大家要想成為過程控制的高手，總少不了去學(xué)習(xí)控制理論，昌暉儀表網(wǎng)技術(shù)文庫欄目以大話形式推出一系列介紹控制理論的文章，分別介紹線性控制、最優(yōu)控制、離散控制模型與辨識、自適應(yīng)控制模型預(yù)估控制方面的內(nèi)容。

都說瓦特的蒸汽機后，計算機是影響人類進程最大的發(fā)明，計算機當(dāng)然也對自動控制帶來了深刻的影響。前面說到，控制理論基本上都是圍繞著微分方程轉(zhuǎn)的，所以在“本質(zhì)”上是連續(xù)的。但是數(shù)字計算機是離散的，也就是說，數(shù)字控制系統(tǒng)的眼睛不是一直盯著被控對象看的，而是一眨一眨的，只是眨得飛快而已。數(shù)字控制系統(tǒng)的“手腳”也不是一刻不停地連續(xù)動作的，而是一頓一頓的，這是數(shù)字計算機的天性使然。只是數(shù)字計算機的眨眼和頓挫非常短暫，在實際上和連續(xù)動作無異。不過在數(shù)學(xué)上，這眨眼和頓挫帶來很多有趣、有用的性質(zhì)。

馮·諾依曼奠定現(xiàn)代計算機理論基礎(chǔ)時，最關(guān)鍵的法寶就是二進制。二進制可以用0和1表述所有數(shù)值數(shù)據(jù)，同時還可以表示“是”“非”或者“好”“壞”這樣的邏輯數(shù)據(jù)，有機地把數(shù)值計算和邏輯判斷整合在同一個運算框架下，這是現(xiàn)代計算機無限神通的理論基礎(chǔ)。0和1的計算還可以用邏輯電路(各種門電路，如與門、非門、或門等)實現(xiàn)，這是現(xiàn)代數(shù)字計算機的物理基礎(chǔ)。但這也帶來了新的問題：數(shù)字計算機在本質(zhì)上是斷續(xù)(數(shù)學(xué)上稱為離散)的，盡管間隙非常短暫。這樣，傳統(tǒng)的控制理論需要全部“翻譯”到離散時間領(lǐng)域，微分方程變成了差分方程，所有方法、結(jié)論都有了連續(xù)、離散兩套，不盡相同，但是對線性系統(tǒng)來說都大同小異。

要是數(shù)字控制就是簡單的連續(xù)系統(tǒng)離散化，計算機控制也就沒有什么了不起了。但差分方程用清晰標(biāo)定的時刻之間的關(guān)系來描述動態(tài)過程，這給離散控制帶來了一些連續(xù)控制所不可能具備的新特點?；氐较礋崴璧?/span>例子，如果熱水龍頭不在跟前，而是在村頭的小鍋爐房里，你不能霸著電話線煲電話粥，只能每分鐘用電話遙控一次，那水溫或許可以表示為

下一分鐘水溫＝0.7×現(xiàn)在水溫＋0.2×上一分鐘水溫＋0.1×再上一分鐘水溫＋0.4×(5min前鍋爐房水龍頭開度-6min前鍋爐房水龍頭開度)

顯然，下一分鐘的水溫受現(xiàn)在水溫的影響比上一分鐘水溫的影響要大，受上一分鐘的水溫影響比再上一分鐘水溫的影響更大。不考慮管路散熱的話，鍋爐房水龍頭開度要是不變，再過上幾分鐘，下一分鐘的水溫應(yīng)該和現(xiàn)在的水溫一樣了。事實上，上一分鐘和再上一分鐘的水溫也一樣了。為什么用5min前鍋爐房的水龍頭開度呢？那是因為熱水從村頭的鍋爐房流到洗澡房需要5min時間，這個時間就是滯后。

在連續(xù)時間域里，滯后是一個很難處理的事情。反饋控制是根據(jù)當(dāng)前測量值做出反應(yīng)的。過程滯后意味著當(dāng)前的測量值實際上是滯后時間之前控制動作的結(jié)果，如果盲目地用當(dāng)前的控制動作試圖影響下一步的過程，就會出問題。以村頭鍋爐房為例，現(xiàn)在感覺水涼了，這是5min前熱水不足的結(jié)果，要是現(xiàn)在加大熱水，至少要5min后才顯示出結(jié)果。要時刻記住這個時間差。要是不考慮這個滯后，性急地不斷加大熱水，5min后水就要太燙了。但連續(xù)控制律在設(shè)計和實施中都不容易考慮這5min的滯后問題，在離散時間域里，這個問題就好解決了。

還是用要是上述離散模型：

未來第6min水溫＝0.7×未來第5min水溫＋0.2×未來第4min水溫＋0.1×未來第3min水溫＋0.4×(當(dāng)前鍋爐房水龍頭開度-1min 前鍋爐房水龍頭開度)
未來第5min水溫＝0.7×未來第4min水溫＋0.2×未來第3min水溫＋0.1×未來第2min水溫＋0.4×(1min前鍋爐房水龍頭開度-2min前鍋爐房水龍頭開度)
未來第4min水溫＝0.7×未來第3min水溫＋0.2×未來第2min水溫＋0.1×未來1min水溫＋0.4×(2min前鍋爐房水龍頭開度-3min前鍋爐房水龍頭開度)
......
未來1min 水溫＝0.7×當(dāng)前水溫＋0.2×1min 前水溫＋0.1×2min 前水溫＋0.4×(5min前鍋爐房水龍頭開度-6min前鍋爐房水龍頭開度)

依次迭代進去，就可以得出未來第6min水溫與當(dāng)前和過去的水溫及鍋爐房水龍頭開度的關(guān)系。當(dāng)前與過去的水溫和過去的鍋爐房水龍頭開度是已知的，把預(yù)估第6min的水溫定為要求的溫度，也就是設(shè)定值，就可以此為基礎(chǔ)，解算當(dāng)前所需的鍋爐房水龍頭開度，這就是以模型為基礎(chǔ)的預(yù)估控制器(Model Predictive Control)的基本設(shè)計思路。

離散模型的預(yù)估作用是非常重要的特質(zhì)，所有預(yù)報模型都是建立在離散模型的這個預(yù)估能力上的，無論是天氣預(yù)報，還是經(jīng)濟預(yù)測，還是自動控制里對有滯后過程的控制。

數(shù)字控制的另一特質(zhì)是可以實施一些不可能在連續(xù)時間實現(xiàn)的控制規(guī)律。航天飛機的末段速度控制很重要，在著陸進近時，速度變化超過預(yù)定要求達到 20km/h以上的話，就可能會對著陸接地造成問題，不是沖出跑道終點，就是還沒有到達跑道起點就觸地。航天飛機是無動力滑翔著陸，是一錘子買賣，不能出差錯，必須精細控制。但在再入大氣層初期，速度控制也很重要，太快了要造成過度氣動加熱，或者導(dǎo)致著陸速度太高造成危險；太慢了當(dāng)然也不行，飛不到著陸跑道就壞事了，航天飛機可不是什么地方都能著陸的。但是在速度高達25馬赫的再入大氣層初期，20km/h的速度差別根本可以忽略不計，200km/h的速度差別才值得引起注意。換句話說，設(shè)定值與實際值之差為20km/h并不一定很重要，但設(shè)定值與實際值相差10%，那就需要強有力的控制校正。換句話說，控制誤差由通常的差值變?yōu)楸戎?，同樣，控制量也?yīng)該由從當(dāng)前值開始的增量改變?yōu)榘俜?/span>比式的相對變化。這樣，控制律就可以表示為：

當(dāng)前的控制量＝上一步的控制量×(設(shè)定值/當(dāng)前的測量值)

也就是說，在被控變量高于設(shè)定值10%的情況下，控制量也增加10%；測量值和設(shè)定值一樣時，控制量不再變化。實際使用時，誰除以誰要根據(jù)控制器的正反作用來決定，上面是正作用的情況，反作用的話，控制律把分子分母顛倒一下。這個控制律還可以進一步修改成為：

當(dāng)前的控制量＝上一步的控制量×(當(dāng)前的測量值/設(shè)定值)^k

k次方是用來調(diào)整控制律對“偏差”(這時已經(jīng)不是差值，而是比值了，嚴(yán)格地說，應(yīng)該叫作“偏比”)的靈敏度，相當(dāng)于控制增益。這個控制律實際上相當(dāng)于對數(shù)空間的純積分控制，對很多常見的非線性過程有不錯的效果，實現(xiàn)也簡單。要是有興趣，這還可以進一步擴展為對數(shù)空間的PID控制律。然而，這是一個本質(zhì)離散的控制律，在連續(xù)時間里無法實現(xiàn)。

另一個巧妙的“數(shù)字專用”控制律牽涉到系統(tǒng)平均停留時間。反應(yīng)器的容積是固定的，但通過反應(yīng)器的總流量隨產(chǎn)量甚至產(chǎn)品而變。有時工藝條件可以解放出一點增產(chǎn)空間，有時因為市場關(guān)系而需要限產(chǎn)，這樣通過的流量就不固定了。這可以用自適應(yīng)增益來解決，但也可以換一個路子，用可變采樣頻率來解決。反應(yīng)器容積除以通過的體積流量(也就是L/h而不是kg/h)就是反應(yīng)器內(nèi)平均停留時間，這相當(dāng)于(但不一定等于)反應(yīng)器內(nèi)的時間常數(shù)。數(shù)字控制通常使用固定的采樣頻率，但如果針對某一通過流量(基準(zhǔn)通過流量)下某一采樣頻率(基準(zhǔn)采樣頻率)整定PID參數(shù)，但采樣頻率與通過流量(或者平均停留時間)的比值保持固定，那按照基準(zhǔn)情況整定的PID參數(shù)就可以繼續(xù)使用了，而不必求助于自適應(yīng)增益。這也是一個本質(zhì)離散的控制律，在連續(xù)時間里無法實現(xiàn)。

離散控制“看一步、走一步”的特性，是連續(xù)控制很難模仿的，也是實際中極其有用的。

大話現(xiàn)代控制理論之離散控制篇的內(nèi)容到此就結(jié)束了，歡迎大家繼續(xù)關(guān)注《大話現(xiàn)代控制理論之模型與辨識》。