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发表于 2011-3-29 18:44:23
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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？ |
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发表于 2011-3-29 17:39:29
