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。
1.5 控制器调谐
1.当安装了控制系统之后，通常必须先调整控制器的设置，直到控制系统运行达到满意为止。这个活动被称为控制器整定，或控制器的现场整定。由于控制器整定通常都采用反复实验的方法（试差法），整定过程是十分费时的。因此，我们希望能够初步估计出一个令人满意的控制器设置。
2.首先好的设想可以源于类似控制回路中取得的经验。换句话说，如果已知过程模型或频率响应数据，就可以采用一些特殊的设计方法来计算控制器设置。然而，现场整定仍是控制器微调所需要的，尤其是当过程信息不完整或不太准确的时候.
1.一般控制回路指导方针 1.对一些常见的过程变量: 流速、液位、气压、温度和成分，它们的控制器类型和控制器设置的选择都有通用的指导方针。
2.下面讨论的指导方针对于过程模型未知的情况是有用的. 但是，这些（方针）必须谨慎使用，以防发生意外. 类似的指导方针可用于新型设备启动阶段的控制器初始值设置.
1.1流量控制
1.流量和液压控制回路的特点是响应快速（秒级），基本上没有时间延迟。过程的动态特性是由于气流的可压缩性或液体的惯性造成的。传感器和信号传输线如果采用气动设备，有可能会带来很大的动态滞后（延迟）。
2.流量控制系统中的扰动较为频繁但通常幅值较小。多数扰动是高频噪声（周期性或随机性），来源于流体紊乱、阀门变化和泵的振动. 通常使用PI流量控制器，控制器增益Kc取中间值。而不断重复的高频噪声使得微分作用无法使用.
1.2液体水平
1.（我们）已经讨论过典型的无自衡液位过程。由于它的积分性质，我们可以采用一个较高增益的控制器，而不用考虑控制系统的不稳定性。实际上，控制器增益的增大经常会增加系
统的稳定性，而低增益则增加系统的振荡程度。（实际上，增益K越大，系统越快速趋于稳定值，但过大增益会使系统容易变得不稳定，增益K越小，系统振荡时间越长，到达稳态值时间越长）
2.积分控制通常是被采用的，但是在允许液位存在小的误差（±5%）的时候，积分部分就不是必须的. 通常在液位控制中，微分控制较少采用，因为液体进入容器时会的飞溅和湍流经常会使液位的测量中包含着噪声。（I 控制器：消除稳态误差，但I会增加系统振荡（稳定性），D控制器：快速性，减小振荡，但不适用于高频噪声）
1.在很多液位控制问题中，盛放液体的容器被用作缓冲罐，以减弱流入液体造成的波动。如果从容器流出液体的流速被用作操作变量，那么应该采用传统的控制器设置，以避免流出流速产生大而快速的波动。这种策略称为均匀控制。
2.如果液位控制还涉及到热传递问题，如蒸馏器或蒸发器，那么过程模型和控制器的设计将变得更加复杂。在这种情况下，一些特殊的控制方法将会更加有效。
1.3气体压力
1.气压控制相对液位控制来说更容易一些，除了当气体与液体达到平衡状态时的情况. 气压过程是自调节的：当压力太小时，容器（或管道）就会进入更多的气体，而当压力过大时，会减少进入的气体。PI控制器通常被采用，并且积分控制部分发挥很小的作用（即，大的积分时间常数）（积分常数越大，积分作用越不明显，这里指主要是P控制，I控制起作用很小）。
2.通常容器体积不大，使气体相对滞留时间很短，而该过程的时间常数较小。通常不需要微分控制，因为与其它过程操作相比，气体过程响应时间很短。
1.4温度
1.要表达温度控制回路的通用指导方针比较困难，因为涉及到热传递的过程和设备差别很大（并且时间标尺不一致）。例如，对于换热器、蒸馏塔、化学反应器和脱水器，它们的温度控制问题有很大差别。
2.由于时滞和/或多级热容的存在，通常对控制器增益会有一个稳定范围。常用PID控制器来获得比PI控制器更加快速的响应特性。
1.5组合物
1.成分回路的特性通常与温度回路类似，但有几点不同：
①噪声测量在成分回路中是更重要的问题。2. 由分析器导致的时滞可能是一个有意义的因素。
这两个因素限制了微分作用的有效性. 由于成分和温度回路的重要性和控制难度，它们经常是高阶控制策略的实施对象.
1.5.2审判和错误校正
1.控制器的现场整定经常根据控制器生产厂家的要求，采用经验试凑法。典型的PID控制器整定方法总结如下：
? 第1步：取消积分和微分作用，设置τD值减到最小，τI值增到最大. ? 第2步：设置Kc为一个较小的数（如0.5）,并使自动控制发挥作用。
? 第3步：使设定值或负载变化较小的量，逐步增加控制器增益Kc，直到等
幅连续循环出现. 术语“连续循环”指的是等幅持续振荡.
? 第4步：将Kc减少一倍（1/2）.
? 第5步：小幅减小τI，直到等幅振荡再次出现. 设置τI 为该值的3倍. ? 第6步：加大τD 直到等幅振荡出现. 设置τD 等于该值的三分之一
1.在第3步中造成连续周期（等幅振荡）的Kc被定义为临界增益，标识为Kcu。在进行试验过程中，使控制器输出不饱和非常重要。如果出现了饱和现象，即使Kc ＞ Kcu也会出现持续振荡。
因为临界增益在控制系统的设计和分析中具有关键地位，我们给出了一个更正式的定义：
定义：
当闭环系统只有比例控制器的情况下，使系统稳定的控制器最大增益值为临界增益Kcu. 若已知过程模型，那么Kcu 就能用稳定判据从理论上计算出来。上述的试差法有许多的不足：
①如果要优化Kc, τI和τD需要做很多次试验，而过程动态又非常缓慢，那么经验试凑法将耗费很多时间。对单一的控制回路测试会很昂贵，因为不能保证产量或产品质量差。 ②连续的周期振荡是不能接受的，因为这会使系统过程达到稳定极限。因此，如果在控制器整定中发生外部扰动或系统过程发生变化，有可能使系统不稳定或带来危险。（如失控的化学反应器）
③这种整定过程不适用于开环不稳定系统，因为这种过程一般在高和低的Kc值下都会不稳定，而在中间某些范围的值下是稳定的.
④一些简单的过程没有临界增益（如用一阶或二阶传函建模的无时滞系统）.
1.5.3.等幅振荡法
1.基于持续振荡的经验试凑法可以看作是著名的连续周期法的变形，连续周期法由Ziegler和Nichols于1942年发表。这种经典的方法估计是PID控制器整定最为著名的方法。 2.连续周期法也被称为回路整定法或临界增益法。第一步是采用上一节描述的方法试验确定Kcu。产生的持续振荡的周期定义为临界周期Pu。
3.然后采用表1的Z-N整定关系由Kcu和Pu计算出PID控制器的设置。Z-N整定关系又由经验发展成为四分之一幅值振荡衰减（方法）。
4.这些整定关系在工业中得到了广泛的应用，也为比较不同的控制方案提供一个方便的基础。然而，本节将要讲述的控制器整定例子表明，Z-N整定要次于其它方法，应该谨慎使用。
1.注意到Z-N设置为比例控制提供了一个重要的安全裕度，因为控制器增益是稳定极限Kcu的一半。当加入积分控制时，Kc在PI控制中减为0.45 Kcu。而微分控制的加入使PID控制的增益可以增加到0.6 Kcu。
1.对于某些控制回路，因设定值改变而引起的带有1/4衰减比和过大的超调量的振荡是我们所不希望出现的。因此，更为稳妥的设置好一些，如表2中所示的修正的Z-N设置。
1.尽管Z-N连续周期法被广泛应用，它和经验试凑法一样，存在着同样的不足之处。然而，连续周期法（等幅振荡法）比经验试凑法耗费时间短，因为它只需要一次经验试凑。
2.我们再次强调，表1、2中的控制器设置应作为第一次的估计值。这之后还要通过经验试凑法进行微调，特别是当选中了表1的初值之后。同样，也可以采用本节最后讨论的连续周期自动整定法。