為什么說PID是可控萬(wàn)物之法？
1、大滯后大純滯后PID都適用
工業(yè)界普遍認(rèn)為，PID不適用于大滯后和大純滯后被控對(duì)象。這個(gè)認(rèn)識(shí)是錯(cuò)誤的。
當(dāng)純滯后時(shí)間τ和時(shí)間常數(shù)的比很小的被控對(duì)象被稱為大滯后對(duì)象或時(shí)間常數(shù)主導(dǎo)對(duì)象。這個(gè)比值很大的被控對(duì)象被稱為大純滯后對(duì)象或純滯后主導(dǎo)對(duì)象。
大滯后對(duì)象當(dāng)設(shè)置積分時(shí)間等于時(shí)間常數(shù)時(shí)，比例增益可以設(shè)置的很大直到PID調(diào)節(jié)器輸出受限也不會(huì)振蕩。這時(shí)候閉環(huán)性能已經(jīng)顯著快于開環(huán)性能了。所以PID適用于大滯后對(duì)象。
大純滯后對(duì)象當(dāng)設(shè)置比例增益為1/4K，積分時(shí)間設(shè)置為(T+τ)/3后也能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)性能的有超調(diào)無(wú)振蕩。所以PID適用于大純滯后對(duì)象。
大滯后對(duì)象閉環(huán)穩(wěn)定的PID范圍更大，閉環(huán)性能改進(jìn)更明顯。大純滯后對(duì)象閉環(huán)穩(wěn)定的PID范圍要小的多，而且閉環(huán)性能往往比開環(huán)還要差一些。大滯后對(duì)象閉環(huán)性能比開環(huán)性能快很多，不使用微分效果已經(jīng)很少了。大純滯后對(duì)象使用微分閉環(huán)性能改進(jìn)有限。所以大多數(shù)情況下不使用微分影響也不大。
2、高階對(duì)象PID都適用
學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，對(duì)于高階對(duì)象而言，三參數(shù)的PID的性能肯定比不過高階PID調(diào)節(jié)器。所以PI+超前滯后是改進(jìn)算法的一個(gè)方向。設(shè)計(jì)不同的濾波器以提出各種控制算法是一個(gè)套路和產(chǎn)業(yè)。下圖所示的4個(gè)被控對(duì)象中從時(shí)域看有本質(zhì)區(qū)別嗎？特別是G1~G3，實(shí)際上G1是30階多容同極點(diǎn)對(duì)象，而G3是10階多容同極點(diǎn)對(duì)象。使用PID這四個(gè)被控對(duì)象都能很好控制。將被控對(duì)象近似為一階純滯后，抓主要矛盾不對(duì)被控對(duì)象有更嚴(yán)格的區(qū)分和要求，是很好的工程處理方法。而且閉環(huán)性能往往能滿足要求。
高階PID調(diào)節(jié)器就是會(huì)各種絕技的慕容復(fù)，招數(shù)繁雜、神采飛揚(yáng)、聲名赫赫。PID就是蕭峰的降龍十八掌，重劍無(wú)鋒，大巧不工，一掌可抵天下。高級(jí)算法吸引眼球，而降龍十八掌不好練。
純滯后與高階多容
3、PID和APC等同于老虎與金錢豹各走各的道
工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都認(rèn)為APC將替代PID，國(guó)際自控聯(lián)合會(huì)的工業(yè)委員會(huì)也認(rèn)為APC是未來(lái)的方向，認(rèn)為PID的影響力減弱是可預(yù)期的。筆者認(rèn)為這不是事實(shí)，工業(yè)委員會(huì)會(huì)出第三份報(bào)告咱們拭目以待。
PID和APC是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的區(qū)別。如果完全依靠市場(chǎng)，沒有合理的規(guī)則就會(huì)惡性競(jìng)爭(zhēng)，PID如果不合理整定，進(jìn)行必要的管理，裝置一定會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)。即使是合理發(fā)達(dá)的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)，必要時(shí)也需要行政和金融干預(yù)，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)也需要計(jì)劃。如果完全的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)，不發(fā)揮個(gè)體的能動(dòng)力，已經(jīng)被早期的社會(huì)試驗(yàn)證明是不科學(xué)的，計(jì)劃經(jīng)濟(jì)離不開市場(chǎng)。PID和APC不是誰(shuí)打敗誰(shuí)，而是如何配合才能發(fā)揮能力的問題。
使用APC做PID的活是個(gè)行業(yè)問題，對(duì)角矩陣普遍存在。強(qiáng)因果單變量技術(shù)上PID肯定是夠用的。用得不好、管理上受限、技術(shù)保護(hù)這些都是理由不是技術(shù)。小快靈的事情靠PID，大慢全的工作靠APC?？刂频慕唤oPID，優(yōu)化協(xié)調(diào)的交給APC。才是正道。如果管理到位、合理整定、方案恰當(dāng)僅僅使用PID是個(gè)選項(xiàng)。想知識(shí)自動(dòng)化需要APC和PID的配合。我沒有見過，不認(rèn)真整定PID，單靠APC就實(shí)施的好而且有生命力的項(xiàng)目。就像沒有APC單靠RTO實(shí)時(shí)優(yōu)化一定做不好。
4、PID的能力
最近考慮到工業(yè)上PID實(shí)際應(yīng)用情況，也有一些反思的聲音。2017年郭雷院士團(tuán)隊(duì)在一篇文章中指出：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)PID調(diào)節(jié)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。
在工程上，簡(jiǎn)單對(duì)象PI夠用，復(fù)雜對(duì)象閉環(huán)性能要求低PI也夠用，如果要求高串級(jí)PID可以考慮。很少一部分工藝參數(shù)的控制才是先進(jìn)算法的天下，多變量協(xié)調(diào)優(yōu)化是PID的短板。
在一階純滯后對(duì)象中，無(wú)論是大滯后對(duì)象還是大純滯后對(duì)象，Lambda整定的PI普遍適用。而且通過選擇不同的λ，閉環(huán)性能可以普遍實(shí)現(xiàn)無(wú)超調(diào)、臨界阻尼、超調(diào)、1/10衰減振蕩、1/4衰減振蕩、1/2衰減振蕩、等幅振蕩。
