控制系統(tǒng)各種分類的方法

1、一、控制系統(tǒng)各種分類的方法（l ）如果按被控變量可劃分為：溫度、壓力、液位、流量和成 分等控制系統(tǒng)。這是一種常見的分類。（2）如果按被控系統(tǒng)中控制儀表及裝置所用的動(dòng)力和傳遞信號 的介質(zhì)可劃分為：氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)、機(jī)械式等控制系統(tǒng)。如圖 l 4 所示就是一個(gè)機(jī)械式液位控制系統(tǒng)；圖 1-5 所示是一個(gè)電動(dòng)式 液位控制系統(tǒng)；如果圖I 5中的LT和LC用氣動(dòng)儀表代替，閥門也 采用氣動(dòng)的，就構(gòu)成氣動(dòng)控制系統(tǒng)。（3）如果按被控制對象可劃分為：流體輸送設(shè)備、傳熱設(shè)備、 精餾塔和化學(xué)反應(yīng)器控制系統(tǒng)等。（4）按調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律可劃分為：比例控制、積分控制、微 分控制、比例積分控制、比例微分控制、比例積分微分控制

2、等。（5）按系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)可劃分為：單回路簡單控制系統(tǒng)；串級、 比值、選擇性、分程、前饋和均勻等常規(guī)復(fù)雜控制系統(tǒng)；解耦、預(yù) 測、推斷和自適應(yīng)等先進(jìn)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等。（6）按結(jié)定值的變化情況可劃分為：定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制 系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。二、PID控制的原理和特點(diǎn) 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、 微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已 有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便 而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完 全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采 用時(shí)，系統(tǒng)控

3、制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定， 這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和 被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合 用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器 就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控 制的。1. 比例(P)控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤 差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差 ( Steady-state error )。2. 積分( I )控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān) 系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)

4、入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱 這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)( SystemwithSteady-state Error )。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加， 積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加 而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等 于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn) 態(tài)誤差。3.微分(D)控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差 的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可 能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有

5、較大慣性組件（環(huán)節(jié)） 或有滯后 （delay） 組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤 差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在 誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器 中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的 幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢， 這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用 等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較 大慣性或滯后的被控對象，比例+ 微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié) 過程中的動(dòng)態(tài)特性。PID （比例，積分，微分）控制沒有看起來那么 復(fù)雜，

6、閱讀下面簡單的實(shí)現(xiàn)步驟，效果立竿見影。雖然控制系統(tǒng)的問題需要大量專業(yè)知識，但是大多數(shù)控制系統(tǒng) 問題能用簡單的方法來解決，根本就不訴諸任何控制理論。PID控制器以各種形式使用超過了 1 個(gè)世紀(jì)，廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)備、氣動(dòng) 設(shè)備和電子設(shè)備。采用微處理器的數(shù)字 PID控制器已經(jīng)出現(xiàn)，正如 你即將看到，嵌入一個(gè)PID控制器到你的代碼中是一個(gè)簡單的任務(wù)。PID 實(shí)指“比例 proportional ”、“積分 integral ”、“微分 derivative ”，這三項(xiàng)構(gòu)成PID基本要素。每一項(xiàng)完成不同任務(wù)， 對系統(tǒng)功能產(chǎn)生不同的影響 常被稱為plant）反饋信號的組合作為PID控制器三項(xiàng)的輸入，三項(xiàng)

7、的輸出相加起來形成PID系統(tǒng)的控制輸出。（一）在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，P、I、D調(diào)節(jié)是比例調(diào)節(jié)，積分調(diào)節(jié)和微分 調(diào)節(jié)作用。調(diào)節(jié)控制質(zhì)量的好壞取決于控制規(guī)律的合理選取和參數(shù) 的整定。在控制系統(tǒng)中總是希望被控參數(shù)穩(wěn)定在工藝要求的范圍內(nèi)。 但在實(shí)際中被控參數(shù)總是與設(shè)定值有一定的差別。調(diào)節(jié)規(guī)律的選取 原則為：調(diào)節(jié)規(guī)律有效，能迅速克服干擾。下面介紹比例、積分、 微分之間的聯(lián)系與相匹配使用效果：（1）比例調(diào)節(jié)簡單，控制及時(shí)，參數(shù)整定方便，控制結(jié)果有余 差。因此，比例控制規(guī)律適應(yīng)于對象容量大負(fù)荷變化不大純滯后小， 允許有余差存在的系統(tǒng)，一般可用于液位、次要壓力的控制。（2）比例積分控制作用：為比例及時(shí)加上積分可以

8、消除偏差。 積分會(huì)使控制速度變慢，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。比例積分適應(yīng)于對象滯 后大，負(fù)荷變化較大，但變化速度緩慢并要求控制結(jié)果沒有余差。 廣泛使用于流量，壓力，液位和那些沒有大的時(shí)間滯后的具體對象。（3）比例微分控制作用：響應(yīng)快、偏差小，能增加系統(tǒng)穩(wěn)定性， 有超前控制作用，可以克服對象的慣性，控制結(jié)果有余差。適應(yīng)于 對象滯后大，負(fù)荷變化不大，被控對象變化不頻繁，結(jié)果允許有余 差的系統(tǒng)。在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，E=SP-PV其中，E為偏差，SP為給定值,PV為測量值。當(dāng)SP大于PV時(shí)為正偏差，反之為負(fù)偏差。（4）比例調(diào)節(jié)作用的動(dòng)作與偏差的大小成正比； 當(dāng)比例度為 100時(shí)，比例作用的輸出與偏差按各自量程范圍

9、的 1：1動(dòng)作。當(dāng)比例 度為 10 時(shí)，按 lO：l 動(dòng)作。即比例度越小。比例作用越強(qiáng)。比例作用 太強(qiáng)會(huì)引起振蕩。太弱會(huì)造成比例欠調(diào)，造成系統(tǒng)收斂過程的波動(dòng) 周期太多，衰減比太小。其作用是穩(wěn)定被調(diào)參數(shù)。（5）積分調(diào)節(jié)作用的動(dòng)作與偏差對時(shí)間的積分成正比。 即偏差 存在積分作用就會(huì)有輸出。它起著消除余差的作用。積分作用太強(qiáng) 也會(huì)引起振蕩，太弱會(huì)使系統(tǒng)存在余差。（6）微分調(diào)節(jié)作用的動(dòng)作與偏差的變化速度成正比。 其效果是 阻止被調(diào)參數(shù)的一切變化，有超前調(diào)節(jié)的作用。對滯后大的對象有 很好的效果。但不能克服純滯后。適用于溫度調(diào)節(jié)。使用微分調(diào)節(jié) 可使系統(tǒng)收斂周期的時(shí)間縮短。微分時(shí)間太長也會(huì)引起振蕩。（ 7）

10、參數(shù)設(shè)定的一般方法： 先比例次積分后微分的順序進(jìn)行。 看曲線調(diào)參數(shù)，從調(diào)節(jié)品質(zhì)的曲線逐步找到最佳參數(shù)在隨動(dòng)系統(tǒng)中，采用數(shù)字 PI 控制可以達(dá)到控制精度高、無超調(diào)、 響應(yīng)快、曲線擬合精度高等優(yōu)點(diǎn)，并簡化了控制電路。傳統(tǒng)的位置 式 PI 算法一般是可以達(dá)到基本控制要求，但必須有一個(gè)前提：控制 周期要足夠小。如果控制周期過長，曲線擬合差，要達(dá)到 15的曲 線擬合誤差有點(diǎn)困難，甚至可能會(huì)造成系統(tǒng)失控，并造成對機(jī)械設(shè) 備的損傷。因此，針對本文所提到的控制系統(tǒng)，不能簡單的采用位置式 PI 算法，而應(yīng)該對其進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)該控制系統(tǒng)的要求比例系數(shù)K是和每次采樣的偏差值有直接關(guān)系，因此提高 Kp能使 系統(tǒng)響應(yīng)

11、較快；同時(shí)積分系數(shù)區(qū)尾和前面所有的采樣偏差值有關(guān)， 由于采樣周期長，每次采樣的誤差影響較大，因此降低積分系數(shù)對 提高控制精度有好處。但提高比例系數(shù)和降低積分系數(shù)會(huì)使計(jì)算機(jī) 每次輸出值的變化較大。（二）PID控制（實(shí)際中還有僅用到PI和PD的控制），就是根據(jù)系統(tǒng)的誤 差或者加上系統(tǒng)誤差的變化率，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制 量進(jìn)行控制。任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)目標(biāo)是使系統(tǒng)的響應(yīng)達(dá)到快 （快速）、準(zhǔn)（準(zhǔn)確）、穩(wěn)（穩(wěn)定）的最佳狀態(tài)，PID調(diào)整的主要工作就是 如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。增大比例 P項(xiàng)將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，其作用是放大 誤差的幅值，它能快速影響系統(tǒng)的控制輸出值，但僅靠比例系數(shù)的 作用，系統(tǒng)不能很好地

12、穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值，其結(jié)果是雖較能有 效地克服擾動(dòng)的影響，但有穩(wěn)態(tài)誤差出現(xiàn)。過大的比例系數(shù)還會(huì)使 系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變差。積分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，它能對穩(wěn)定后有累積誤差的系統(tǒng) 進(jìn)行誤差修整，減小穩(wěn)態(tài)誤差。在積分控制中，控制器的輸出與輸 入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入 穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)為有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn) 態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分項(xiàng)。積分項(xiàng)對誤差的作用取決于 時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很 小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出向穩(wěn) 態(tài)誤差減小的方向變化，直到穩(wěn)態(tài)誤差等于零

13、。微分具有超前作用，對于具有滯后的控制系統(tǒng)，引入微分控制， 在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)有著顯 著效果，它可以使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，動(dòng)態(tài)誤差減小。 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分 （ 即誤差的變化 率） 成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn) 振蕩甚至失穩(wěn)，其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或滯后的被控對 象，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的 辦法是使抑制誤差作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制 誤差的作用就應(yīng)該是零。微分項(xiàng)能預(yù)測誤差變化的趨勢，從而做到 提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避

14、免了被控 量的嚴(yán)重超調(diào)，改善了系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。（三）PID 控制器參數(shù)調(diào)節(jié)的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論 計(jì)算法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算來確定控制 器參數(shù)，這種方法可能會(huì)由于系統(tǒng)模型的不精確性使得所得到的 PID 參數(shù)不能直接應(yīng)用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改；二是工 程方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，該 方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。工程實(shí)際中， PID 控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)方法主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。 3 種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公 式對控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。但無論采用哪一

15、種方法所得到的控制器 參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的 是臨界比例法，利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)步驟如下： 首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； 僅加入比例控制 環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)表現(xiàn)出臨界振蕩，記下這時(shí)的比 例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； 在一定的控制度下通過公式計(jì)算得 到PID控制器的參數(shù)。PID控制器參數(shù)的調(diào)試實(shí)例當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)的各項(xiàng) 基本參數(shù)設(shè)定后，接下來是調(diào)整 PID參數(shù)以取得最理想的控制效果。 下面以控制目標(biāo)為恒定轉(zhuǎn)速的柴油機(jī)電站的 PID調(diào)節(jié)器為例，具體說 明工程法的調(diào)節(jié)步驟。(1) 比例參數(shù)：在保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)應(yīng)使用最大比例增益。

16、增加比 例增益直到轉(zhuǎn)速開始波動(dòng)，然后減小比例增益直到波動(dòng)停止。如果 一直沒有轉(zhuǎn)速波動(dòng)，則抖動(dòng)執(zhí)行器連桿，然后減小比例增益直到波 動(dòng)停止。但比例增益太大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)振蕩，這時(shí)應(yīng)減小比 例增益。(2) 積分參數(shù)：在保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)應(yīng)使用最大積分增益。增加積 分增益直到轉(zhuǎn)速開始波動(dòng)，然后減小積分增益直到波動(dòng)停止。如果 一直沒有轉(zhuǎn)速波動(dòng)，則抖動(dòng)執(zhí)行器連桿，然后減小積分增益直到波 動(dòng)停止。但積分增益太大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)振蕩，這時(shí)應(yīng)減小積 分增益。(3) 微分參數(shù)：增加微分增益直到出現(xiàn)反應(yīng)對負(fù)載瞬變有最小的 超調(diào)量。但微分增益太大也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)振蕩，這時(shí)應(yīng)減小微分增益。(4) PID 調(diào)整順序

17、：調(diào)試時(shí)，可以先調(diào)比例參數(shù)，然后調(diào)積分參 數(shù)，最后調(diào)微分參數(shù)，之后再調(diào)比例參數(shù)和積分參數(shù)。如果需要， 重復(fù)進(jìn)行(1)(3)步驟，直至達(dá)到理想的效果。PID控制是工程實(shí)際 中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，它具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、 工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際在線調(diào)試中，需要遵循一定 的規(guī)律，掌握一定的調(diào)試技巧才能又快又好地將控制系統(tǒng)調(diào)整到最 佳的效果。溫度控制系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變性和滯后性的特性，并 且鍋爐水溫控制系統(tǒng)中的循環(huán)水也是強(qiáng)干擾，增加了系統(tǒng)控制的復(fù) 雜性，常規(guī)PID控制效果不太理想，而模糊PID參數(shù)自整定控制算法 對于解決溫度系統(tǒng)中的非線性、時(shí)變性和大延時(shí)起到明顯的改善效 果，對干擾也具有較好的抑制詞節(jié)能力。當(dāng)前絕大多數(shù)生產(chǎn)過程的 自動(dòng)控制系統(tǒng)中采用的自動(dòng)控制裝置，盡管它們的結(jié)構(gòu)不同，但是 它們具有的控制規(guī)律都是比例、積分和微分規(guī)律(即PID控制規(guī)律)， 敵稱之為PID控制器。在生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的發(fā)展過程中，PID控制