1.4 过程控制系统的设计
1. “好的设计”很难定义，但通常你会认可一些好的设计。好的设计的一个特征是，它恰好适用于特定的场合。包括所有需要的，而排除一切所不需要的。
1. 好的设计所需要的技巧包括经验、直觉和敏锐的感觉。这些从课本中并不容易学到。在设计方面，你最应该从教科书中期望得到的是学到一些有用的工具。
1. 就像大多数关于控制系统设计的书一样，本书提供了一些能够被简化成数学公式的工具：分析和仿真。其它方面的设计技巧（比如整个系统的概念化，部件的选型，处理时间和金钱上的限制等）也像数学分析一样重要，可以通过实践经验不断获得和完善。
1. 实际上，大多数系统都通过进化发展的，不仅是生物系统，人类的发明，如汽车和飞机也是这样。豪华而高性能的汽车可以追溯到简单的T模型；最先进的，甚至只出现在承包商的画板上的战斗机， 也是起源于老式的“小鹰”飞机。
1. 很多工程是把现有的设计做进一步修改。现有产品的新型号设计就是引进新的先进技术：一个新型的或改进的传感器或执行器，一个用于替换模拟控制器的数字处理器。
1.模仿法（常被称为反转工程）是另一种常用的设计方法。通过这种最明显但也最缺乏创意的方法，你可以仔细研究现有产品，然后复制设计方法。这个过程是合法的，除非产品复制受专利保护。
2. 更有创意的模仿法是将一个产品的思想应用到其它领域中去。当你需要控制容器中的液位时，可以考虑一下在你的厕所中这是怎样实现的。当你要控制容器中的液体温度时，可以考虑一下你的热带鱼缸是如何做到的。
1. 创新总是受规范、标准和工程保守主义的限制。例如，飞机制造厂用了许多年才接受了“靠电线飞行”的概念，“靠电线飞行”使飞行员控制器（如操纵杆和脚踏板）和可移动的空气动力控制翼面（如方向舵，升降机和副翼）之间的机械连接（如连杆或绳索）被携带信号的电线所取代。电线把信号从驾驶员控制器传递给飞行控制计算机，然后从计算机传递给位于控制翼面的执行器。
2. 尽管工程标准会延迟发展，但在防止技术混乱上仍然是必要的。
1.由于以上原因，你极少能有机会设计一个全新的控制系统。但假设机会确实来了，你将如何进行设计？你可以按照由图1.4.1描述的流程图进行设计。如图所示，很多的设计过程不属于分析和仿真的领域。
1. 首先，你需要通过确定被控制事物的物理质量或数量，以及要求的性能水平来对问题进行物理评价。确定如何进行时，要考虑是否我们正在讨论的系统已经有人设计好了。
2. 如果是，你期望做哪些改进？如果不是，设计是不是很困难？为什么？你都拥有哪些资源（如时间、资金）？
1. 对性能需求的明确表述往往比你想的更难。除了那些明白具体的性能需求（如，响应速度，跟踪精度，抗干扰能力，稳定边界），在“传统的”控制系统设计中还经常会遇到一些隐含的性能需求。
2. 如果不注意这些隐含的性能需求，你就有可能采用一种非标准的但看起来创新的设计方法，但这样设计出来的控制系统满足不了需求。例如在某些应用中，高频噪声能够从很多种物理噪声源发出。
3. 应用传统的设计方法，忽略噪声是正确的，因为这种方法的使用经验告诉我们，噪声的影响是可以忽略的。而另一种（非传统的）不考虑噪声的设计方法，却有可能不令人满意。
1. 通常情况下，考虑一些非技术的因素是非常有必要的。这些因素可能包括经济学、审美
学、时间进度，甚至还有厂商的内部政策。例如考虑以下情况：
? 1. 你的公司生产一种机器，包含简单的价值几美元的模拟位置伺服器。伺服器的性能
能够满足很多任务需求，但一种改进的伺服器能使机器更通用，并因此能够卖到更高的价格。
2. 厂家急于在公司生产线中应用这种新技术，得知你在现代控制系统理论上很有造诣，工程主任就把用微处理器改进控制系统的任务交给了你。你进行了设计研究（比如，采用本文的方法），证实了基于微处理器的控制器确实能够在很大程度上改善性能，但费用超过100美元。你将如何评价（这种技术）？
? 假设你在设计研究中发现，模拟伺服器设计得不好。尤其是，你发现现有的模拟伺服器
在用低成本改造后，能够达到与微处理器控制系统相同的效果。你将如何建议？
? 如果是目前的工程主任，在他提拔到现在这个位置之前设计的这个原有的模拟伺服器，
你将如何处理？
? 你被一个建筑承包商聘用为控制系统咨询员，他要建立一个控制环境。你的酬金是该控
制系统价格的百分之一。经过详细的设计和仿真研究，你确认用一个便宜的商用温度自动调节器，与惯例的价值几千美元的计算机控制系统，可以运行得同样好。你的建议是？
1. 如你所见，其它非技术的价值因素能够影响对工程设计的选择。
1.当你感到自己对技术和非技术方面充分理解之后，你会尝试选择合适的硬件。只有选择完硬件之后，设计过程的分析阶段才可以开始
1. 第一步是选择合适的设计方法（这里，本书中讨论的知识方法是很有帮助的）. 同时，你也许要着手建立动态过程的“真实模型”－你确信足以表达过程行为的一系列微分和代数方程。
2. 一个真实的模型可以被用于仿真中来评估设计的性能，但它通常对设计目标来说过于复杂。因此，你将很有可能希望通过简化真实模型来建立一个“设计模型”。设计模型应该足够的简单，但必须保留过程最本质的特点。如何在简单与逼真之间做出平衡通常需要洞察力和经验。
1. 采用某种设计方法，并建立了设计模型之后，该进行设计计算了。前辈人通常需要在这一步进行繁重的手算和曲线绘制。现在，有丰富的软件可以帮助人们进行计算，从而使这一步不再成为负担。
1. 分析过程的最后一步是通过对基于真实模型的仿真来验证（评估）系统的运行性能。如果最初的设计达到了性能上和其它方面的要求，就应该进入系统原型的制造和测试阶段了。
1. 但是，最初的设计极少能够满足所有目标，通常情况下需要对方法的某些方面做一些修改。基于对最初设计缺陷的理解，有可能必须改变控制的硬件。例如，有可能必须要增加“工作范围”，象执行器的最大动力水平，或增加额外的传感器。
1. 另一方面，（我们）有可能发现最初使用的设计方法是不恰当的。举一个例子，基于连续时间控制的设计方案打算用数字元件来逼近实现. 之后（我们）发现更好的方法，采用离散时间设计方案，可以直接用数字元件实现
2. 做出正确的调整之后，在设计过程中相应的步骤还需要重复很多次，直到达到理想的目标。
1.有时，你必须接受失败：用各种不同的软硬件组合方法进行了重复设计之后，结论却是你不知该如何设计这个系统使其满足需求。
2. 你只能报告说，尽你最大的知识和能力，要满足性能需求，就必须要在硬件或方法学上有所突破－即还不存在的发明。
1.正如你所见到的，对控制算法的选择通常只是整个设计过程的一小部分。经验告诉我们，控制算法不会成为影响整个系统性能的决定性因素 2. 如果你成功地设计了一个系统（采用任何方法），并使之运行，那么单靠不同的控制算法不能在提高性能和降低成本上取得较大层次的成功。然而，取得较低级别的改进也是有意义的，是值得追求的。
1. 除非你熟悉一些标准的设计方案和传统的设计方法，否则你可能无法应付不熟悉的过程。例如，考虑控制飞机的运行问题，在受到一系列不同约束的条件下使其从一个起点到一个指定目的地，如准许的飞行轨道、可用的燃油、安全等
2. （这类问题的具体实例包括人工驾驶飞机，巡航导弹和遥控飞行器等. 毫无疑问，每一个都和其它应用在细节上大不相同）. 尽管大部分的飞行控制问题都已经被解决了，但在思索如何处理一些你事先不知解决方法的问题上仍具有启发性.
1. 原则上，飞行控制问题可以被表述成一个通用的优化问题：在数学约束范围内，最小化一个指定的数学性能指标。但在在实践中，这种方法几乎是注定失败的，有很多原因，包括以下方面：
? 1.多目标和隐含约束：很少情况下，你所期望的系统运行的每一个状态都能用单一的性
能指标进行优化。通常只是希望系统在节约成分和可靠性上表现完好就可以了。这些口头判据缺乏量化的表达式。
2. 而且，你无法知道所有的约束。你所知道的是那些曾经遇见过与传统设计方法类似的约束。然而，一个新的设计方法，可能会满足已知约束，但也会产生以前从未遇到过的新问题。 ? 状态变量的数量：物理系统中的状态变量数量通常要比你预想或需要处理的多。
? 不同的时间量程：许多过程处理的现象在时间量程上是不同的，而且相差很多。比如在
巡航飞行器应用中，位置以分钟或小时为时间量程变化；而飞行姿态是以秒为时间量程变化；执行器动作时间则可能是微秒级.
? 不确定的动态特性：通常情况下，过程的动态特性并不如你期望的那样好. 尽管你需要
一些种类的模型来评估系统性能，但将模型归纳为一个粗略近似的优化问题却是不充分的。
? 缺少洞察力：即使对动态性能和数学可行性上很有信心，你也不太愿意相信用计算机优
化得到的问题求解，因为有可能无法得到对求解的直观评价.
1. 由于这些原因，一个谨慎的工程师宁愿采取不太激进的方法。有经验的控制系统设计人员会无意识地采用这些方法。在某些应用领域中，采用这些方法是作为一种规范，在这个领域中没有人会考虑采用其它的设计方法。