PID控制的基本原理

1、PID 控制的基本原理1PID 控制概述當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)絕大部分是基于反饋概念的。反饋理論包括三個(gè)基本要素：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的是變量,并與期望值相比較,以此誤差來糾正和控制系統(tǒng)的響應(yīng)。反饋理論及其在自動(dòng)控制中應(yīng)用的關(guān)鍵是：做出正確測(cè)量與比較后,如何用于系統(tǒng)的糾正與調(diào)節(jié)。在過去的幾十年里,PID 控制,也就是比例積分微分控制在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天,在工業(yè)過程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID 結(jié)構(gòu),而且許多高級(jí)控制都是以 PID 控制為基礎(chǔ)的。PID 控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成,它的基本原理比較簡(jiǎn)單,基本的

2、PID 控制規(guī)律可描述為：15 / 15G(S ) = K P + K1 + K D S(1-1)PID 控制用途廣泛,使用靈活,已有系列化控制器產(chǎn)品,使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（KP,K I 和 KD）即可。在很多情況下,并不一定需要三個(gè)單元,可以取其中的一到兩個(gè)單元,不過比例控制單元是必不可少的。PID 控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）原理簡(jiǎn)單,使用方便,PID 參數(shù)KP 、K I 和 KD可以根據(jù)過程動(dòng)態(tài)特性變化,PID 參數(shù)就可以重新進(jìn)行調(diào)整與設(shè)定。（2）適應(yīng)性強(qiáng),按 PID 控制規(guī)律進(jìn)行工作的控制器早已商品化,即使目前最新式的過程控制計(jì)算機(jī),其基本控制效用也仍然是 PID 控制。PID 應(yīng)用范圍

3、廣,雖然很多工業(yè)過程是非線性或時(shí)變的,但通過適當(dāng)簡(jiǎn)化,也可以將其變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng),就可以進(jìn)行 PID 控制了。（3）魯棒性強(qiáng),即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不太敏感。但不可否認(rèn) PID 也有其固有的缺點(diǎn)。PID 在控制非線性、時(shí)變、偶合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不缺點(diǎn)的復(fù)雜過程時(shí),效果不是太好；最主要的是：如果 PID 控制器不能控制復(fù)雜過程,無論怎么調(diào)參數(shù)作用都不大。在科學(xué)技術(shù)尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的今天,雖然涌現(xiàn)出了許多新的控制方法,但 PID 仍因其自身的優(yōu)點(diǎn)而得到了最廣泛的應(yīng)用,PID 控制規(guī)律仍是最普遍的控制規(guī)律。PID 控制器是最簡(jiǎn)單且許多時(shí)候最好的控制器。在過程控制

4、中,PID 控制也是應(yīng)用最廣泛的,一個(gè)大型現(xiàn)代化控制系統(tǒng)的控制回路可能達(dá)二三百個(gè)甚至更多,其中絕大部分都采用 PID 控制。由此可見,在過程控制中,PID 控制的重要性是顯然的,下面將結(jié)合實(shí)例講述 PID控制。1.1.1 比例（P）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式,其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)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)定誤差。比例控制器的傳遞函數(shù)為：GC (S ) = KP(1- 2)式中,KP稱為比例系數(shù)或增益（視情況可設(shè)置為正或負(fù)）,一些傳統(tǒng)的控制器又常用比例帶（ProportionalBand, PB）,來取代比例系數(shù)KP,比例帶是比例系數(shù)的倒數(shù),比例帶也稱為比例度。對(duì)

5、于單位反饋系統(tǒng),0 型系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)際階躍信號(hào)R0 1(t)的穩(wěn)態(tài)誤差與其開環(huán)增益K 近視成反比,即：0t®¥對(duì)于單位反饋系統(tǒng),I 型系統(tǒng)響應(yīng)勻速信號(hào)(1- 3)R1 (t)的穩(wěn)態(tài)誤差與其開環(huán)增益 K v 近視成反比, 即:lime(t) =R1K V(1- 4)Slime(t) = 1 +RKt®¥P 控制只改變系統(tǒng)的增益而不影響相位,它對(duì)系統(tǒng)的影響主要反映在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性上,增大比例系數(shù)可提高系統(tǒng)的開環(huán)增益,減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,從而提高系統(tǒng)的控制精度,但這會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性,甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定,因此,在系統(tǒng)校正和設(shè)計(jì)中 P 控制一般

6、不單獨(dú)使用.具有比例控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示.KPH(S)圖 1.1 具有比例控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的特征方程式為:G0（S）D(s)=1+K pG0 H(s)=0(1- 5)下面的例子用以說明純比例控制的作用或比例調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)性能的影響.例1-1控制系統(tǒng)如圖 1.1 所示,其中G0 (s)為三階對(duì)象模型:10H(s)為單位反饋,對(duì)系統(tǒng)單采用比例控制,比例系數(shù)分別為 K p =0.1,2.0,2.4,3.0,3.5,試求各比例系數(shù)下系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng),并繪制響應(yīng)曲線.解:程序代碼如下:G=tf(1, conv(conv(1,1,2,1), 5,1);Kp=0.1,2.0,2.4,3.0

7、,3.5for i=1:5G=feedback(kp(i)*G,1);step(G)hold onendgtext (kp=0.1)gtext (kp=2.0)gtext (kp=2.4)gtext (kp=3.0)gtext (kp=3.5)響應(yīng)曲線如圖 1.2 所示.G (s)= (s +1)(2s +1)(5s +1)圖 1.2 例 1-1 系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖從圖 1.2 可以看出,隨著Kp值的增大,系統(tǒng)響應(yīng)速度加快,系統(tǒng)的超調(diào)隨著增加,調(diào)節(jié)時(shí)間也隨著增長(zhǎng).但Kp增大到一定值后,閉環(huán)將趨于不穩(wěn)定.1.2.2比例微分(PD)控制環(huán)節(jié)具有比例加微分控制規(guī)律的控制稱為 PD 控制,PD 的傳遞函數(shù)

8、為:Gc (s) = K p + K pt s(1- 6)其中,Kp為比例系數(shù),t 為微分常數(shù),Kp與t 兩者都是可調(diào)的參數(shù).具有 PD 控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1.3 所示。KP(1+ts)_H(S)圖 1.3 具有比例微分控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖PD 控制器的輸出信號(hào)為：G0（S）u(t)=Kpe(t) + K ptde(t)dt(1- 7)在微分控制中,控制器的輸入與輸出誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。微分控制反映誤差的變化率,只有當(dāng)誤差隨時(shí)間變化時(shí),微分控制才會(huì)對(duì)系統(tǒng)起作用,而對(duì)無變化或緩慢變化的對(duì)象不起作用。因此微分控制在任何情況下不能單獨(dú)與被控制對(duì)象串聯(lián)使用,而只能組成 PD

9、或 PID 控制。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)振蕩甚至不穩(wěn)定,其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）或有滯后的組件,具有抑制誤差的作用,其變化總是落后于誤差的變化。解決的方法是使抑制誤差變化的作用“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,在控制中引入“比例”項(xiàng)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(cè)誤差變化的趨勢(shì),這樣,具有“比例+微分”的控制器,就能提前使抑制誤差的作用等于零甚至為負(fù)值,從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。因此對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)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)性。另外,微分控制

10、對(duì)純時(shí)控制環(huán)節(jié)不能改善控制品質(zhì)而具有放大高頻噪聲信號(hào)的缺點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)設(shè)定值有突變時(shí),為了防止由于微分控制的突跳,常將微分控制環(huán)節(jié)設(shè)置在反饋回路中,這種做法稱為微分先行,即微分運(yùn)算只對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行,而不對(duì)設(shè)定信號(hào)進(jìn)行。例1- 2控制系統(tǒng)如圖 1.3 所示,其中Go (s) 為三階對(duì)象：1oH(s)為單位反饋,采用比例微分控制,比例系數(shù)Kp=2,微分系數(shù)分別取t =0,0.3,0.7,1.5,3,試求各比例微分系數(shù)下系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng),并繪曲線.解:Kp=2程序代碼如下: G=tf(1, conv(conv ( 11 2,1),5,1);Tou=0,0.3,0.7,1.5,3for i=1

11、:5G1=tf(kp*tou(i),kp,1)sys=feedback(G1*G,1);step(sys)hold onendgtext (tou=0)gtext (tou=0.3)gtext (tou=0.7)gtext (tou=1.5)gtext (tou=3)圖 1-4單位響應(yīng)曲線如圖 1.4 所示.例 1-2 系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖從圖 1.4 可以看出,僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)階響應(yīng)有相當(dāng)大的超調(diào)量和較強(qiáng)烈的振蕩,隨著微分作用的增強(qiáng),系統(tǒng)的超調(diào)量減小,穩(wěn)定性提高,上升時(shí)間縮短,快速性提高.1.2.3積分(I)控制具有積分控制規(guī)律的控制稱為積分控制,即 I 控制,I 控制的傳遞函數(shù)為:GC(s)

12、=Ksi(1- 8)其中,Ki稱為積分系數(shù)控制器的輸出信號(hào)為:U(t)=It0(1- 9)或者說,積分控制器輸出信號(hào) u(t) 的變化速率與輸入信號(hào) e(t)成正比,即:G (s) = (s +1)(2s +1)(5s +1) , ,K ò e(t) dtdu(t)dt= K I e(t)(1-10)對(duì)于一個(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)系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng).為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器必須引入”積分項(xiàng)”.積分項(xiàng)對(duì)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)增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小,直到等于零.通常,采用積分控制器的主要目的就是使用系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差,由

13、于積分引入了相位滯后,使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差,增加積分器控制對(duì)系統(tǒng)而言是加入了極點(diǎn),對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)而言是可消除穩(wěn)態(tài)誤差,但這對(duì)瞬時(shí)響應(yīng)會(huì)造成不良影響,甚至造成不穩(wěn)定,因此,積分控制一般不單獨(dú)使用,通常結(jié)合比例控制器組成比例積分(PI)控制器.1.2.4比例積分(PI)控制具有比例加積分控制規(guī)律的控制稱為比例積分控制器,即 PI 控制,PI 控制的傳遞函數(shù)為:K P 1 =iæ öK p ç T i ÷s(1-11)其中,Kp為比例系數(shù),Ti稱為積分時(shí)間常數(shù),兩者都是可調(diào)的參數(shù).控制器的輸出信號(hào)為:u(t) = K p e(t) +tpi 0(1-12)PI 控制

14、器可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差.PI 控制器在與被控對(duì)象串聯(lián)時(shí),相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn),同時(shí)也增加了一個(gè)位于s 左半平面的開環(huán)零點(diǎn).位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別,以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能;而增加的負(fù)實(shí)部零點(diǎn)則可減小系統(tǒng)的阻尼程度,緩和 PI 控制器極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生的不利影響.在實(shí)際工程中,PI 控制器通常用來改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能.例1- 3單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)G0 (s) 為:10采用比例積分控制,比例系數(shù)Kp=2,積分時(shí)間常數(shù)分別取Ti=3,6,14,21,28,試求各比例積分系數(shù)下系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng),并繪制響應(yīng)曲線.

15、解:程序代碼如下:G=tf(1,conv(conv ( 11 2,1),5,1);kp=2ti=3,6,14,21,28for i=1:5G1=tf(kp, kp / ti(i), 1,0)sys=feedback(G1*G,1);step(sys)hold onendgtext (ti=3)gtext (ti=6)gtext (ti=14)gtext (ti=21)Gc (s) = K p + T sç s + 1 ÷è øK e(t)dtT òG (s) = (s +1)(2s +1)(5s +1) , ,gtext (ti=28)圖 1.

16、5響應(yīng)曲線如圖 1.5 所示.例 1-3 系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖從圖 1.5 可以看出,隨著積分時(shí)間的減少,積分控制作用增強(qiáng),閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。1.2.5比例積分微分(PID)控制具有比例+積分+微分控制規(guī)律的控制稱為比例積分微分控制,即 PID 控制,PID 控制的傳遞函數(shù)為:Gc (s) = Kp+KTpi1s K pts(1-13)其中,Kp為比例系數(shù),T i 為微分時(shí)間常數(shù), t為微分時(shí)間常數(shù),三者都是可調(diào)的參數(shù).PID 控制器的輸出信號(hào)為:u(t) = K p e(t) +T i 0ptpde(t)(1-14)PID 控制器的傳遞函數(shù)可寫成:U (s)E(s)=pi2(1-15)PI 控

17、制器與被控對(duì)象串聯(lián)連接時(shí),可以使系統(tǒng)的型別提高一級(jí),而且還提供了兩個(gè)負(fù)實(shí)部的零點(diǎn).與 PI控制器相比,PID 控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能的優(yōu)點(diǎn)外,還多提供了一個(gè)負(fù)實(shí)部零點(diǎn),因此在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)方面提供了很大的優(yōu)越性.在實(shí)際過程中,PID 控制器被廣泛應(yīng)用.PID 控制通過積分作用消除誤差,而微分控制可縮小超調(diào)量,加快反應(yīng),是綜合了 PI 控制與 PD 控制長(zhǎng)處并去除其短處的控制.從頻域角度看,PID 控制通過積分作用于系統(tǒng)的低頻段,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而微分作用于系統(tǒng)的中頻段,以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能.2.Ziegler-Nichols 整定方法Ziegler-Nichols 法是一種基

18、于頻域設(shè)計(jì) PID 控制器的方法.基于頻域的參數(shù)整定是需要參考模型的,首先需要辨識(shí)出一個(gè)能較好反映被控對(duì)象頻域特性的二階模型。根據(jù)模型,結(jié)合給定的性能指標(biāo)可推導(dǎo)出公式,而后用于 PID 參數(shù)的整定?；陬l域的設(shè)計(jì)方法在一定程序上回避了精確的系統(tǒng)建模,而且有較為明確的物理意義,比常規(guī)的 PID 控制可適應(yīng)的場(chǎng)合更多。目前已經(jīng)有一些基于頻域設(shè)計(jì) PID 控制器的方法,如 Ziegler-Nichols法,它是最常用的整定 PID 參數(shù)的方法。Ziegler-Nichols 法是根據(jù)給定對(duì)象的瞬態(tài)響應(yīng)來確定 PID 控制器的參數(shù)。Ziegler-Nichols 法首先通過實(shí)驗(yàn),獲取控制對(duì)象單位階躍響

19、應(yīng),如圖 2.1 所示。+K e(t)dt +òK t dtK T ts +T s +1iiTsL圖 2.1TS 形響應(yīng)曲線如果單位階躍響應(yīng)曲線看起來是一條 S 形的曲線,則可用此法,否則不能用。S 形曲線用延時(shí)時(shí)間 L 和時(shí)間常數(shù) T 來描述,對(duì)象傳遞函數(shù)可近似為：C(s)R(s)=Ke-LsTs +1(2 -1)利用延時(shí)時(shí)間 L、放大系數(shù) K 和時(shí)間常數(shù) T,根據(jù)表 2.1 中的公式確定Kp,Ti和t的值。表 2.1Ziegler-Nichols 法整定控制器參數(shù)例2 -1已知如圖 2.2 所示的控制系統(tǒng)。_圖 2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Gc(s)G0（S）系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)Go (s

20、) 為：o8-180s試采用 Ziegler-Nichols 整定公式計(jì)算系統(tǒng) P、PI、PID 控制器的參數(shù),并繪制整定后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。解：PID 參數(shù)設(shè)定是一個(gè)反復(fù)調(diào)整測(cè)試的過程,使用 Simulink 能大大簡(jiǎn)化這一過程。根據(jù)題意,建立如圖 2.3所示的 Simulink 模型。控制器類型比例度 d / %積分時(shí)間T i微分時(shí)間tPT(K ´ L)¥0PIT0.9 ·(K ´ L)L0.30PIDT1.2 ·(K ´ L)2.2L0.5LG (s) = (360s +1) e圖 2.3例 2-1 系統(tǒng) Simulink

21、 模型圖中,“Integator”為積分器,“Derivative”為微分器,“Kp”為比例系數(shù)Kp,“ 1/Ti”為積分時(shí)間常數(shù)Ti,“tou ”為微分時(shí)間常數(shù)t 。進(jìn)行 P 控制器參數(shù)整定時(shí),微分器和積分器的輸出不連到系統(tǒng)中,在Simulink 中,把微分器和積分器的連線斷開。Ziegler-Nichols 整定的第一步是獲取開環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng),在 Simulink 中,把反饋連線、微分器的輸出連線、積分器的輸出連線都斷開,“Kp”的值置為 1,設(shè)定仿真時(shí)間（注意：如果系統(tǒng)滯后比較大,則應(yīng)相應(yīng)延長(zhǎng)仿真時(shí)間）,仿真運(yùn)行得到下圖 2.4。圖 2.4 系統(tǒng)開環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線圖 2.5 系統(tǒng)

22、 P 控制時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線按照 S 形響應(yīng)曲線的參數(shù)求法,大致可以得到系統(tǒng)延遲時(shí)間 L、放大系數(shù) K 和時(shí)間常數(shù) T 如下：L=180, T=540-180=360, K=8。如果從示波器的輸出不好看出這 3 個(gè)參數(shù),可以將系統(tǒng)輸出導(dǎo)入到 MATLAB 的工作空格中,然后編寫相應(yīng)的m 文件求取這 3 個(gè)參數(shù)。根據(jù)表 2.1,可知 P 控制爭(zhēng)整定時(shí),比例放大系數(shù)Kp=0.25,將“Kp”的值置為 0.25,連接反饋回路,仿真運(yùn)行,雙擊“Scope”得到如圖 2.5 所示結(jié)果,它是 P 控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。根據(jù)表 2.1,可知 PI 控制整定時(shí),比例放大系數(shù)Kp=0.225,積分時(shí)間常數(shù)“

23、T i ”=594,將“ Kp”的值置為 0.225,“1/T i ”的值置為 1/594,將積分器的輸出連線連上,仿真運(yùn)行,得到如圖 2.6 所示的結(jié)果,它是 PI 控制時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。圖 2.6 系統(tǒng) PI 控制時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線圖 2.7 系統(tǒng) PID 控制時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線根據(jù)表 2.1,可知 PID 控制整定時(shí),比例放大系數(shù)Kp=0.3,積分時(shí)間常數(shù)T i =396,微分時(shí)間常數(shù) t =90,將“Kp”的值置為 0.3,“1/T i ”的值置為 1/396,“tou”的值置為 90,將微分器的輸出連線連上,仿真運(yùn)行,運(yùn)行完畢后,雙擊“Scope”得到如圖 2.7 所示的結(jié)果

24、,它是 PID 控制時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。由圖 2.5、圖 2.6 和圖 2.7 對(duì)比可以看出,P 控制和 PI 控制兩者的響應(yīng)速度基本相同,因?yàn)檫@兩種控制的比例系數(shù)不同,因此系統(tǒng)穩(wěn)定的輸出值不同。PI 控制的超調(diào)量比 P 控制的要小,PID 控制比 P 控制和 PI 控制的響應(yīng)速度快,但是超調(diào)量要大些。例2 - 2已知如圖 2.2 所示的控制系統(tǒng),其中系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)1.67 8.22-1.5soGo （s）為：試采用 Ziegler-Nichols 整定公式計(jì)算系統(tǒng) P、PI、PID 控制器的參數(shù),并繪制整定后的單位階躍響應(yīng)曲線。解：根據(jù)題意,建立如圖 2.8 所示的 Simulink 模型。圖 2.8例 2-2 系統(tǒng) Simulink 模型Ziegler-Nichols 整定的第一步是獲取開環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng),在 Simulink 中,把反饋連線、微分器的輸出連線、積分器的輸出連線都斷開,“Kp”的值置為 1,選定仿真時(shí)（注意：如果系統(tǒng)滯后比較大,則應(yīng)相應(yīng)加大仿真時(shí)間）,仿真運(yùn)行,運(yùn)行完畢后,雙擊“Scope”得到如圖 2.9 的結(jié)果。圖 2.9 例 2-2 系統(tǒng)開環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線圖 2.10 P 控制時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響