自文艺复兴以来，科学家们被无数的科学成就鼓舞着，突破一个又一个难题，最终，充
分揭示了能量、质量、效率、运动之间的关系，并把们准确概括为一个个美妙的公式。宇宙
的神秘面纱通过这些公式，被慢慢的揭开了。
有一门学科很神奇。“他完全不去考虑能量，质量和效率等因素”（钱学森《工程控制论》），在别的学科中，这些因素是必须被研究的。并且，虽然他不用考虑这些因素，却完成
了对这些因素的控制调节功能。如果说这个世界是艘船，那这门学科就是船舵，如果说这个
世界是一辆车，那么这门学科就是车把。目前所有在从事这项工作和研究的人，却不都知道
自己有这么大的权力和力量。本文的前一部分，就是要告诉你：你所从事的行业是多美伟大
神奇。自豪吧，自动调节的工程师们。是的，这门学科就是自动调节，更多的人说是自动控
制。为什么咱们说“调节”而不说“控制”，咱们慢慢感悟。
自动调节，又称自动控制，如今已经涵盖了社会生活的方方面面。在工程控制领域，理
所应当的属于应用最普遍的范畴，但是在生物、电子、机械、军事等各个领域。甚至连政治
经济领域，似乎也隐隐存在着自动控制的原理。可是考察自动控制的发展历程，从公认的有
着明确的控制系统产生的十九世纪以来，其历史也就短短的一百多年。而自动控制理论诞生
的明确的成熟的标志——《控制论》，其产生时间在1948 年，至今也不过60 余年的历史。
60 年来，尤其在工程控制领域，自动控制得到了极其普遍的应用，取得了辉煌的效果。毫
不夸张地说：如果没有自动控制，我们的社会就不可能发展到现在这个地步。

1-1 中国古代的自动调节系统
学术界曾经对中国古代的自动调节机构进行了发掘，认为中国古代也存在着一些符合自
动调节规律的机构。因而我们可以自豪的宣称：中国古代有“自动装置”（自动控制专家万
百五《我国古代自动装置的原理分析及其成就的探讨》，1965 年自动化学报）。
1991 年万百五他又补充新材料为《中国大百科全书：自动控制与系统工程卷》写成新
条目“我国古代自动装置”。文中例举：指南车是采用扰动补偿原理的方向开环自动调整系
统；铜壶滴漏计时装置是采用非线性限制器的多级阻容滤波；浮子式阀门是用于铜壶滴漏计
时装置中保持水位恒定的闭环自动调节系统，又用于饮酒速度自动调节器；记里鼓车是备有
路程自动测量装置的车；漏水转浑天仪是天文表现仪器，采用仿真原理的水运浑象；候风地
动仪是观测地震用的自动检测仪器；水运仪象台采用仿真原理演示或观测天象的水力天文装
置，内有枢轮转速恒定系统采用内部负反馈并进行自振荡的系统。
首先说，我们承认中国古代存在着自动调节系统的应用现象。并对万百五老师致以敬
意。可是如果按照这样朝自动理论上靠的话，那么我们甚至可以说张衡的地动仪也应用到了
自动调节——小球的力学传动有比例作用的影子；弩发射机构也是比例作用中比例带很小的
机构；中医的望闻问切是对反馈的重视等等。所有这些都只是对于自动调节原理的某一个侧
重点的应用，它是不完整的，不能算的上是自动调节机构的。
我们公认的自动调节机构的诞生，应该是瓦特的蒸汽机转速调节机构（见下图）。其中
包含了自动调节的几个必要条件：1) 输出执行机构有效控制被调量；2) 被调量参与调节；
3) 调节参数可以修改（修改小球的重量或者摆干的长度）。
而我们目前所看到的中国古代自动调节例子都不能全部符合上述特征。有的情况只是跟
自动调节系统中某一个特点有些类似。严格的说，他们不能算得上自动调节机构
同样的道理，我们考察欧洲的自动发展历程，也不能把水钟等物品纳入严格的自动调节系统
的范畴。

1-6 PID
我始终认为，在自动调节的发展历程中，PID 的创立是非常重要的一环。PID，就是对
输入偏差进行比例积分微分运算，运算的叠加结果去控制执行机构。关于PID 的方法，咱
们以后还要多次讲述。PID 的表述是这么的简单，应用范围却是无比的广泛。从洗澡水的控
制到神七上天，从空调控温到导弹制导，从能源化工到家电环保制造加工军事航天等等，如
今从生活到工厂，方方面面都有它的影子，角角落落都可以看到它在发挥作用。
那么，PID 是谁创立的呢？为了寻找这个问题的答案，我花费了不少精力。百家讲坛里
面王广雄教授说是尼克尔斯（Nichols）创立的，可是我找不到更多的佐证。我所能找到的
是齐格勒（Zegler）和尼克尔斯想出了对PID 参数进行整定的办法。以至于后来一些人干脆
把经典的PID 控制叫做尼克尔斯PID。但是从我所能找到的资料来看，这个提法的佐证不
强。后来，经过山东建筑大学魏建平老师的帮助，我找到了1936 年的美国专利文献《The pastof pid controllers》（变物理量的pid 控制）（美国专利，专利号2,175,985，美国存档时间：1936年2 月17 日，大不列颠存档时间：1935 年2 月13 日；1939 年10 月10 日批准美国专利申请）。由此基本搞明白了PID 的创立过程。在此鸣谢魏建平老师。以下关于PID 创立的资料基本是在魏老师提供的基础上整合了其它资料形成的。
从前面的叙述可以看到，自动调节的发展历程，与两个情况有关：当时工业控制的要求，
和自动控制理论的研究。而PID 控制器的发展，与自动化仪表，特别是一些处于世界领先
地位的自动化仪表公司息息相关，同时也与工业实践紧密联合的。
了解自动调节的人，经过分析应该可以看出来：当初瓦特所用的小锤控制转速，实际上
是纯比例调节。调节杠杆的长度就是改变比例带。比例作用比较容易被人理解。后来工业领
域的控制器都只有比例作用。如1907 年，美国C.J.Tagliabue 公司在纽约的一家牛奶巴士灭
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菌器生产厂里安装了第一台气动自动温度控制器。采用气动控制，测量单元用的是压差，通
过不锈钢温度计的水银推动舵阀，舵阀控制空气压力作用到主阀上，主阀来调整对象的流
量。该控制器从原理上讲是比例控制。
但是直到这个时候，所谓的比例控制，也没有明晰的提法。在应用过程中，人们发现这
种控制方法有很大局限。最主要的问题是系统被控对象很不容易达到要设定的目标值，我们
现在称之为存在静态偏差。科学家和工程师们为此又继续努力了。到了1929 年，
Leeds&Northrup 公司生产出一种他们称为具有“比例步”（Proporational step）控制动作的电子机械控制器，即PI 控制器。注意，这个公司把比例控制由自觉变成了有意，并且也注意到了积分作用。但是这个公司的产品并没有影响到整个控制界，似乎他们的思想也没有给后来的自动控制带来太大影响。
其他公司还在继续探索。1939 年，Foxboro 仪器公司为了克服静态偏差问题，他们想了
一个方法：手动增强调节系统的比例作用，使得系统调节“恰好”弥补偏差。他们称之为“重
置”（hyper-reset）。后来人们专门设置了自动重置技术（Automatic reset），每一时刻都根据上一时刻的偏差，自动修改系数，使得偏差不为零的时候，执行机构一直动作下去，很明显，这就是积分作用了。后来，某些专业的人们至今还把这个积分参数称之为“重置率”。Foxboro仪器公司的Stabilog 气动控制器中加入了hyper-reset 技术。同年，Taylor 仪器公司发布了一款全新设计的气动控制器：Fulscope，新仪器提供了“预动作”（pre-act）控制作用。这个所谓的预动作，就是微分作用。后来的相当长的时间内，微分作用都被称作“预动作”。
从上面可以看出，PID 已经诞生了。但是我们常规上不说PID 的创立者是上述的公司。而是
另有其人。为什么呢？上面所述的功能虽然等同于PID 的功能，但是与真正意义的PID 还
是有所不同的，它们只是在实际使用意义上等同于积分微分环节。真正彻底清晰的PID 理
论其实早几年就提出了，只是提出者在大洋彼岸的英国。1936 年，英国诺夫威治市帝国化
学有限公司（Imperial Chemical Limited in Northwich, England）的考伦德（Albert Callender）和斯蒂文森（Allan Stevenson）等人给出了一个温度控制系统的PID 控制器的方法，并于1939年获得美国专利。从美国专利局的网站上，可以找到当年获得专利的PID 计算公式：这个公式与我们现在使用的PID 公式已经没有很大区别。式中，θ 代表温度。只是当时
把比例积分微分的增益倍数分开了，可以想象当初这样做的原因：用K1 来确定积分的强度
（斜率），用K3 来确定微分的强度。面对这个美妙的、简洁的、普适的思想，我们还是多
花点时间关注一下她的生日吧。她的专利的美国存档时间是1936 年2 月17 日。英国的档时
间：1935 年2 月13 日；1939 年10 月10 日批准美国专利申请。这说明PID 的诞生时间应
该在1935 年初了，只是出生证明开在1936 年。
PID 问世了。可惜这个过程被忽略了很久。

1-8 IEEE
IEEE 是国际电工协会的简称。他致力于控制系统中理论和实践的探讨。我们之所以把
IEEE 作为自动控制历史的一部分，是因为他为自动控制的发展做出了很大贡献，并且在将
来还会不断地做出贡献。如果说以前自动控制的科学家们基本上算是单兵作战的话，那么
IEEE 可以说是集群作战了。当然，集群作战的模式在贝尔实验室里已经产生了。
IEEE 诞生于1954 年。目前他有三个期刊：控制系统杂志 (Control Systems Magazine) , 自动
控制学报 (Transactions on Automatic Control) 和控制系统技术学报 (Transactions on ControlSystems Technology)。会议与会员的研究，基本上代表了自动控制的发展水平。通过会员之
间的交流，产生集群效应，学会有力的推动着自动调节技术的发展。

1－9 著作里程碑
任何学科发展史，都是由无数的科学家的名字和著作串联起来的。任何学科的发展史，
也总有那么几个人物著作特别显眼明亮，我们称之为里程碑。在漫长而又短暂的自动发展历
史上，有无数科学家的辛勤努力，都值得我们景仰。其中，奠定了自动控制基础的三本著作
最值得我们关注：
1、《信息论》，作者香浓（Claude Elwood Shannon）（国内普遍翻译为香农，我认为作
为自动控制鼻祖之一人物，这个翻译不够浪漫，所以就擅自篡改为香浓哈）。1948 年，香农在《贝尔系统技术杂志》第27 卷上发表了一篇论文：《通讯的数学理论》，1949 年又发表《噪声中的通讯》。这两篇文章奠定了《信息论》的基础。
以前学习热力学，对热力学简直到了膜拜的地步。正好当时流行一个理论：由热力学看
宇宙的哲学。也喜欢得不得了，以为熵可以推广到一切。后来发现问题了。对熵概念就冷淡
了。再后来发现，熵的关于哲学的推广虽然有问题，可是上的应用也非常广泛。计算机信息
处理有熵，股票的书籍里有熵，香浓的信息论也有熵，叫做信息熵。熵的概念最初是度量热
力学中热量的传播的，信息熵适度两一个信息源能够提供多少新的信息的。信息熵是香浓弄
出的概念。
2、《控制论》，作者维纳。前面介绍过了，这里忽略。
3、PID 控制法的创立。虽然说现在诞生了行行色色的先进控制方法，许多可以代替PID
控制法，可是到目前为止，没有任何一种新的控制法有PID 应用这么广泛。并且，新兴的先
进控制法中，有许多也融合进了PID 的控制原理，或者干脆叠加上PID 控制法。
另外一个可资借鉴的一个老外收集的PID 控制器大事记（年表）作者：Vance J.VanDoren。
1788 年：James Watt 为其蒸汽机配备飞球调速器，第一种具有比例控制能力的机械反
馈装置。
1933 年：Tayor 公司（现已并入ABB 公司）推出56R Fulscope 型控制器，第一种具有
全可调比例控制能力的气动式调节器。
1934-1935 年：Foxboro 公司推出40 型气动式调节器，第一种比例积分式控制器。
1940 年：Tayor 公司推出Fulscope 100，第一种拥有装在一个单元中的全PID 控制能
力的气动式控制器。
1942 年：Tayor 公司的 John G. Ziegler 和 Nathaniel B. Nichols 公布著名的
Ziegler-Nichols 整定准则。
第二次世界大战期间，气动式 PID 控制器用于稳定火控伺服系统，以及用于合成橡胶、
高辛烷航空燃料及第一颗原子弹所使用的U-235 等材料的生产控制。
1951 年：Swartwout 公司（现已并入Prime Measurement Products 公司）推出其Autronic产品系列，第一种基于真空管技术的电子控制器。
1959 年：Bailey Meter 公司（现已并入ABB 公司）推出首个全固态电子控制器。
1964 年：Tayor 公司展示第一个单回路数字式控制器，但未进行大批量销售。
1969 年：Honeywell 公司推出Vutronik 过程控制器产品系列，这种产品具有从负过程变量而不是直接从误差上来计算的微分作用。
1975 年：Process Systems 公司（现已并入MICON Systems 公司）推出P-200 型控制器，第一种基于微处理器的PID 控制器。
1976 年：Rochester Instrument systems 公司（现已并入AMETEK Power Instruments）
推出Media 控制器，第一种封装型数字式PI 及PID 控制器产品。
1980 年至今年：各种其他控制器技术开始从大学及研究机构走向工业界，用于在更为
困难的控制回路中使用。这其中包括人工智能、自适应控制以及模型预测控制等。

1-11 再说PID
回到刚才的提问：什么是PID？
P 就是比例，就是输入偏差乘以一个系数；
I 就是积分，就是对输入偏差进行积分运算；
D 就是微分，对输入偏差进行微分运算。
就这么简单。很多年后，我还始终认为：这个理论真美！其实这个方法已经被广大系统
维护者所采用，浅白一点说，就是先把系统调为纯比例作用，然后增强比例作用让系统震荡，记录下比例作用和震荡周期，然后这个比例作用乘以0.6，积分作用适当延长。虽然本文的初衷是力图避免繁琐的计算公式，而用门外汉都能看懂的语言来叙述工程问题，可是对于最基本的公式还要涉及以下的，况且这个公式也很简单，感兴趣的看一下，不感兴趣的可以不看。公式表达如下：
Ｋｐ ＝ ０．６*Ｋｍ
Ｋｄ ＝ Ｋｐ*π／4*ω
Ｋｉ ＝ Ｋｐ*ω／π
其中：
Ｋｐ为比例控制参数
Ｋｄ为微分控制参数
Ｋｉ为积分控制参数
Ｋｍ为系统开始振荡时的比例值；
ω 为极坐标下振荡时的频率
这个方法只是提供一个大致的思路，具体情况要复杂得多。比如一个水位调节系统，微
分作用可以取消，积分作用根据情况再调节；还有的系统超出常人的理解，某些参数可以设
置得非常大或者非常小。具体调节方法咱们后面会专门介绍。微分和积分对系统的影响状况
后面也会专门分析。
科学家们都说科学当中存在着美。我的理解，那种美是力图用最简洁的定义或者公式，
去描述宇宙万物的运行规律。比如牛顿的三大运动规律，和他的加速度和力的关系的公式：
F=ma。表达极其简洁，涵盖范围却非常之广，所以它们都很美。同样的，我们的PID 调节法也是这样的，叙述极简洁，可在调节系统中应用却极普遍。所以，不由得人不感叹它的美！
不过说实话，PID 控制法虽然精巧，可是并不玄奥。
现在，世界控制理论有了更大的发展，涌现出了各种各样控制方法。比如神经元控制、
模糊控制等等，这些控制过程中，我只接触过模糊控制。用我自己最粗浅的理解，要是对控
制系统要求更为精准严格的话，还是要用PID 控制来配合的。并且，对于火电厂自动调节系
统，我还没有发现有哪种系统用PID 调节法不能实现的。如果你认为你所观察的某个系统，
单纯用传统的PID 调节方法不能解决问题，那存在两个可能：一是你的控制策略可能有问题，二是你的PID 参数整定得不够好。
PID 控制法已经当之无愧的成了经典控制方法。我们要讲的，也就是这种经典的PID 控
制。

1-12 怎样投自动－PID 参数整定
判断一个人是不是业内人士的方法之一，就是看他说不说外行话，有时候甚至一个词语
就可以判断。判断修改确认PID 参数的过程，咱们业内人士有个专用词语：整定。如果读者
现在跟谁谁谈话的时候，说PID 整定怎么怎么，那么，恭喜你，你是“业内人士”了。我刚
上班的时候，对自动调节系统一窍不通。在学校仅仅学过一本《热力过程自动化》，一毕业
都还给老师了。一上班为了跟上别人，狠劲学习电工电子，以为能维修执行器变送器就可以
做好自动工作了。后来一个师傅一句话点醒了我。他说：在自动专业，水平的高低最直接的
衡量办法——会不会投自动，也就是看会不会整定参数。当时我就想：自动该有多复杂多难
学啊！等我后来掌握了，突然觉得，原来整定参数是这么的简单！
原来整定参数是这么的简单！是的，其实很简单。任何人，只要下过一番功夫，方法对
头，就一定能够搞好自动。记住：方法要对。确立了方法之后，下一番枯燥的功夫，观察分
析尝试总结，由浅入深，最后你就一定能够投好一套简单的自动。复杂的自动还需要另外一
项功夫：多学习，多与运行人员交流。记住：多与运行人员交流。这是我告诉你们的第一条
秘诀。聊天聊得好就等于看书了。有时候甚至比看书还好。这个秘诀我轻易不传给别人的哦。
说了一个秘诀，干脆告诉你另一个秘诀：其实咱们前面说过了，要肯下一番枯燥的功夫，去
了解比例积分微分的最基本最本质最浅显的原理。等到你了解了比例积分微分的最基本原
理，那你就能够判断它们是如何影响调节曲线的了，进而就能够整定参数了，进而你就是行
家了。要掌握复杂的公式么？可以不掌握。当然，能掌握我也不反对，它们其实是很有用的。
成为行家原来这么简单。那么你怎么判断一个人是不是自动的行家呢？很简单，我的经验，
你只要看他观察哪些曲线就可以了。

1-13 观察哪些曲线
我曾经见过一个自动好手整定参数，我看他收集的曲线后，我就断定这个自动他投不好。
给他提建议，但是因为他的名望比较高，没有听取咱的建议。后来果然没投好。
观察曲线是发现问题的最方便的办法。
现在DCS 功能很强大，想收集什么曲线就收集什么曲线，只要这个测点被引入DCS。最
初可不是这样的。90 年代初我用的是DDZ-II 型调节器，后来是MZ-III 组件型调节系统，
再后来是KMM 调节器，后来才有了集中控制系统，再后来有了DCS。前三种都不能显示曲线的。只能靠两只眼睛盯着指针或者数字，根据记忆去判断调节曲线，那个费劲啊！可是当时我并不觉得费劲，现在用惯了DCS 以后，再拐回头去看数字，才觉得真费劲！还是老话说得好：由俭入奢易，由奢入俭难啊。
那么到底要观察哪些曲线呢？
说实话，开始我没有把这个事情当成个问题，觉得是水到渠成的事情。可后来我发现许
多人都不善于收集曲线，才觉得有必要说一下。
我们要收集的曲线有：
1) 设定值。作为比较判断依据；
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2) 被调量波动曲线。
3) PID 输出。
就这么简单，如果是串级调节系统，我们还要收集：
4) 副调的被调量曲线；
5) PID 输出曲线。
为什么不收集副调的设定值了？因为主调的输出就是副调的设定啊。在一个比较复杂的
调节系统中，副调的被调量往往不只一个，那就有几个收集几个。
只有收集到了这些曲线后，你才能根据曲线的波动状况进行分析。还有的调节系统更加
复杂。投不好自动，总要去分析其原因，看看有什么干扰因素存在其中，你怀疑哪个因素干
扰就把哪个曲线放进来。一般的DCS 都支持8 组曲线在一个屏幕中，如果放不下，你就考虑怎么精简吧。不过现在咱们还没有到那个地步，复杂调节系统在后面介绍。
我估计早就有人等得不耐烦了。自动调节系统，归根结底在于整定PID，如果不会整定
PID，该多掉份！可是最见功夫的，最考验能力的也就是PID 参数的整定了。PID 的整定有
多难？一点都不难！只要你找着我的话去做，一步步训练下去，保证你也成为整定PID 的行
家里手。