比例式調(diào)節(jié)及其基本原理

1、一、 連續(xù)比例調(diào)節(jié)比例的符號(hào)為P，凡比例式調(diào)節(jié)的儀表，均應(yīng)有一合適（如5%）的比例帶，比例帶的含義是使儀表的輸出從最大改變到最小時(shí)，所需輸入信號(hào)的變化量占儀表全量程的百分比。比例帶設(shè)置得越小，相等的輸入信號(hào)變化量可使輸出有更大的改變，反之亦然。比例帶的作用是使儀表的調(diào)節(jié)輸出與設(shè)定偏差之間有一段逆向的、幾近線性特性的調(diào)節(jié)區(qū)域，在比例帶內(nèi)，輸入信號(hào)的連續(xù)增加將使儀表的調(diào)節(jié)輸出成比例地連續(xù)下降，直至輸入增加到比例帶的上限值時(shí)，信鋪的輸出降低為零。連續(xù)調(diào)節(jié)儀表的輸出方式一般可分為可控硅移相觸發(fā)方式和可逆電機(jī)驅(qū)動(dòng)電感式調(diào)壓器方式，前者使用壽命長(zhǎng)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但有射頻干擾，如不加處理易對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染。

2、后者使用壽命短，比較笨重，除了有特殊要求的場(chǎng)合外，一般已很少采用。二、 時(shí)間比例調(diào)節(jié)與上述連續(xù)比例式調(diào)節(jié)相比，時(shí)間比例式調(diào)節(jié)的差別在于其對(duì)負(fù)載的調(diào)節(jié)是用脈寬調(diào)制方式，以改變單位時(shí)間（即周期）內(nèi)平均加熱功率的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果一個(gè)1000瓦的電爐在30秒鐘周期內(nèi)通電15秒鐘，斷電15秒鐘，那么在這個(gè)周期內(nèi)，電爐實(shí)際得到的加熱功率為50%，即500瓦。依次類(lèi)推，就可以用簡(jiǎn)單的繼電器觸點(diǎn)通與斷之間的時(shí)間比值，即用改變“接通”與“關(guān)斷”二者占空比的辦法，模擬輸出具有相當(dāng)分辯率的連續(xù)量。由于多數(shù)情況下被控對(duì)象有較大的熱容量，幾十秒鐘的通斷周期不會(huì)表現(xiàn)在被控對(duì)象的溫度速變上，因此有很寬的應(yīng)用范圍

3、。時(shí)間比例調(diào)節(jié)故又稱(chēng)作斷續(xù)式比例調(diào)節(jié)。在用半導(dǎo)體固態(tài)繼電器或可控硅作2秒鐘左右短周期的時(shí)間比例調(diào)節(jié)的系統(tǒng)中，由于周期的縮短，其實(shí)際調(diào)節(jié)效果與連續(xù)比例調(diào)節(jié)已幾乎無(wú)差別，且具有無(wú)噪音，長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，過(guò)零觸發(fā)型還有無(wú)電源污染等優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用已越來(lái)越廣泛。時(shí)間比例調(diào)節(jié)的基本原理當(dāng)實(shí)際溫度進(jìn)入儀表的下比例帶時(shí)，繼電器即開(kāi)始周期性地釋放、吸合，靠改變吸與放的時(shí)間之比值來(lái)改變加熱負(fù)載上的平均加熱功率，從而改變溫度的目的。吸放的時(shí)間同設(shè)定值與測(cè)量值的偏差成正比，即偏差越大，單位時(shí)間（即吸放周期T）內(nèi)吸合時(shí)間越長(zhǎng)，反之越短；當(dāng)偏差為零時(shí)，吸放時(shí)間相等；而出現(xiàn)負(fù)偏差時(shí)，吸合時(shí)間比釋放時(shí)間短，直至測(cè)量值到達(dá)比例帶上限

4、，繼電器不再吸合，負(fù)載上無(wú)輸出。繼電器的吸合與否一般由儀表面板上的輸出指示燈來(lái)表示，點(diǎn)亮表示吸合，熄滅表示斷開(kāi)。繼電器吸合時(shí)間T1和釋放時(shí)間T2之和為時(shí)間比例的周期。而吸合時(shí)間T1與周期T之比為時(shí)間比值。當(dāng)測(cè)量值小于比例帶下限時(shí)，負(fù)載上的電壓為90%以上，當(dāng)進(jìn)入比例帶后，負(fù)載上的加熱電壓逐漸下降，當(dāng)測(cè)量值達(dá)到比例帶上限時(shí)，加熱電壓降至供電電壓的5%以下。與位式調(diào)節(jié)相比，時(shí)間比例式調(diào)節(jié)對(duì)負(fù)載的調(diào)節(jié)是由偏差決定、連續(xù)改變輸出量的大小這一方式去實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)節(jié)結(jié)果的波動(dòng)較小。在有擾動(dòng)時(shí)，被控對(duì)象能很快趨向平穩(wěn)。在比例帶值合適的情況下，不會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的振蕩現(xiàn)象。比例調(diào)節(jié)的靜差比例或時(shí)間比例調(diào)節(jié)在系統(tǒng)穩(wěn)定

5、后，其實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值之間有時(shí)會(huì)有一個(gè)偏差，即調(diào)節(jié)的結(jié)果值與設(shè)置的目標(biāo)值之間有一差值，專(zhuān)業(yè)上稱(chēng)之為“靜差”，靜差一般為數(shù)攝氏度，可正可負(fù)。靜差的大小和方向取決于全輸出時(shí)加熱功率的高低、環(huán)境溫度或電網(wǎng)電壓的改變和比例帶的大小等多種原因。注：比例或時(shí)間比例調(diào)節(jié)的儀表不適用于制冷及空調(diào)系統(tǒng)。比例、積分、微分（PID）調(diào)節(jié)PID是比例（P）、積分（I）、微分（D）作用的簡(jiǎn)稱(chēng)，儀表的比例帶在系統(tǒng)調(diào)節(jié)中所起的作用已在前面的比例式儀表中闡述，不再重復(fù)。 1. PID調(diào)試步驟     沒(méi)有一種控制算法比PID調(diào)節(jié)規(guī)律更有效、更方便的了?，F(xiàn)在一些時(shí)髦點(diǎn)的調(diào)節(jié)器基本源

6、自PID。甚至可以這樣說(shuō)：PID調(diào)節(jié)器是其它控制調(diào)節(jié)算法的嗎。     為什么PID應(yīng)用如此廣泛、又長(zhǎng)久不衰？     因?yàn)镻ID解決了自動(dòng)控制理論所要解決的最基本問(wèn)題，既系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力，同時(shí)，在PID調(diào)節(jié)器中引入積分項(xiàng)，系統(tǒng)增加了一個(gè)零積點(diǎn)，使之成為一階或一階以上的系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。     由于自動(dòng)控制系統(tǒng)被控對(duì)象的千差萬(wàn)別，PID的參數(shù)也必須隨之變化，以滿足系統(tǒng)的性能要求。這就給使用者帶來(lái)相

7、當(dāng)?shù)穆闊?，特別是對(duì)初學(xué)者。下面簡(jiǎn)單介紹一下調(diào)試PID參數(shù)的一般步驟：     1負(fù)反饋     自動(dòng)控制理論也被稱(chēng)為負(fù)反饋控制理論。首先檢查系統(tǒng)接線，確定系統(tǒng)的反饋為負(fù)反饋。例如電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，輸入信號(hào)為正，要求電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，反饋信號(hào)也為正（PID算法時(shí)，誤差=輸入-反饋），同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，反饋信號(hào)越大。其余系統(tǒng)同此方法。     2PID調(diào)試一般原則     a.在輸出不振蕩時(shí)，增大比例增益P。     b.在輸出不振蕩時(shí)，減小積分時(shí)間常數(shù)Ti。

8、     c.在輸出不振蕩時(shí)，增大微分時(shí)間常數(shù)Td。     3一般步驟     a.確定比例增益P     確定比例增益P 時(shí)，首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是令Ti=0、Td=0（具體見(jiàn)PID的參數(shù)設(shè)定說(shuō)明），使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過(guò)來(lái)，從此時(shí)的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益P為當(dāng)前值的60%70%。比例增益P調(diào)試完成。 

9、0;   b.確定積分時(shí)間常數(shù)Ti     比例增益P確定后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過(guò)來(lái)，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的Ti，設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%180%。積分時(shí)間常數(shù)Ti調(diào)試完成。     c.確定微分時(shí)間常數(shù)Td     積分時(shí)間常數(shù)Td一般不用設(shè)定，為0即可。若要設(shè)定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時(shí)的30%。     d.系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對(duì)

10、PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。     2.PID控制簡(jiǎn)介     目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器傳感器變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口執(zhí)行機(jī)構(gòu)加到被控系統(tǒng)上控制系統(tǒng)的被控量經(jīng)過(guò)傳感器變送器通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)其傳感器變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電

11、加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。 可編程控制器(PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Ro

12、ckwell的PLC-5等。還有可以實(shí)現(xiàn)PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。     1、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)     開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒(méi)有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。     2、閉環(huán)控制系統(tǒng)     閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-lo

13、op control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱(chēng)為負(fù)反饋( Negative Feedback)，若極性相同，則稱(chēng)為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱(chēng)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過(guò)不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。如果沒(méi)有眼睛，就沒(méi)有了反饋回路，也就成了一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源，它就

14、是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。     3、階躍響應(yīng)     階躍響應(yīng)是指將一個(gè)階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差。控制系統(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)字來(lái)描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability)，一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)(Steady-state error)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時(shí)間來(lái)定量描述。 

15、0;   4、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(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)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(duì)象或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)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

16、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。     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)態(tài)誤差（Steady-state error）。     積分（I）控制     在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)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(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)（Syste

17、m with Steady-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(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。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(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。     微分（D）控制     在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)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(guò)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組件（環(huán)

18、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(shuō)，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(cè)誤差變化的趨勢(shì)，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(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(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。     5、PID控制器的參數(shù)整定   &#

19、160; PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，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，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一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)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨