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ÅSTRÖM回顾PID控制器发展史

2023年01月03日 19:08:06      来源:云南昌晖仪表制造有限公司 >> 进入该公司展台      阅读量:5

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在1750年左右,离心调速器形式的比例反馈被用来调节风车的转速。1788年,詹姆斯·瓦特使用了一种类似的系统来控制蒸汽机的速度。积分作用的好处是后来才发现的。在此之后,比例积分反馈控制又被重新发现。在早期阶段,的发展与传感器和执行器的发展密切相关。传感、驱动和控制常常结合在同一个设备中。

以我们今天所知道的形式出现在1915年到1940年之间。它与传奇的控制公司如Bristol、Fisher、Foxboro、Honeywell、Leeds & Northrup和Taylor Instrument的发展相一致。比例作用和积分作用已经应用了很长时间。积分动作通常被称为自动复位,因为它取代了比例控制器中用来获得正确稳态值的手动复位。能够预测未来控制误差的控制器的潜力在20世纪20年代就被讨论过。然而,这个想法在实施之前花了一些时间。1935年,Taylor Instrument公司的Ralph Clarridge发明了一种具有微分作用的控制器。当时,这个功能被称为“预动作(pre-act)”。PID控制器早期历史的一个有趣的概述在(Stock,1987)中给出。仪器公司的出版物中也有许多有趣的材料。Nichols是我们这个领域的之一,在(Blickley, 1990)对他的采访给出了一个关于早期发展的观点。


有趣的是,反馈对于控制器本身的构造至关重要。早期气动系统采用的思想是,线性控制器可以通过由线性无源元件和非线性放大器(挡板阀)组成的反馈回路来实现。类似的想法也被用在带有电动机和继电器的电子控制器上。


许多实际有用的控制器修改最初是作为特殊的硬件功能出现的。它们不是用数学形式表示的。关于带调速器的蒸汽机的早期数学分析是在(Maxwell,,1868年)。该分析清楚地表明了比例控制和积分控制的区别。论文(Minorsky, 1922), (Küpfmüller, 1928), (Nyquist, 1932),和(Hazen, 1934)在PID控制器开发的时候是有效的。然而,很少有证据表明,在过程控制领域的工程师知道它们。因此,过程控制是独立开发的。早期的两篇论文是(Grebe等, 1933),由陶氏化学公司(Ivanoff, 1934)、(Callenderet等, 1936)和(Hartree 等,1937)的工程师撰写的。


PID控制器经历了一个有趣的发展,因为自1940年以来发生了剧烈的技术变化。系统地利用力平衡原理,使气动控制器得到了极大的改进。当运算放大器在20世纪50年代出现时,电子学取代了气动学。20世纪60年代,随着计算机控制的出现,发生了一个非常重要的发展。在早期的计算机控制系统中,计算机控制模拟控制器的设定值。下一阶段的发展是直接数字控制(DDC),计算机直接控制执行器,见(Webb, 1967)。然后用数字计算机实现了多个PID控制器。这一发展导致了对PID控制的许多基本原理的重新思考,如(Goff, 1966b)、(L&N, 1968)、(Moore等人,1970)和(Palmor和Shinnar, 1979)。20世纪70年代微处理器的出现使单回路控制器的数字控制成为可能,参见(Stojić和Petrović, 1986)。这也导致了过程控制的分布式控制系统的发展,其中PID控制器是一个关键元素,见(Lukas, 1986)。随着微处理器计算能力的提高,可以在单回路控制器中引入整定和自适应。这一发展始于1980年代,并在1990年代加速,见(Åström等人,1993年)。


有趣的是,许多关于PID控制的事实被重新发现与技术的转变有关。一个原因是PID控制的许多实际方面被认为是专有信息,不容易在公共文献中访问。许多有用的信息也散布在文献中。


尽管PID控制器的广泛使用,但在许多教科书和大学课程中只进行了浅显的处理。这本书(Shinskey, 1988)提供了一个很好的报道。实施问题在(Goff, 1966b), (Takahashi等人,1972),(Clarke, 1984), (Åström和Wittenmark, 1990)中进行了讨论。论文(Åström和Steingrímsson, 1991)描述了一个数字信号处理器上的实现,它允许很高的采样率。二自由度结构的有用性在(Horowitz, 1963)中进行了讨论。PID控制的应用在(Shigemasa等人,1987)。

作者:ÅSTRÖM

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