2010-04-01 21:11:42 阅读6 评论0 字号:大中小
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的
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xx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{sjlx}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xx器生产厂里安装了{dy}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xxxx开在1936年。
PID问世了。
可惜这个过程被忽略了很久。