PID参数整定与复杂控制

1.本书是一部实用的PID控制器参数整定与复杂控制技术图书。 2.本书凝结了作者多年在PID参数整定领域的研究成果和实践经验，具有很好的参考价值。 3.本书深入浅出，语言流畅，可读性非常好。 4.本书不仅适合自动控制专业工程师阅读，也方便非自动控制专业的工程师学习，尤其适合过程工业的现场工程技术人员参考。

PID控制器问世以来，因其结构简单、符合人们的操作经验且性能可靠而成为工业上应用最广泛的生产过程控制技术。在过去的几十年里，PID控制器由于结构过于简单并没有引起学术界的广泛关注，在控制方面的很多教科书中也没有关于PID参数整定的详细论述。工业现场很多工程师不能娴熟地进行PID参数整定和复杂控制方案设计，因而对这方面知识的需求非常迫切，本书的撰写就是为了满足这一需求。本书通过总结工业实践验证的PID参数整定工程技术方法，推动PID参数整定工作的科学化和规范化，然后再通过多变量复杂控制方案的设计，提高工业自动化水平和控制资产的效能，提升装置的效益和效率，为企业实现智能工厂打下坚实的基础。
有关PID参数整定，国内外已经有大量研究，但是现场工程技术人员对PID参数整定技能掌握得仍然不够深入，这造成很多工厂的自动化水平不高，操作人员干预频繁、过程报警高发。解决这个问题既有助于降低操作人员的劳动强度、提高劳动效率，又能提高装置的安全性和稳定性，在产品一致性改善的同时降低装置的消耗，提高生产效益。我在工作中反复实践，逐渐对PID参数整定和控制方案设计有了更深的认识，基于这些认识并结合现场实际工作中总结的经验，编写了这本关于PID参数整定和复杂控制的书。
本书介绍了简化、可重复用于分析过程动态、确定模型参数和控制器参数的过程，以及过程控制和PID控制器参数整定背后的技术和知识，包括基本术语、分析过程动态特性的步骤、确定控制模型与PID控制器参数的方法和复杂控制等。通过本书的学习，读者应摒弃常见的试凑法，通过具有物理意义的参数来定义控制器的预期性能，而不使用那些没那么直观的概念，从而实现整定工作的科学化。根据这些基本原则，您可以进一步研究并充分了解如何根据实际情况科学分析，实现安全和高效的PID控制器参数整定。
本书侧重于PID控制器参数整定和复杂控制策略设计，没有更多涉及仪表传感器、最终控制元件等知识。为了方便更多非自控专业的工程师学习，本书没有使用自动控制原理教科书中常用的传递函数和频域知识，但是要想深入地理解Lambda参数整定工程方法，的确需要一些频域的知识。Lambda参数整定工程方法基于拉普拉斯变换的推导过程放到附录中，是希望不影响通篇的连续性。找到理论正确、适用范围广、易于理解、便于使用的整定方法并用工程师熟悉的语言说出来，是本书追求的目标。
本书中的知识大多数人都知道，但是知道不等于掌握。学以致用，把知识转变为自己的能力才是掌握。知识不是力量，运用知识才是力量。要想提高装置的自动化水平，就要对基本技能和基础知识有更深刻的理解。PID参数整定能力和控制方案分析设计能力是关键。目前95%以上的过程控制回路还都是基于PID控制。
为了实现PID参数整定的科学化、系统化、规范化和工程化，我们采取了多种形式：公众号、线上和线下研讨会、发布指导手册、发表科技论文、技术转移和培训、软件与微信小程序“PID整定助手”开发、控制回路优化项目实施等。出版相关书籍是我们努力实现PID整定大众化的一部分工作。成书中有很多同行的观点，感谢“互侃PID”公众号和“过控学苑”微信群的各位老师、同仁的大力支持。“真知即所以为行，不行不足谓之知；知是行之始，行是知之成；知是行之主意，行是知之功夫。”欢迎大家都参与到PID参数整定和复杂控制方案设计的理论研究与应用实践中，一起推动装置自动化和智能化的提高。独行快，众行远，希望我们一起多做对提高中国过程控制水平有意义的事情！ 
由于作者水平所限，书中定有不少不尽如人意之处，难免以偏概全。欢迎大家批评指正，希望本书对从事过程控制工作的工程师有所启发。

冯少辉

冯少辉，高级工程师，上海华理自动化系统工程有限公司总经理，2003年博士毕业于浙江大学控制科学与工程专业，2005年华东理工大学博士后。 2005年起主要从事先进控制的项目实施、管理和咨询等工作。擅长石化、化工、煤化工、精细化工等领域的先进控制及控制回路优化。近些年致力于“以科学化和规范化使PID 整定大众化”的工作。

本书结合作者多年的研究成果和实践经验，深入讲解了PID控制器参数整定方法和复杂控制方案设计策略。书中首先介绍了PID控制器的基础知识，包括过程控制基本原理、PID控制器发展简史、PID参数影响分析、PID算法改进等，之后结合实操案例重点讲述了PID参数的Lambda整定方法，最后给出了串级控制、前馈控制、比值控制、超驰控制、分程控制和阀位控制等常见的复杂控制方案。
本书总结了被实践广泛证明的PID参数整定工程技术方法，有助于推动PID参数整定工作的科学化和规范化，可供流程工业现场工程技术人员阅读使用，也可作为高等院校相关专业高年级本科生和研究生学习PID整定、工业自动化、智能控制的入门参考书。

1 概述	1
1.1 PID仿人智能控制器	4
1.2 复杂控制和先进控制	5
1.3 全书构成	7

2 过程控制基本原理	8
2.1 过程和过程控制	10
2.2 过程控制目的	12
2.2.1 安全第一	12
2.2.2 效益优先	12
2.3 过程控制方式	14
2.3.1 开环控制	14
2.3.2 闭环控制	14
2.4 动态过程模型	16
2.4.1 过程阶次	16
2.4.2 一阶过程	17
2.4.3 高阶过程	21
2.4.4 过程作用与控制器作用	23
2.5 过程类型	23
2.5.1 自衡过程	23
2.5.2 积分过程	24
2.5.3 过程类型的闭环判断	26
2.6 控制系统性能评估	27
2.6.1 系统过渡过程评估	28
2.6.2 目视最优闭环响应	30

3 PID控制器	31
3.1 PID控制器发展简史	32
3.1.1 PID与飞球式调速器	33
3.1.2 从发明到创新	35
3.1.3 PID控制器大事记	37
3.2 PID参数影响分析	39
3.2.1 比例控制	40
3.2.2 积分控制	42
3.2.3 比例积分控制	43
3.2.4 微分控制	44
3.2.5 PID控制	45
3.3 PID算法改进	46
3.3.1 PID的形式	46
3.3.2 两自由度PID	49
3.3.3 不完全微分	51
3.3.4 积分饱和	51
3.3.5 变比例增益PID	52

4 Lambda整定方法	53
4.1 PID参数整定	54
4.2 整定的目标	56
4.3 自衡对象特性参数对PID参数的影响	57
4.3.1 纯滞后时间对控制性能的影响	58
4.3.2 模型特性对控制性能的影响	62
4.3.3 自衡对象纯比例控制器整定方法	65
4.3.4 自衡对象比例积分控制器整定方法	66
4.4 自衡对象Lambda整定方法	68
4.4.1 自衡对象Lambda整定	69
4.4.2 自衡对象控制模型计算	70
4.4.3 自衡对象Lambda整定实例	72
4.5 积分对象Lambda整定方法	75
4.6 关于Lambda整定工程方法	80

5 PID参数整定实操	83
5.1 自衡对象响应曲线分析	85
5.2 积分对象响应曲线分析	87
5.3 控制回路振荡的根源	88
5.4 PID参数整定实例	91
5.4.1 读懂设定值阶跃响应曲线	91
5.4.2 流量控制回路PID参数整定	93
5.4.3 比例增益严重依赖于量程	95
5.4.4 液位控制误区	96
5.5 PID参数整定新口诀	98
5.6 控制回路整定优化流程	100
5.7 λ选择准则	104

6 复杂控制	105
6.1 概述	106
6.2 串级控制	107
6.2.1 串级控制设计准则	108
6.2.2 串级控制方案	109
6.2.3 串级控制特点	110
6.2.4 串级控制应用	112
6.2.5 串级控制总结	113
6.3 前馈控制	115
6.3.1 前馈控制的应用与定义	115
6.3.2 手动前馈控制	116
6.3.3 自动前馈控制	117
6.3.4 前馈控制设计准则	117
6.3.5 前馈-反馈联合控制	119
6.4 比值控制	122
6.5 超驰控制	126
6.6 分程控制	129
6.7 阀位控制	132
6.7.1 阀位控制的选择	135
6.7.2 阀位控制应用	135
6.8 控制方案设计案例	137
6.8.1 一个测量值两个最终控制元件	139
6.8.2 两个测量值一个最终控制元件	142
6.8.3 控制方案设计原则	145
6.9 结论	146

附录	149
附录1 Lambda整定方法推导	150
1．自衡对象Lambda整定方法推导	150
2．积分对象Lambda整定方法推导	153
3．积分对象纯比例控制	154
4．积分对象比例积分控制	155
附录2 基于响应曲线的控制模型辨识工程方法	156
附录3 Lambda整定方法的频域分析	159
附录4 Lambda整定方法的补充	162

参考文献	164

后记	165