背後的技術和知識，包括基本術語、分析過程動態特性的步驟、確定控制模型與PID控制器參數的方法和複雜控制等。通過本書的學習，讀者應摒棄常見的試湊法，通過具有物理意義的參數來定義控制器的預期性能，而不使用那些沒那麼直觀的概念，從而實現整定工作的科學化。根據這些基本原則，您可以進一步研究並充分了解如何根據實際情況科學分析，實現安全和高效的PID控制器參數整定。
本書側重於PID控制器參數整定和複雜控制策略設計，沒有更多涉及儀表傳感器、最終控制元件等知識。為了方便更多非自控專業的工程師學習，本書沒有使用自動控制原理教科書中常用的傳遞函數和頻域知識，但是要想深入地理解Lambda參數整定工程方法，的確需要一些頻域的知識。Lambda參數整定工程方法基於拉普拉斯變換的推導過程放到附錄中，是希望不影響通篇的連續性。找到理論正確、適用範圍廣、易於理解、便於使用的整定方法並用工程師熟悉的語言說出來，是本書追求的目標。
本書中的知識大多數人都知道，但是知道不等於掌握。學以致用，把知識轉變為自己的能力才是掌握。知識不是力量，運用知識才是力量。要想提高裝置的自動化水平，就要對基本技能和基礎知識有更深刻的理解。PID參數整定能力和控制方案分析設計能力是關鍵。目前95%以上的過程控制回路還都是基於PID控制。
為了實現PID參數整定的科學化、系統化、規範化和工程化，我們采取了多種形式：公眾號、在線和線下研討會、發布指導手冊、發表科技論文、技術轉移和培訓、軟件與微信小程序“PID整定助手”開發、控制回路優化項目實施等。出版相關書籍是我們努力實現PID整定大眾化的一部分工作。成書中有很多同行的觀點，感謝“互侃PID”公眾號和“過控學苑”微信群的各位老師、同仁的大力支持。“真知即所以為行，不行不足謂之知；知是行之始，行是知之成；知是行之主意，行是知之功夫。”歡迎大家都參與到PID參數整定和複雜控制方案設計的理論研究與應用實踐中，一起推動裝置自動化和智能化的提高。獨行快，眾行遠，希望我們一起多做對提高中國過程控制水平有意義的事情！
由於作者水平所限，書中定有不少不盡如人意之處，難免以偏概全。歡迎大家批評指正，希望本書對從事過程控制工作的工程師有所啟發。

馮少輝

1 概述 1
1.1 PID仿人智能控制器 4
1.2 複雜控制和先進控制 5
1.3 全書構成 7

2 過程控制基本原理 8
2.1 過程和過程控制 10
2.2 過程控制目的 12
2.2.1 安全第一 12
2.2.2 效益優先 12
2.3 過程控制方式 14
2.3.1 開環控制 14
2.3.2 閉環控制 14
2.4 動態過程模型 16
2.4.1 過程階次 16
2.4.2 一階過程 17
2.4.3 高階過程 21
2.4.4 過程作用與控制器作用 23
2.5 過程類型 23
2.5.1 自衡過程 23
2.5.2 積分過程 24
2.5.3 過程類型的閉環判斷 26
2.6 控制系統性能評估 27
2.6.1 系統過渡過程評估 28
2.6.2 目視最優閉環響應 30

3 PID控制器 31
3.1 PID控制器發展簡史 32
3.1.1 PID與飛球式調速器 33
3.1.2 從發明到創新 35
3.1.3 PID控制器大事記 37
3.2 PID參數影響分析 39
3.2.1 比例控制 40
3.2.2 積分控制 42
3.2.3 比例積分控制 43
3.2.4 微分控制 44
3.2.5 PID控制 45
3.3 PID算法改進 46
3.3.1 PID的形式 46
3.3.2 兩自由度PID 49
3.3.3 不完全微分 51
3.3.4 積分飽和 51
3.3.5 變比例增益PID 52

4 Lambda整定方法 53
4.1 PID參數整定 54
4.2 整定的目標 56
4.3 自衡物件特性參數對PID參數的影響 57
4.3.1 純滯後時間對控制性能的影響 58
4.3.2 模型特性對控制性能的影響 62
4.3.3 自衡物件純比例控制器整定方法 65
4.3.4 自衡物件比例積分控制器整定方法 66
4.4 自衡物件Lambda整定方法 68
4.4.1 自衡物件Lambda整定 69
4.4.2 自衡物件控制模型計算 70
4.4.3 自衡物件Lambda整定實例 72
4.5 積分物件Lambda整定方法 75
4.6 關於Lambda整定工程方法 80

5 PID參數整定實操 83
5.1 自衡物件響應曲線分析 85
5.2 積分物件響應曲線分析 87
5.3 控制回路振蕩的根源 88
5.4 PID參數整定實例 91
5.4.1 讀懂設定值階躍響應曲線 91
5.4.2 流量控制回路PID參數整定 93
5.4.3 比例增益嚴重依賴於量程 95
5.4.4 液位控制誤區 96
5.5 PID參數整定新口訣 98
5.6 控制回路整定優化流程 100
5.7 λ選擇準則 104

6 複雜控制 105
6.1 概述 106
6.2 串級控制 107
6.2.1 串級控制設計準則 108
6.2.2 串級控制方案 109
6.2.3 串級控制特點 110
6.2.4 串級控制應用 112
6.2.5 串級控制總結 113
6.3 前饋控制 115
6.3.1 前饋控制的應用與定義 115
6.3.2 手動前饋控制 116
6.3.3 自動前饋控制 117
6.3.4 前饋控制設計準則 117
6.3.5 前饋-反饋聯合控制 119
6.4 比值控制 122
6.5 超馳控制 126
6.6 分程控制 129
6.7 閥位控制 132
6.7.1 閥位控制的選擇 135
6.7.2 閥位控制應用 135
6.8 控制方案設計案例 137
6.8.1 一個測量值兩個最終控制元件 139
6.8.2 兩個測量值一個最終控制元件 142
6.8.3 控制方案設計原則 145
6.9 結論 146

附錄 149
附錄1 Lambda整定方法推導 150
1．自衡物件Lambda整定方法推導 150
2．積分物件Lambda整定方法推導 153
3．積分物件純比例控制 154
4．積分物件比例積分控制 155
附錄2 基於響應曲線的控制模型辨識工程方法 156
附錄3 Lambda整定方法的頻域分析 159
附錄4 Lambda整定方法的補充 162

參考文獻 164

後記 165