黃文鑫:調節器的控制作用對過渡過程的影響
2023年01月30日 11:00:01
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定值控制系統在動態時，被控量是不斷變化的。被控量隨時間而變化的過程稱為控制系統的過渡過程。也就是系統從一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過程。具體說就是在外界干擾發生后，看被控參數偏離給定值的變化情況；如果偏離以后能很快平穩地回復到給定值，就認為該系統是好的。如果偏離的時間過長，距離過大，或回復不夠平穩，則認為該系統是差的。故系統在整定和運行中，衡量系統質量的依據就是系統的過渡過程。
當系統的輸入為階躍變化時，系統的過渡過程表現有發散振蕩、等幅振蕩、衰減振蕩、單調過程等形式。在多數情況下，都希望得到衰減振蕩的過渡過程，且認為如圖1所示的過渡過程，并把它作為衡量控制系統質量的依據。
圖1 過渡過程質量指標示意圖
選用該曲線作為控制系統質量指標的理由是：它次回復到給定值較快，以后雖然又偏離了，但偏離不大，并且只有極少數幾次振蕩就穩定下來了。定量地看，個波峰B的高度是第二個波峰B′高度的4倍，所以這種曲線又叫做4:1衰減曲線。在工程整定時，以能得到4:1的衰減過渡過程為，這時的調節器參數可叫參數。
正確判斷過渡過程曲線，對使用經驗法、臨界比例度法、衰減曲線法進行調節器參數整定時具有重要作用。這些方法都需要根據曲線是否達到臨界狀態和4:1狀態，來調整比例度、積分時間、微分時間參數。因此，就需要弄清楚比例度、積分時間、微分時間對過渡過程產生什么樣的影響。
1、比例度對過渡過程的影響
比例度越大，比例增益越小，過渡過程曲線越平緩，余差也越大；比例度越小，比例增益越大，則過渡過程曲線越振蕩，原因是比例度與放大倍數成反比關系。
若被控對象是較穩定、滯后較小、時間常數較大、放大系數較小時，調節器的比例度可以選得小一些，以提高系統的靈敏度，使反應快一些，這樣可以得到較好的過渡過程曲線。如果被控對象的滯后較大、時間常數較小、放大系數較大時，調節器的比例度應選得大些，才能達到穩定的要求。比例調節器雖然簡單，但應用得當是可以滿足很多使用要求的。通常比例度的選擇范圍是：溫度控制20%-60%，壓力控制30%-70%，流量控制40%-99%，液位控制20%-80%。調節器的比例度*對過渡過程質量指標的影響如表1所示。表1 比例度δ對過渡過程質量指標的影響
放大倍數Kc 小←→大 偏差A 大←→小比例度δ 大←→小 超調量B 小←→大 衰減系數ξ 大←→小 上升時間t 大←→小
衰減比B/B' 大←→小 振蕩周期Tp 大←→小穩定程度 更穩定←→不穩定 余差C 大←→小
2、積分時間對過渡過程的影響積分時間越大，積分作用越弱，過渡過程越平緩，消除余差越慢；積分時間越小，積分作用越強，會使過渡過程振蕩加強，消除余差就快。但積分時間對過渡過程的影響具有雙重性，即積分時間過大和過小都不合適，如果積分時間選大了，積分作用不明顯，消除余差會慢；但積分時間選小了，積分作用又不明顯，會使過渡過程的振蕩太強烈，穩定程度也會降低。
調節器的積分時間應根據被控對象的特性進行選擇，對于管道壓力、流量等滯后不大的對象，積分時間可選小些，對溫度控制由于其滯后大，積分時間應選得大些。通常積分時間的選擇范圍是：溫度控制3-10min，壓力控制0.4-3min，流量控制0.1-lmin，液位控制不用積分作用。調節器的積分時間Ti對過渡過程質量指標的影響如表2所示。
表2 積分時間Ti對過渡過程質量指標的影響
積分時間Ti 小←→大 上升時間tr 小←→大積分作用 強←→弱 振蕩周期Tp 小←→大穩定程度 不穩定←→更穩定 余差C 全部消除偏差A 小←→大
3、微分時間對過渡過程的影響
微分時間增大，微分作用越強，過渡過程趨于穩定，偏差越小。但微分時間太長，微分作用太強，又會增加過渡過程的波動。因此，微分時間應取適當的數值。一般溫度控制系統常需要微分作用，而其他控制系統則很少使用微分作用。因此在現場很難見到使用比例微分作用的場合。
微分作用的實質是不管偏差的大小及方向如何，它都能阻止被調參數的一切變化。因此微分作用加得恰當時，是能夠大大改善控制系統質量的。因為微分作用可以在被調參數突然劇烈變化一出現的時刻，立即產生一個較大的控制作用，即微分作用具有預先控制的性質，也就是人們常說的“超前調節”。
對于一般的控制系統而言，常見的是把比例、積分、微分三種規律結合，組成PID三作用調節器使用，這樣可以得到較滿意的控制質量。三種控制規律可概括如下：
①比例作用的輸出是與偏差成正比的；②積分作用輸出的變化速度與偏差值成正比；③微分作用的輸出與偏差的變化速度成正比；④三種作用的總結果是上述三者之和，可以從圖形上相加而得。同一對象在各種不同控制規律作用下的過渡過程曲線如圖2所示。
圖2 各種控制規律比較圖（1為比例微分作用；2為比例積分微分作用；3為比例作用；4為比例積分作用；5為積分作用）
從圖2中可看出，微分作用可減少過渡過程的偏差值和控制時間，可從曲線1與曲線3做比較，曲線2與曲線4做比較。
積分作用能夠消除余差，可從曲線4與曲線3做比較，但它會使過渡過程的最大偏差及控制時間增大。如果系統的滯后很大，積分作用更易引起振蕩。
三作用調節器由于有比例度、積分時間、微分時間三個可供選擇的參數，改變這些參數便可以適應生產過程的不同要求。對于現場使用的控制系統，主要是通過調整調節器的參數來改善控制質量，所以工作是很重要的。
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