过程控制中的“道法术器”_风闻

（作者：牛绍华）

过程控制是一个很特别的工程领域。一方面，过程控制源于自动控制，也就是现在所说的运动控制，过程控制和运动控制同宗同源，相辅相成。另一方面，由于面对的控制对象天差地别，运动控制中的大部分理论对过程控制来说都是南辕北辙。运动控制是复杂的理论、精致的技术、应用到定常的对象，而过程控制的特点是简单的理论、可靠的技术、面对复杂多变的对象。由于这些原因，过程控制普遍面临学用脱节的窘况，就好像屠龙与驯马：学校教学设定的控制对象是飞龙（倒立摆，蓄水池），但学生将面对是野马（反应器、精熘塔）；学校教授的是屠龙术（状态方程，最优控制），工业需要的是驯马技（传递函数，PID/MPC）；学校提供的是缚龙绳（Matlab，SimuLink)，工业需要的是套马杆(DCS，Excel)。学生从学校毕业，屠龙术在身，志满意得。然而进入工业界才发现，理论与实践严重脱节，学不能致用，“三年技成而无所用其巧”，一片茫然。只能紧急调整心态，放下身段，恶补驯马技，苦练套马杆。大多数人都是通过不断的尝试和失败，在吃一堑长一智的过程中跌跌撞撞走过来的。

回首过去，都希望当初能少走些弯路，多一些坦途。其实应对之道不外乎两条：业界要有更多前辈乐于指点迷津，领徒弟入门儿；学校能勇于改革，使科研和教学内容更实用、更接地气儿。当然，知易行难。控制理论已经可以送航天器进太空，迎机器人入厨房。但在过程控制领域，PID百岁之躯修修补补仍然是绝大多数控制方案的首选，任重道远；MPC已过不惑之年依然独挑先进控制的重担，后继乏力。理论和实践的一大区别就是前者只谈什么是正确的，后者更需知道什么是错误的。学校教授的大多是成功的理论，极少传授失败的经验。要在Matlab里仿真一个PID回路是非常地简单，但在DCS上实现一个能够24/7/365连续工作的PID控制器则是难乎其难，因为它要对各种想得到和想不到的应用场景和故障原因，要做到万无一失是不可完成的任务。

过程控制的一大特点就是它的跨学科性质。从知识层面讲，过程控制和工艺、设备、仪器仪表、控制系统有高度的重叠和依赖；从经验和技能要求上看，过程控制又和工艺设计、操作运营、检修维护紧密相关。这就要求过程控制所需知识和技能非常地广泛和繁杂。由此带来的一个独特优势是大局观：过程控制人员在设计阶段要明白工艺，实施阶段要熟悉系统，运营阶段要了解操作，所以在生产中，过程控制可能是唯一对于全局到细节都有足够了解的部门，懂大局、识大体，“万金油”的外号实至名归。但跨学科也带来一个不小的烦恼：知识爆炸，学不敷用。虽说艺多不压身，但人的精力毕竟有限，术业有专攻，深度和广度很难兼顾。“吾生也有涯，而知也无涯。以有涯随无涯，殆矣。”没有人可以在所有相关领域都样样精通，所以面对的最大困难就是“定位”和“取舍”。解决方法则是自我提高和团队合作：有些知识要知其然更要知其所以然，有些则只需知其然而无需知其所以然。看家本领上“食不厌精，脍不厌细”，边缘知识上则可“求神拜佛”，充分依赖相关专家。过程控制工程师永远不应该也不可能做到单打独斗：工艺工程师是最好的老师，仪表和系统工程师是最好的帮手，操作工是最好的朋友。当然，懂行的部门领导是最好的后盾。这才是过程控制完整的团队！

过程控制是一门个性鲜明的专业，其知识结构和应用范畴虽然广泛而复杂，但有鲜明的层次。不妨从老子《道德经》中“道”、“法”、“术”、“器”的角度，对其知识层次和应用范围作个诠释。“道”，是万事万物的自然规律和发展方向，即天道。“法”，则是循道而行、为达目标所遵循的方法和技能，即人法。“术”，是为使人法得到实施所采取的技术层面的技巧和手段。“器”，是为使术取得更完美、更有效的结果所必需的工具。过程控制的知识层次和应用范围可与“道”、“法”、“术”和“器”四个层次一一对应。

“器” （Devices, Instruments, Control Systems)。 传感器，变送器，控制阀，PID控制器，毫无疑问地属于“器”的层次。DCS、PLC、SIS等控制系统或平台，也属于“器”的范畴。而PID或MPC固化为控制模块后也应归于“器”类。“工欲善其事，必先利其器”，“器”的特点是知之为知之、不知为不知，易学易用，孰能生巧。过程控制人员应该熟悉必需之“器”的功用，做到得心应手。但另一方面，这些“器”具各自都是专门学问，体系庞大，日新月异。因此一定要知取舍，“有所为，而有所不为。有所不为，而后有为。”一个熟练运用电脑进行工程设计的人未必需要会拼装或修理电脑；一个优秀的先进控制工程师并不需要称职去搭建MPC与DCS的通讯系统。控制利“器”虽然不可或缺，但对过程控制来说都是工具，知其然而不知其所以然足矣。虽说磨刀不误砍柴工，但要牢记磨刀的目的是砍柴。切忌一柄砍刀在手，所有树木都成柴火；一把锤子在握，眼里看到的全是钉子。器不在先进，在于好用和够用。

“术” (Methods, Tricks, Procedures)。 一些常见的控制算法和手段，比如回路整定，数据处理，信号补偿，则属于“术”的层次。跨学科的知识积累，比如数据分析，“三传一反”，压缩机的动态特性，对过程控制工程师来讲也是“术”的范畴。术的特点是可教可学，有理论有实践，是学校教学的重点。熟练掌握常见和常用的“术”，借助最得手的“器”，来维持控制方案的正常运行，是对过程控制工程师的基本要求。需要注意的是，“学海无涯，书囊无底”，这些基础知识和技能要有取有舍，适可而止。一个控制工程师不需要像一个数据科学家那样对各种数据分析算法了如指掌，也不需要像一个工艺工程师那样对精熘塔的塔板塔帽特性如数家珍。必要的知识，既要知其然也要知其所以然，熟悉常见的应用场景，融会贯通。边缘学科的知识，或临时抱佛脚恶补，或虚心向相关专家求教，走实用主义路线。很多过程控制人员花费大量时间在PID回路整定，或DCS组态微调，甚至传感器控制阀调校等“术”和“器”上，乐此不疲。但很多时候是舍本逐末，忘记了过程控制的真正使命是利用“术”和“器”完成更高层次的任务。一个错误的控制方案中的PID是难于用修改整定值来改善控制性能的；一个工艺上物料不平衡的过程是不能靠增加几个控制器就能达到整体稳定的。事实上，现场绝大多数的控制问题不是PID整定造成的，很多时候过程控制工程师的建议就是改进工艺。没有大局在胸，仅仅关注局部，难以做到整体最优。反过来，局部最优是难以补救整体方案的缺陷的，覆巢之下无完卵。

“法” (Skills, Methodologies)。 过程控制人员真正的特长和贡献是在“法”的层次，这就是分析问题的方法和解决问题的技能，具体落实在控制方案的分析和设计，控制问题的诊断和解决上。“法”是集思广益后的方式方法，是行之有效的最佳实践。要做到法术高强，需要多年知行合一的修真苦炼，和对术和器的灵活应用。修炼过程中不但要有成功的经历，同样重要的是接触足够多的失败案例，反中求正，方可不蹈覆辙。过程控制工程师面对的一个重大挑战是工艺。工业过程千变万化，很多工艺工程师终其一生，参不透手头有限的几个工艺工程。而过程控制工程师，一生可能要面对数不清的陌生工艺流程，更不可能全部精通。大部分人面对一个陌生工艺过程或复杂控制问题，感觉像狗咬刺猬，无从下口；或像盲人摸象，顾此失彼。事实上还有，过程控制工程师和工艺工程师看工艺过程的角度迥异。对一个工艺过程来说，最重要的动态因果关系分析或过度过程分析适用于所有的过程类型；精熘塔或压缩机，从分析手段上有高度的一致性。而控制方案的设计或故障诊断，也有共同的法则可循。掌握这些“法”则，可变被动为主动，游刃有余。就像同样一辆汽车，在司机眼里和在机械师眼里是大不相同的。在司机眼里，所有的轿车都有它们的共性，需要学习的只是每辆车有限的一些特异性。一个司机可以驾驶奥拓，也就可以操作法拉利。庖丁解牛三年，眼中已无全牛。一个资深的过程控制工程师，眼中看到的不再是管道塔炉，而是一个个流动着的测量变量，和它们间的因果关系，动态响应。

“道” (Strategies, Philosophies)。修炼到极致的人会得“道”。道是原理，道是规律。实际问题虽然千变万化，但万变不离其宗。道法自然，所以能够处变不惊，以不变应万变。对得道之人来说，“道”成为一种直觉、一种本能，是从必然王国进入到自由王国。大道至简，大妙无常，大巧似拙。高明的方案往往意外的简单，比如有时一个小小的反馈机制可以取代很多深奥复杂的物料和热量平衡的计算。然而由简入繁易，由繁入简难，由繁入简是在全局在胸融会贯通的前提下的收放自如；完美的方案有时需要跳到盒子之外获得，比如一个工艺上的简单改进有时可以大大简化控制方案。前提是洞察全局，熟悉每个环节的优点和缺陷；有时候慢就是快，快就是慢，比如老老实实用测试和建模来整定PID往往比貌似简便快捷的曲线试凑法可信可靠而且事半功倍，但需要从业人员有足够的自信、自律、和淡定。“道可道，非常道”。道是悟出来的，不是教出来的。悟道需要努力、机遇和天份，很难刻意为之，只可水到渠成。工作团队里有一位得道高人，团队水平会很快提升，一人得道、鸡犬升天。同时，得道之人也往往乐于分享，独乐乐不如众乐乐。

“不忘初心，坚守使命”。过程控制的初心是抓技术促生产；过程控制从业人员的使命就是保证生产过程安全高效。过程控制工程师的资质既有横向的多学科，又有纵向的多层次，是一个庞大的三维空间，对应的是浩翰的知识和海量的技能。每个过程控制从业人员的知识都是这个空间里的一个小小的泡泡儿。学校的教育决定了这个泡泡的初始位置、大小、和形状。从业后这个泡泡往那个维度膨胀则取决于自己的泡泡在这个巨大空间里的定位。是偏向控制系统，还是靠近工艺设计；是满足于“术”和“器”，还是进一步参悟“道”和“法”，取决于每个人的努力和造化。一定要明白自己“应该”作什么，“愿意”作什么，和“能够”作什么。有了明确的自我定位才能设计自己的知识结构，才可明确知识的取舍。把握轻重与缓急，善于学习和取舍，方可达到事半功倍的效果。

（缩减版于2022-04-08发表在控制网）

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小牛和我当年同学一场，后来他和我一样，在过程控制第一线干了30年。现在小牛也成老牛了。这些经验之谈很老到，禁不住征得同意，拿来分享一下。