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控制規律的選擇
發布時間: 2011-03-25 點擊次數: 13343次盡管不同類型的控制器,其結構、原理各不相同,但是基本控制規律只有三個:比例(P)控制、積分(I)控制和微分(D)控制。這幾種控制規律可以單獨使用,但是更多場合是組合使用。如比例(P)控制、比例-積分(PI)控制、比例-積分-微分(PID)控制等。
比例(P)控制
單獨的比例控制也稱“有差控制”,輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關系,偏差越大輸出越大。實際應用中,比例度的大小應視具體情況而定,比例度太小,控制作用太弱,不利于系統克服擾動,余差太大,控制質量差,也沒有什么控制作用;比例度太大,控制作用太強,容易導致系統的穩定性變差,引發振蕩。
對于反應靈敏、放大能力強的被控對象,為提高系統的穩定性,應當使比例度稍小些;而對于反應遲鈍,放大能力又較弱的被控對象,比例度可選大一些,以提高整個系統的靈敏度,也可以相應減小余差。
單純的比例控制適用于擾動不大,滯后較小,負荷變化小,要求不高,允許有一定余差存在的場合。工業生產中比例控制規律使用較為普遍。
比例積分(PI)控制
比例控制規律是基本控制規律中zui基本的、應用zui普遍的一種,其zui大優點就是控制及時、迅速。只要有偏差產生,控制器立即產生控制作用。但是,不能zui終消除余差的缺點限制了它的單獨使用。克服余差的辦法是在比例控制的基礎上加上積分控制作用。
積分控制器的輸出與輸入偏差對時間的積分成正比。這里的“積分”指的是“積累”的意思。積分控制器的輸出不僅與輸入偏差的大小有關,而且還與偏差存在的時間有關。只要偏差存在,輸出就會不斷累積(輸出值越來越大或越來越小),一直到偏差為零,累積才會停止。所以,積分控制可以消除余差。積分控制規律又稱無差控制規律。
積分時間的大小表征了積分控制作用的強弱。積分時間越小,控制作用越強;反之,控制作用越弱。
積分控制雖然能消除余差,但它存在著控制不及時的缺點。因為積分輸出的累積是漸進的,其產生的控制作用總是落后于偏差的變化,不能及時有效地克服干擾的影響,難以使控制系統穩定下來。所以,實用中一般不單獨使用積分控制,而是和比例控制作用結合起來,構成比例積分控制。這樣取二者之長,互相彌補,既有比例控制作用的迅速及時,又有積分控制作用消除余差的能力。因此,比例積分控制可以實現較為理想的過程控制。
比例積分控制器是目前應用的一種控制器,多用于工業生產中液位、壓力、流量等控制系統。由于引入積分作用能消除余差,彌補了純比例控制的缺陷,獲得較好的控制質量。但是積分作用的引入,會使系統穩定性變差。對于有較大慣性滯后的控制系統,要盡量避免使用。
比例微分(PD)控制
比例積分控制對于時間滯后的被控對象使用不夠理想。所謂“時間滯后”指的是:當被控對象受到擾動作用后,被控變量沒有立即發生變化,而是有一個時間上的延遲,比如容量滯后,此時比例積分控制顯得遲鈍、不及時。為此,人們設想:能否根據偏差的變化趨勢來做出相應的控制動作呢?猶如有經驗的操作人員,即可根據偏差的大小來改變閥門的開度(比例作用),又可根據偏差變化的速度大小來預計將要出現的情況,提前進行過量控制,“防患于未然”。這就是具有“超前”控制作用的微分控制規律。微分控制器輸出的大小取決于輸入偏差變化的速度。
微分輸出只與偏差的變化速度有關,而與偏差的大小以及偏差是否存在與否無關。如果偏差為一固定值,不管多大,只要不變化,則輸出的變化一定為零,控制器沒有任何控制作用。微分時間越大,微分輸出維持的時間就越長,因此微分作用越強;反之則越弱。當微分時間為0時,就沒有微分控制作用了。同理,微分時間的選取,也是需要根據實際情況來確定的。
微分控制作用的特點是:動作迅速,具有超前調節功能,可有效改善被控對象有較大時間滯后的控制品質;但是它不能消除余差,尤其是對于恒定偏差輸入時,根本就沒有控制作用。因此,不能單獨使用微分控制規律。
比例和微分作用結合,比單純的比例作用更快。尤其是對容量滯后大的對象,可以減小動偏差的幅度,節省控制時間,顯著改善控制質量。
比例積分微分(PID)控制
zui為理想的控制當屬比例-積分-微分控制規律。它集三者之長:既有比例作用的及時迅速,又有積分作用的消除余差能力,還有微分作用的超前控制功能。
當偏差階躍出現時,微分立即大幅度動作,抑制偏差的這種躍變;比例也同時起消除偏差的作用,使偏差幅度減小,由于比例作用是持久和起主要作用的控制規律,因此可使系統比較穩定;而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個作用的控制參數選擇得當,便可充分發揮三種控制規律的優點,得到較為理想的控制效果。
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