【包邮送书】控制之道：过程控制的理论与实践

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《控制之道：过程控制的理论与实践》

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专栏：《Linux内核设计思想与源码分析》

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前言/序言
很多年前，在与友人网上的互动中，随手写下了一点对自控的感悟，后来扩充成《自动控制的故事》系列，以晨枫的名字贴在网上，据说流传甚广。多年后，《自动控制的故事》扩充成《大话自动化:从蒸汽机到人工智能》（以下简称《大话自动化》）。《大话自动化》的本意是科普自动化有关的知识，也想在自控人中博取会意的一笑，所以刻意避免一切过于数学化的描述。问题是，控制理论在本质上是应用数学的一个分支，所以当讨论深入到一定程度时，必然绕不开数学。与此同时，控制应用在很多地方又跳出了数学境界。
数学思维是将复杂的事物纯净化、抽象化，从中提取一般规律，最终成为普适的工具。纯净化可以归结为某些简化的假定，抽象化则超越问题的具体形态、尺度和变型，抽取深层的本质。这是非常有用的解决问题的科学方法，但不是唯一的解决问题的方法。
工程思维是反过来的，需要解决的是现实世界的具体问题，自带复杂性和多变性，普遍性和代表性也经常只存在于具体领域之中。有现成的理论工具，当然要遵循“拿来主义”。没有的话，创造工具也要解决问题，哪怕工具不具备理论上的严谨和普遍适用性，甚至可以不排除“运用之妙，存乎一心”。
控制工程就具有这样的特点。
还在大学的时候，有控制理论和控制工程两门课，当年就被控制工程里思维的火花迷住了。后来读硕、读博，在控制理论方面继续深造，但始终希望在控制工程方面也有成长。这个愿望在工作中实现了，30多年的实战在多个层次零距离见证了自控之美，并有幸贡献了几颗小小的火花。
在写就《大话自动化》之后，意犹未尽。《大话自动化》不仅刻意回避数学，也尽量避免过于具体深入的技术细节。但自控之美只能用朦胧诗展现是不够的，于是萌生再写《控制之道：过程控制的理论与实践》的念头。
本书分六部分。第一部分简述基本的反馈，动态系统和稳定性分析，在介绍根轨迹方法的时候，重点在于零极点对稳定性的作用，为后续的PID控制和回路稳定性分析做铺垫。
第二部分介绍单回路PID控制，从比例、积分、微分特性和参数整定的深入讨论开始，展开到余差、纯滞后、信号噪声等特殊问题。在简单PID的基础上，对双增益、广义变增益、积分分离等PID变型及其特点进行介绍。最后讨论了正反作用、积分饱和、无扰动切换、初始化、输入输出特性等实际PID问题。
第三部分讨论多回路的复杂PID控制，如串级控制、前馈控制、分程控制、比值控制、选择性控制、双自由度控制、阀位控制等，重点在于思路和具体应用。
第四部分的重点是化工过程单元设备控制。从单元操作的特性和控制要求开始，介绍典型控制方案，如换热器控制、锅炉和加热炉控制、泵与压缩机控制、精馏塔控制、反应器控制等。
第五部分从多变量和最优控制入手，介绍模型预估控制，包括基本推导、参数整定和与PID的关系，以及实施中的具体问题。
第六部分介绍控制系统故障及异常的解决与预防，并对人工智能的作用进行讨论。
过程控制是个五彩缤纷和与时俱进的世界，个人只能管中窥豹。本书力图成为过程控制方面的有用工具，但错误和缺失在所难免，还请老师、同学和同行们批评指正。
周风晞（笔名晨枫）

适读人群 ：自控工程师、自动化专业师生
“书上讲的用不上，需要用的书上不讲”，这是工科生中常听到的抱怨。理论是优美的，现实是复杂的。工程实践永远是科学与艺术的结合。这里科学指理性、严谨的思考和方法。这里的艺术不是诗和远方，而是跳出常规框框的创造性思维，更是接地气的因地制宜。过程控制尤其如此。本书试图在数学化的控制理论和菜谱式的具体攻略之间搭接，从实用角度出发，为大量控制实践提供一点理论依据，也为控制理论研究提示一点工程实践中需要解决的问题。

本书兼具专业性、思想性、实用性，既有一定深度，又通俗易懂，对初涉自控行业的读者而言是一部较实用的参考书，对自动化专业的本科生或研究生也有很高的参考价值。

内容简介
控制理论方面的著述和教科书汗牛充栋，具体控制系统或者控制软件的使用攻略也琳琅满目。但在两者之间缺乏桥梁。“书上讲的用不上，需要用的书上不讲”，这是常听到的抱怨。本书试图搭接，从实用角度出发，为大量控制实践提供一点理论依据，也为控制理论研究提示一点工程实践中需要解决的问题。
本书分六部分。第一部分简述基本的反馈，动态系统和稳定性分析，在介绍根轨迹方法的时候，重点在于零极点对稳定性的作用，为后续的PID控制和回路稳定性分析做铺垫。第二部分介绍单回路PID控制，从比例、积分、微分特性和参数整定的深入讨论开始，展开到余差、纯滞后、信号噪声等特殊问题。在简单PID的基础上，对双增益、广义变增益、积分分离等PID变型及其特点进行介绍。最后讨论了正反作用、积分饱和、无扰动切换、初始化、输入输出特性等实际PID问题。第三部分讨论多回路的复杂PID控制，如串级控制、前馈控制、分程控制、比值控制、选择性控制、双自由度控制、阀位控制等，重点在于思路和具体应用。第四部分的重点是化工过程单元设备控制。从单元操作的特性和控制要求开始，介绍典型控制方案，如换热器控制、锅炉和加热炉控制、泵与压缩机控制、精馏塔控制、反应器控制等。第五部分从多变量和最优控制入手，介绍模型预估控制，包括基本推导、参数整定和与PID的关系，以及实施中的具体问题。第六部分介绍控制系统故障及异常的解决与预防，并对人工智能的作用进行讨论。
本书兼具专业性、思想性、实用性，既有一定深度，又通俗易懂，对初涉自控行业的读者而言是一部较实用的参考书，对自动化专业的本科生或研究生也有很高的参考价值。
作者简介
周风晞

笔名晨枫，工学博士，出生于上海，现居加拿大。从业自动化超过30年，对自动化领域有着深厚的理解和丰富的实践经验。

2005年起在互联网上以其独特的视角和深入浅出的表达方式发表了“自动控制的故事”，这一系列文章引起了广大读者的热烈反响。

2019年出版《大话自动化：从蒸汽机到人工智能》一书。这本书以生动的语言和丰富的案例，讲述了自动化技术的发展历程和未来趋势，深受读者喜爱。

晨枫博士的作品在自动化专业领域中具有广泛的影响力，为自动化技术的发展和普及做出了积极的贡献。他的努力和贡献不仅提升了公众对自动化技术的认识和兴趣，也为自动化领域的专业人士提供了有益的参考和启示。

精彩书摘
引言

控制理论方面的著述和教科书汗牛充栋，具体控制系统或者控制软件的使用攻略也琳琅满目。但在两者之间缺乏桥梁。“书上讲的用不上，需要用的书上不讲”，这是常听到的抱怨。本书试图搭接，从实用角度出发，为大量控制实践提供一点理论依据，也为控制理论研究提示一点工程实践中需要解决的问题。

理论与实践的结合是所有工程科学的共同挑战。几乎所有工程实践都先于理论而存在。远在材料力学、结构力学存在之前，人们已经开始造房子了。瓦特发明蒸汽机时，离心调速器是他成为工业革命之父的关键。纽可门的蒸汽机差的就是这临门一脚，做不到稳定、可靠、经济的长时间运转。但系统的控制理论和方法是到20世纪前半叶才形成的。

控制在本质上是通过对因果关系的运作，调整“因”，使得“果”从现有状态达到指定的新状态。在这个过程中，会有外力干扰。状态的变迁也需要有序进行。

一个情况是现有状态和新状态不同，有序的状态改变是主要问题，外力干扰相对次要。这是机电控制的典型情况，如导弹的追踪控制。这也称随动控制或者伺服控制，两种说法是等效的，可以互换。对于导弹追踪控制来说，不断移动的目标是新的指定状态，导弹本身的燃料消耗和推力变化、大气温度密度变化都是外力干扰，但对状态变迁的影响相对来说不占主导。

机电控制在机电设备中常见，如各种机械、电机、汽车、飞机等。

另一个情况是状态要求维持在同一个位置，但外力干扰不断把现有状态带离指定状态，控制的目的主要是干扰抑制。这是过程控制的典型情况，如建筑温度控制。对建筑温度控制来说，典型外力干扰包括但不局限于昼夜温差、风速风向、开门关窗、建筑内的人数和流动等，需要对冷暖风进行相应补偿。

过程控制常用于过程工业，如化工、冶金、造纸、电力等。

随动控制和干扰抑制不是绝对的，不是互相排斥的。随动控制也有干扰抑制问题，干扰抑制也有状态变迁问题，如化工厂转产新产品所需的工艺条件变迁，水库水位在枯水、旺水季节也需要有序地调高调低。

几十年的发展下来，自动控制分为三路人马：应用数学、机电控制、过程控制。应用数学偏向理论，机电控制和过程控制更加偏向实践。但从更加基本的控制原理论层面来说，都是相通的，也都有理论与实践之间某种脱节的问题。

这不是谁怪谁的问题，理论和实践两方面都在努力密切结合，但现实世界是复杂的，现实挑战是紧迫的，谁都不能任性，也不能等待完美、严谨的理论到位才着手解决现实问题。

理论是黑白的，实践是彩色的。理论注重严谨性，一切从基本假定和数学框架出发；实践注重实用性和可实现性，一切从解决问题出发。

现实世界的复杂性会导致与理论所基于的简化、纯化假定对不上的情况，但现实世界的问题还是需要解决的。单凭食材、刀功、火功的清蒸、清炒不行了，那就用调料，用杂烩。在烹调门派上不再纯正，但只要口味好，品相诱人，上得了席，客人叫好，就是管用的。

久而久之，纯粹靠食材、刀功、火功的烹饪越来越成为传说中的故事，各种调料和杂烩成为各色菜系中的主力。这就是过程控制的现状。

具体来说，有的通过放大安全系数硬抗，有的通过理论上并不严谨的奇思妙想解决。比如，在控制理论里，控制量是没有约束的，可以在正负无穷之间任意变化。在现实中，控制阀关到底了，就是关到底了；全开了就是全开了，控制量是有界的。反应器温度有上限，超过了催化剂就失效了，或者出现设备的结构强度问题；也可能有下限，温度太低了，反应可能“熄火”，溶液有晶体析出，反应器和管道就堵死了。因此被控变量也可以有约束问题。

这样的约束控制问题在控制理论上不容易解决，但在实践中，有时候用数值计算中的约束最优化方法“强行”计算出一个控制解。这样的做法在控制理论上很难分析稳定性，但通过精心调整参数，通常是可以做到稳定。

这并不是坏事。工程实践永远是科学与艺术的结合。这里科学指理性、严谨的思考和方法。这里的艺术不是诗和远方，而是跳出常规框框的创造性思维，像“战争艺术”、“管理艺术”那样的艺术。科学与艺术相结合的另一个说法就是系统思维与跳跃思维相结合。任何工程师做不到这一点，两边缺一样，都不可能成为好的工程师。

自控工程师生来就是跨界的，一头跨工艺过程，一头跨过程控制，还有一头跨在计算机和仪表方面，更需要与运作过程和使用控制应用的工艺操作人员密切合作。需要“有科学头脑的艺术家”和“有艺术气质的科学家”的特质，还需要一点公关。

问题是控制理论有大量的研究和著述，控制工程则经常存在于自控工程师的经验和师徒相传之中，较少得到总结和著述。

在大学、研究所，控制理论得到深入的研究，但控制工程经常是缺门。不是他们不想重视，但不在河边，怎么说得清河水是怎么流的？

在工业界，控制工程得到深入广泛的实践，但对上升到理论高度经常敬而远之。不是他们不想拥抱，而是在河里的漩涡中挣扎的时候，钓鱼台上的高瞻远瞩和指点江山对他们缺乏吸引力和实用性。

本书试图在两者之间架设桥梁，为填补控制工程的缺口添砖加瓦。由于从实用出发，本书不以描述上的严谨性为最高原则，而是试图用浅显直白的语言解释现实中的控制实践，希望能得到读者的认可。