为什么说PID是可控万物之法
2025年02月04日 08:53:19
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从发明出来到今天已经100多年了。工业上绝大部分的工艺参数也是PID控制。可是关于PID还是普遍认为，其有改进优化的必要。总是感觉PID的能力有限。关于PID的实践和认知的差别，颇有点“不知道自己知道”的感觉，其实PID是可控万物之法。虽然基于被控对象特性，使用传递函数和频域分析，能更准确地知道PID的能力和边界。但是这些说法工程师理解起来有难度。考虑到大多数情况下PID够用，工程上认为PID是可控之法没有错。(有两个反例：①学术界需要持续地改进以获得性能；②被控对象复杂，而且闭环性能要求和被控对象特性冲突的特定场景下，有必要改进控制算法。)
为什么说PID是可控万物之法？
1、大滞后大纯滞后PID都适用工业界普遍认为，PID不适用于大滞后和大纯滞后被控对象。这个认识是错误的。
当纯滞后时间τ和时间常数的比很小的被控对象被称为大滞后对象或时间常数主导对象。这个比值很大的被控对象被称为大纯滞后对象或纯滞后主导对象。
大滞后对象当设置积分时间等于时间常数时，比例增益可以设置的很大直到输出受限也不会振荡。这时候闭环性能已经显著快于开环性能了。所以PID适用于大滞后对象。
大纯滞后对象当设置比例增益为1/4K，积分时间设置为(T+τ)/3后也能实现闭环性能的有超调无振荡。所以PID适用于大纯滞后对象。
大滞后对象闭环稳定的PID范围更大，闭环性能改进更明显。大纯滞后对象闭环稳定的PID范围要小的多，而且闭环性能往往比开环还要差一些。大滞后对象闭环性能比开环性能快很多，不使用微分效果已经很少了。大纯滞后对象使用微分闭环性能改进有限。所以大多数情况下不使用微分影响也不大。
2、高阶对象PID都适用学术界普遍认为，对于高阶对象而言，三参数的PID的性能肯定比不过高阶PID调节器。所以PI+超前滞后是改进算法的一个方向。设计不同的滤波器以提出各种控制算法是一个套路和产业。下图所示的4个被控对象中从时域看有本质区别吗？特别是G1~G3，实际上G1是30阶多容同极点对象，而G3是10阶多容同极点对象。使用PID这四个被控对象都能很好控制。将被控对象近似为一阶纯滞后，抓主要矛盾不对被控对象有更严格的区分和要求，是很好的工程处理方法。而且闭环性能往往能满足要求。
高阶PID调节器就是会各种的慕容复，招数繁杂、神采飞扬、声名赫赫。PID就是萧峰的降龙十八掌，重剑无锋，大巧不工，一掌可抵天下。高级算法吸引眼球，而降龙十八掌不好练。
纯滞后与高阶多容
3、PID和APC等同于老虎与各走各的道工业界和学术界都认为将替代PID，国际自控联合会的工业委员会也认为APC是未来的方向，认为PID的影响力减弱是可预期的。笔者认为这不是事实，工业委员会会出第三份报告咱们拭目以待。
PID和APC是市场经济和计划经济的区别。如果依靠市场，没有合理的规则就会恶性竞争，PID如果不合理整定，进行必要的管理，装置一定会有风险。即使是合理发达的市场经济，必要时也需要行政和金融干预，市场经济也需要计划。如果的计划经济，不发挥个体的能动力，已经被早期的社会试验证明是不科学的，计划经济离不开市场。PID和APC不是谁打败谁，而是如何配合才能发挥能力的问题。
使用APC做PID的活是个行业问题，对角矩阵普遍存在。强因果单变量技术上PID肯定是够用的。用得不好、管理上受限、技术保护这些都是理由不是技术。小快灵的事情靠PID，大慢全的工作靠APC。控制的交给PID，优化协调的交给APC。才是正道。如果管理到位、合理整定、方案恰当仅仅使用PID是个选项。想知识自动化需要APC和PID的配合。我没有见过，不认真整定PID，单靠APC就实施的好而且有生命力的项目。就像没有APC单靠RTO实时优化一定做不好。
4、PID的能力最近考虑到工业上PID实际应用情况，也有一些反思的声音。2017年郭雷院士团队在一篇文章中指出：PID控制闭环系统无论对非线性函数的不确定性还是对PID调节器中三个参数的设计，都具有大范围鲁棒性(称为双边鲁棒性)。简单说就是任意对象都有无数组PID参数保证闭环稳定。
在工程上，简单对象PI够用，复杂对象闭环性能要求低PI也够用，如果要求高串级PID可以考虑。很少一部分工艺参数的控制才是算法的天下，多变量协调优化是PID的短板。
在一阶纯滞后对象中，无论是大滞后对象还是大纯滞后对象，Lambda整定的PI普遍适用。而且通过选择不同的λ，闭环性能可以普遍实现无超调、临界阻尼、超调、1/10衰减振荡、1/4衰减振荡、1/2衰减振荡、等幅振荡。
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