要想把PID用好，首先是要把PID的核心能力搞清楚。很多老師都理論功底深厚、學(xué)術(shù)研究扎實(shí)。把PID參數(shù)整定的原理搞清楚，PID參數(shù)整定研究既需要關(guān)注理論也要強(qiáng)調(diào)知識(shí)簡(jiǎn)單化。對(duì)Lambda整定方法進(jìn)行頻域分析后，我們逐漸認(rèn)識(shí)到：在負(fù)反饋框架下PID威力非凡。
2017年郭雷院士在《中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)》上發(fā)表了一篇研究論文“PID controller design for second order nonlinear uncertain systems”。這項(xiàng)研究證明了對(duì)二階非線性不確定性系統(tǒng)，如果非線性不確定函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)的上界已知，那么就可以選取三個(gè)常數(shù)(PID)使得系統(tǒng)的軌道保持有界，并且同時(shí)還能讓被控系統(tǒng)的位置收斂到任意指定點(diǎn)。實(shí)際上，PID參數(shù)的選取還具有相當(dāng)?shù)撵`活性，它們可以在一個(gè)無(wú)界的三維流形上任意選取。PID控制閉環(huán)系統(tǒng)無(wú)論對(duì)非線性函數(shù)的不確定性還是對(duì)控制器中三個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)，都具有大范圍魯棒性(稱為雙邊魯棒性)。
簡(jiǎn)單說(shuō)就是任意對(duì)象都有無(wú)數(shù)組PID參數(shù)保證閉環(huán)穩(wěn)定。工業(yè)界一般不會(huì)懷疑控制算法的效果，雖然工業(yè)界發(fā)明了PID但是把PID的能力證明出來(lái)工程師干不了。工程師是為了解決問(wèn)題強(qiáng)調(diào)know-how，科學(xué)家是為了研究原理關(guān)注know-why。
工業(yè)界更關(guān)注：強(qiáng)因果單變量控制問(wèn)題如何獲得滿意的閉環(huán)性能。當(dāng)然有大量的特殊情況PID都能力有限，需要研究新的控制算法。但是人造系統(tǒng)中的強(qiáng)因果單變量控制找到一種類似PID的普適簡(jiǎn)單的更高效算法并不容易。
模型預(yù)測(cè)控制為什么工業(yè)上大量應(yīng)用因?yàn)樗鉀Q的是多變量動(dòng)態(tài)約束優(yōu)化問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題PID并不擅長(zhǎng)。PID好比勤快的小兵模型預(yù)測(cè)控制好比考慮全面的技術(shù)員。把APC做成單回路替代PID不是算法的問(wèn)題是人的水平問(wèn)題。
對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作的工程師而言PID足夠了，工程師更應(yīng)該學(xué)習(xí)使用簡(jiǎn)單方法和有效資源創(chuàng)造性地解決工藝需求。盲目技術(shù)崇拜追求智能算法往往解決不了問(wèn)題。沒(méi)有實(shí)現(xiàn)技術(shù)解耦和民主化就不能自己掌握自己的命運(yùn)。商業(yè)上總有人宣稱自己有神奇的控制魔法可以革命性提高自動(dòng)化，是因?yàn)榭傆腥藢?duì)PID的能力沒(méi)有信心又缺乏解決問(wèn)題的能力。要什么給什么這是商業(yè)宣傳不是技術(shù)邏輯。口吐蓮花如果能口吐工業(yè)品我們就不用千辛萬(wàn)苦的運(yùn)行裝置設(shè)備了。
過(guò)程工業(yè)工藝參數(shù)控制中，70%都是簡(jiǎn)單對(duì)象只要知道邊界任何一組PID參數(shù)都能搞定，20%的復(fù)雜對(duì)象因?yàn)榭刂埔蟊容^低，精心整定的PID也能搞定，5%的復(fù)雜對(duì)象，控制要求和被控對(duì)象沖突時(shí)，通過(guò)控制方案設(shè)計(jì)使用組合PID才能搞定。還剩下5%PID可能真搞不定，100多年的三參數(shù)算法也很正常，有缺陷才需要研究才會(huì)進(jìn)步。任何控制先用PID試試總沒(méi)有錯(cuò)，結(jié)果是PID控制的也還行。
現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際控制問(wèn)題往往是設(shè)備問(wèn)題、工藝問(wèn)題、參數(shù)問(wèn)題、方案問(wèn)題、組態(tài)錯(cuò)誤。現(xiàn)場(chǎng)很少有控制算法的問(wèn)題！現(xiàn)場(chǎng)的控制問(wèn)題很多很普遍根本原因是沒(méi)有找到問(wèn)題的關(guān)鍵。“關(guān)鍵的問(wèn)題就是找到問(wèn)題的關(guān)鍵”。解決問(wèn)題不僅僅靠經(jīng)驗(yàn)積累也需要學(xué)習(xí)知識(shí)和改進(jìn)思維方式。
知道PID的能力還是解決不了問(wèn)題，要想發(fā)揮PID的能力還需要做點(diǎn)工作。PID參數(shù)整定與復(fù)雜控制是問(wèn)題的兩個(gè)關(guān)鍵。把問(wèn)題研究明白后就要把復(fù)雜的知識(shí)簡(jiǎn)單化。把頻域分析、拉氏變換、零極點(diǎn)的難度降低到響應(yīng)曲線畫(huà)圖的難度，找到普適的整定方法，將三參數(shù)的PID整定減少為兩參數(shù)的PI整定，再通過(guò)固定積分時(shí)間減少為單參數(shù)整定。這些都是我們做的工作。但是實(shí)際上即便如此PID整定也不是一件容易的事情，特別是解決具體問(wèn)題時(shí)不僅僅需要系統(tǒng)思維而且還有很多邊界需要知道。
真正解決問(wèn)題需要知行合一、學(xué)以致用。PID具備解決過(guò)程控制的能力，但是說(shuō)到底PID只是工具要發(fā)揮工具的威力更依靠人的能動(dòng)性。PID是過(guò)程控制的第一性原理，作用要比交通工具的輪子，如何用是問(wèn)題的關(guān)鍵。
PID利萬(wàn)物而不爭(zhēng)，簡(jiǎn)單高效奧妙無(wú)窮。
作者：馮少輝
