應(yīng)用LabVIEW實(shí)現(xiàn)PID控制功能

應(yīng)用LabVIEW實(shí)現(xiàn)PID控制功能文檔編制序號(hào)：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]Y01作為虛擬儀器的主流開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，圖形語(yǔ)言(GraphicalLanguage)在測(cè)試系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。優(yōu)秀的圖形語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境使LabVIEW不僅包括了開(kāi)發(fā)虛擬儀器面板的各種對(duì)象和進(jìn)行信號(hào)分析的豐富的函數(shù)，而且提供了外掛的PID控制工具包，使用戶可以將虛擬儀器拓展到自動(dòng)控制領(lǐng)域。對(duì)于自動(dòng)控制的基本形式，圖(4-1)所示的閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，不僅可以應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)完成它的測(cè)量部分的功能，而且可以將虛擬儀器技術(shù)拓展到系統(tǒng)的控制器部分，構(gòu)成一種基于虛擬儀器的測(cè)量控制系統(tǒng)。圖4-1閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)§PID算式的確定§4.1.1PID算式的確定在測(cè)控系統(tǒng)中，被控量和操縱量確定之后，就可以根據(jù)對(duì)象的特性和對(duì)控制質(zhì)量的要求，選擇控制器的控制作用，由控制器按規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)去推動(dòng)執(zhí)行器?？刂破鞯目刂埔?guī)律，即為控制器的PID算式。PID控制算式是一種在工業(yè)控制中廣泛運(yùn)用的控制策略。它的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，易于現(xiàn)實(shí)，穩(wěn)定性能好。實(shí)際上，大多數(shù)的工業(yè)過(guò)程都不同程度的存在著非線性、參數(shù)時(shí)變性和模糊不確定性，而傳統(tǒng)的PID控制主要是控制具有確定模型的線性過(guò)程，因此常規(guī)PID控制不具有在線整定參數(shù)的能力，其控制效果就不是十分理想。如果采用模糊推理的方法實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)：、導(dǎo)、A的在線自適應(yīng)，不僅保持了常規(guī)PID控制的特點(diǎn)，而且具有更大的靈活性、適應(yīng)性和精確性等優(yōu)點(diǎn)，是目前一種較為先進(jìn)的控制算法。但是考慮到本軟件應(yīng)用客戶所具有系統(tǒng)的特點(diǎn)：對(duì)象比較簡(jiǎn)單，非線性程度不高，大多數(shù)不具有時(shí)變性和模糊不確定性，而且設(shè)備的投資成本要求較低，比較適合采用常規(guī)PID控制，故本課題中的PID控制算式就確定為常規(guī)的PID控制算式?！?.1.2數(shù)字PID控制算式PID控制就是確定一個(gè)被控制系統(tǒng)的輸出量(Y(t))，驅(qū)動(dòng)過(guò)程變量接近設(shè)定值，其中被控制的系統(tǒng)參數(shù)叫做過(guò)程變量(PV—ProcessVariable)，將被控制的過(guò)程變量指定的理想值叫做設(shè)定值(R(t))。理論上模擬PID控制器的理想算式為：⑹邱)=氏將+￡何)成+%穿］時(shí)擊(4-1)式中貝打：控制器的輸出園⑴：偏差設(shè)定值R與過(guò)程變量值PV之差。茂。：控制器的放大系數(shù)。寫：控制器的積分時(shí)間常數(shù)。馬：控制器的微分時(shí)間常數(shù)?；谔摂M儀器的控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，式(4—1)中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能準(zhǔn)確計(jì)算，只能用數(shù)值計(jì)算的方法逼近，稱為數(shù)字PID控制算式。數(shù)字PID控制算式通常又分為位置式PID控制算式和增量式PID控

制算式。1.位置式PID控制算式在采樣時(shí)刻t=k0(。為采樣周期)時(shí)，式(4—1)表示的PID控制規(guī)律可以通過(guò)以下數(shù)值公式近似計(jì)算：(4-2)比例作用：(4-2)積分作用：岫Q=掙$習(xí)("

hj-c璀)=電音[g-1)](4-3)(4-4)微分作用：式(4—2)、式(4—3)、式(4—4)表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置u(k),所以稱為位置式PID控制算法，實(shí)際的位置PID控制器輸出為比例作用、積分作用與微分作用之和，即m積分作用：岫Q=掙$習(xí)("

hj-c璀)=電音[g-1)](4-3)(4-4)微分作用：式(4—2)、式(4—3)、式(4—4)表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置u(k),所以稱為位置式PID控制算法，實(shí)際的位置PID控制器輸出為比例作用、積分作用與微如果采樣周期0取得足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過(guò)程與連續(xù)控制過(guò)程十分接近。這種算法的缺點(diǎn)是，由于全量輸出，所以每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的。因而產(chǎn)生了增量式PID控制算式。位置式PID控制算式的系統(tǒng)控制示意圖如圖(4-2)所示。增量式PID控制算式增量式PID控制算式是指數(shù)字控制器的輸出只是控制器的增量^u(k)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量(例如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī))時(shí)，可由式(4-5)導(dǎo)出提供增量的PID控制算式。根據(jù)遞推原理可得：TOC\o"1-5"\h\z田卜］了妣-1)=電(我T)十〒笠①十號(hào)［畔T)-務(wù)"3(4-6)用式(4-5)減去式(4-6)可得：壺0)=敏幻-n(k-Y)=3做一舀0*泉g+*做一矗(火一1)*^-2)］)圣°(4-7)式(4-7)稱為增量式PID控制算式?？梢钥闯?，由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期0，一旦確定了％、％、％，只要使用前后3次測(cè)量值的偏差，即可由式(4-7)求出控制增量。'1°采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量^u(k)對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置(例如閥門開(kāi)度)的增量。對(duì)應(yīng)閥門實(shí)際位置的控制量，即控制量增量的積累頊需要采用一定的方法來(lái)解決，例如用有積累作用的元件(如步進(jìn)電機(jī))來(lái)實(shí)現(xiàn)；而目前較多的是利用算式u(k)=u(k-1)+Au(k)通過(guò)執(zhí)行軟件來(lái)完成。圖(4-3)給出了增量式PID控制系統(tǒng)的示意圖。就整個(gè)系統(tǒng)而言，位置式與增量式控制算法并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，增量式控制雖然只是算法上作了一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來(lái)了不少優(yōu)點(diǎn)：(1)由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉。(2)手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于無(wú)擾動(dòng)切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故能仍然保持原值。(3)算式中不需要累加?？刂圃隽緼u(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過(guò)加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。但是增量式控制也有不足之處，積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大。因此，在選擇時(shí)不可一概而論，一般認(rèn)為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可采用位置控制算法，而在以步進(jìn)電機(jī)或電動(dòng)閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量控制算法。而本文中的對(duì)象正是采用了晶閘管作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，且要求被控制溫度波動(dòng)小，所以采用了位置控制算法?！?.1.3數(shù)字PID控制算式的改進(jìn)[13][17][19]PID數(shù)字控制是被廣泛采用的一種算法，為了適應(yīng)實(shí)際控制的需要，出現(xiàn)了多種改進(jìn)后的數(shù)字PID控制算法。積分分離PID控制算法位置式PID算法每次輸出與整個(gè)過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中要用到過(guò)去偏差的累加值鹽，容易產(chǎn)生較大的積累誤差。在實(shí)際過(guò)程控制中應(yīng)將控制變量限制在有限的范圍內(nèi)，即臨￡"〈上。如果計(jì)算機(jī)給出的控制量u在上述范圍內(nèi)，那么控制可以按預(yù)期的效果進(jìn)行。一旦超出上述范圍，那么實(shí)際執(zhí)行的控制量就不再是計(jì)算值。因此將引起飽和(失控)效應(yīng)。在位置式PID控制算法中，“飽和效應(yīng)”主要是由積分項(xiàng)引起的，故稱為積分飽和。這種現(xiàn)象在設(shè)定值發(fā)生突變時(shí)特別容易發(fā)生。當(dāng)設(shè)定值由R(t)突變到R(t)〃時(shí)，若根據(jù)位置PID算出的輸出量&側(cè)，那么實(shí)際輸出量u只能取上限值谿(圖4-4中曲線b)，而不是計(jì)算值(圖4-4中曲線a)。此時(shí)由于輸出量受到限制，偏差e將比正常情況下持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間(即e(t)>0的正值))，而使式(4—5)的積分項(xiàng)進(jìn)行不適當(dāng)?shù)姆e累，從而得到較大的累積值。當(dāng)偏差e(t)出現(xiàn)負(fù)值后(e(t)<0)，由于積分項(xiàng)的累積值很大，還要經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間t以后，u才可能脫離飽和區(qū)。這種積分項(xiàng)的不適當(dāng)?shù)姆e累，就會(huì)使系統(tǒng)輸出u(t)大幅度明顯的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的振蕩，如圖(4-4)所示。⑺克服積分飽和作用的修正算法很多，積分分離PID控制算法是其中之一。當(dāng)根據(jù)PID位置算法式(4—5)算出的輸出量超出限制范圍時(shí)，就不再把積分值累積計(jì)入積分

項(xiàng)中，就等于去掉了積分作用，從而避免了過(guò)大的積分累積。具體做法如下：(1)根據(jù)實(shí)際情況，人為設(shè)定一閾值8>0。(2)當(dāng)|e(k)|>8時(shí)，也即偏差值|e(k)|比較大時(shí)，采用PD控制，可避免過(guò)大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。(3)當(dāng)|e(k)|We時(shí)，也即偏差值|e(k)|比較小時(shí)，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。積分分離PID控制算法的表達(dá)式為：您=笆*儂)槌伊氐廣碰一鞏)弓78(4-8)圖4-4系統(tǒng)存在積分飽和時(shí)控制器輸出u(t)其中B按下式取值：(1當(dāng)畛EV當(dāng)附而(4-9)采用積分分離PID控制算法后，控制效果如圖(4-5)所示。由圖可見(jiàn)，采用積分分離PID控制算法使得控制系統(tǒng)的性能有了較大的改善。遇限削弱積分PID控制算法遇限削弱積分PID控制算法的基本思想是：一開(kāi)始就積分，當(dāng)控制進(jìn)入飽和區(qū)(即限制范圍)以后，即停止積分，不再進(jìn)行積分項(xiàng)的累加，而只執(zhí)行削弱積分的運(yùn)算。因而，在計(jì)算u(k)時(shí)，先判斷u(k-1)是否已超出限制值。若u(k-1)>u，則只累加負(fù)偏差；若u(k-1)<umax，則只累加正偏差。這種算法可以避免控制量長(zhǎng)時(shí)間，停留在飽和區(qū)。不完全微分PID控制算法時(shí)，微分環(huán)節(jié)的引入，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，但對(duì)于干擾特別敏感。在誤差擾動(dòng)突變微分項(xiàng)如下：時(shí)，(4-10)y二技峭t優(yōu))-雎-1)]=踴邳頊s1)]垃由&廣氣音其中：召(4-10)當(dāng)e(k)為階躍函數(shù)時(shí)，uD(k)輸出為：榨(0)二%,uD(1)=uD(2)=???=0即僅第一個(gè)周期有輸出，且幅值為K，以后均為零。該輸出的特點(diǎn)為：D(1)微分項(xiàng)的輸出僅在第一個(gè)周期起激勵(lì)作用，對(duì)于時(shí)間常數(shù)較大的系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)作用很小，不能達(dá)到超前控制誤差的目的。(2)ud的幅值Kd一般比較大，容易造成計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)溢出；此外uD過(guò)大、過(guò)快的變化，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也會(huì)造成影響(通常9<<T).°D克服上述缺點(diǎn)的方法之一是在PID算法中加一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)(低通濾波器)'十孚，如圖(4-6)所示，即可構(gòu)成不完全微分PID控制。對(duì)于圖(4-6)所示的不完全微分PID結(jié)構(gòu)，設(shè)它的傳遞函數(shù)為：(4-11)MBy彳了芝二uA滬碼?司"}將上式離散化并整理后得：(4-11)其中up(k)與Uj(k)與普通PID算式完全一致，只是uD(k)不同岫Q口心*一1)十尸七[說(shuō)止)(4-12)七"4十B(4-12)與$1Ct：=——-—=1-￡?在式(4-12)中，令寫槌，^『十弓；顯然有a<1，所以1-a<1成立，則式(4-12)可簡(jiǎn)化為：心?=J(1一壓偵擊)-咐-1)]+一1)(4-13)當(dāng)e(k)為階躍(即e(k)=1,k=0,1,2,???)時(shí)，可求出：UD(0)=KD(1-a)[e(0)-e(-1)]+aUD(-1)=KD(1-a)UD(1)=KD(1-a)[e⑴-e(0)]+aUD(0)=auD(0)UD(2)=aUD(1)=a2UD(0)UD(K)=aUD(k-1)=akUD(0)由此可見(jiàn)，引入不完全微分后，微分輸出在第一個(gè)采樣周期內(nèi)的脈沖高度下降，次后又按ekUD(0)的規(guī)律(a<1)逐漸衰減。所以不完全微分能有效地克服上述不足，具有較理想的控制特性(見(jiàn)圖(4-7))。盡管不完全微分PID控制算法比普通PID控制算法要復(fù)雜些，但由于其良好的控制特性，近年來(lái)越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用。微分先行PID控制算法微分先行PID控制算法特點(diǎn)是只對(duì)輸出量y(t)進(jìn)行微分，而對(duì)設(shè)定值R不作微分。這樣在改變?cè)O(shè)定值時(shí)，輸出不會(huì)改變，而被控量的變化通常總是比較緩和的。這種輸出量先行微分控制適用于設(shè)定值R頻繁升降的場(chǎng)合，可以避免設(shè)定值升降時(shí)所引起的系統(tǒng)振蕩，明顯地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。微分先行PID控制的結(jié)構(gòu)如圖(4-8)所示。在上述介紹的四種數(shù)字PID控制算式改進(jìn)方法中微分先行法一般用于有較大純滯后的系統(tǒng)；再將其余的幾種算法結(jié)合所選對(duì)象的特點(diǎn)，本課題最終選擇的PID控制算式是位置控制算法和積分分離PID控制算法的結(jié)合。§程序設(shè)計(jì)[15][21][17]§4.2.1程序框圖應(yīng)用LabVIEW提供的功能軟件實(shí)現(xiàn)PID控制功能的程序如圖(4-9)所示。圖4-9PID控制功能程序流程圖§4.2.2程序說(shuō)明1.數(shù)據(jù)采集子程序：UJHI1±|卜“國(guó)I數(shù)據(jù)采集子程序的功能與前述相同(2.3.4程序流程圖說(shuō)明)。

濾波子程序:L-_l同前（已在2.3.4程序流程圖說(shuō)明中有說(shuō)明）。P.ID控制子程序：SSMPLEI?子程序包括偏差計(jì)算、位置PID算式計(jì)算、抗積分飽和措施等。顯示于程序：LULJ將pid控制子程序中確定的pid控制曲線、設(shè)定值曲線、被控對(duì)象響應(yīng)曲線及虛擬的PID控制器的控制按鈕等加以顯示。PID控制器控制作用輸出子程序:UJH01±|將pid控制器的控制作用轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能接受的電壓信號(hào)輸出。LabVIEW中PID工具中包括用于LabVIEW環(huán)境中開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)的各種函數(shù)。為了適應(yīng)工程實(shí)際使用中的需要，還對(duì)式（4—1）做了必要的修正，并為用戶提供接口，以便根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況配置參數(shù)。應(yīng)用LabVIEW提供的功能軟件實(shí)現(xiàn)PID控制功能的程序的前面板如圖（4-10）所示，流程圖如（4-11）所示。圖4-10PID控制程序前面板§程序的仿真試驗(yàn)[19][25][31]為驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行仿真時(shí)選擇了三個(gè)對(duì)象，并利用LabVIEW提供的實(shí)時(shí)控制模塊（RT模塊）模擬對(duì)象的傳遞函數(shù)。在進(jìn)行PID控制程序仿真演示時(shí)，對(duì)原有的程序進(jìn)行了如下的改動(dòng)：DCHO

SET

FNT1.1.設(shè)定值子程序：DCHO

SET

FNT.將原有程序中測(cè)量值與設(shè)定值之間的差值（即偏差值）改為由單位階躍信號(hào)替代。SYSTEMTYPE2.2.模擬對(duì)象環(huán)節(jié)子程序：SYSTEMTYPEII利用LabVIEW提供的實(shí)時(shí)控制模塊（RT模塊）模擬對(duì)象的傳遞函數(shù)。PID控制功能演示程序流程圖如圖（4-12）所示?！?.3.1仿真演示實(shí)例一在LabVIEW環(huán)境下選擇的傳遞函數(shù)為：郭）=10l+1.5s（4-14）這是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，當(dāng)PID參數(shù)整定為：6=22%；寫=15s；弓=0s時(shí)，其仿真結(jié)果如圖（4-13）所示。在仿真過(guò)程中設(shè)定值采用的是方波信號(hào)?！?.3.2仿真演示實(shí)例二

在LabVIEW環(huán)境下選擇的傳遞函數(shù)為:101性)=一-一x一=一(1+1M51旬(4-15)在LabVIEW環(huán)境下選擇的傳遞函數(shù)為:101性)=一-一x一=一(1+1M51旬(4-15)這是一個(gè)二階慣性環(huán)節(jié)，當(dāng)PID參數(shù)整定為：5=%；寫=12s；農(nóng)=3s時(shí)，其仿真結(jié)果如圖(4-14)所示。在仿真過(guò)程中設(shè)定值采用的是單位階躍信號(hào)。若比例作用增加若比例作用減弱若積分作用減弱若積分作用增強(qiáng)若微分作用增加若微分作用減弱取上述參數(shù)時(shí)其仿真結(jié)果比較如圖(4-15)所示。§4.3.3仿真演示實(shí)例三在LabVIEW環(huán)境下選擇的傳遞函數(shù)為：0.723即PID參數(shù)整定為即PID參數(shù)整定為即PID參數(shù)整定為即PID參數(shù)整定為即PID參數(shù)整定為即PID參數(shù)整定為5=%；5=17%；5=%；5=%；5=%；5=%；虧=12s；%=3s；寫=12s；%=3s；虧=30s；%=3s；寫二6s；舄=3s；虧=12s；%=16s；寫=12s；%=1.5s。陽(yáng)(s)=二^產(chǎn)1+Ss(4-16)這是一個(gè)具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，也就是在第二章中系統(tǒng)測(cè)試軟件所選擇的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。由自動(dòng)控制理論可知，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)含有純滯后環(huán)節(jié)時(shí)，可將純滯后因子廠”用有理函數(shù)來(lái)近似。我們知道一個(gè)指數(shù)函數(shù)可以用如下極限表示：[5]這就是說(shuō)，純滯后環(huán)節(jié)可以用無(wú)窮個(gè)具有極點(diǎn)為；值(處*)的一階環(huán)節(jié)串聯(lián)起來(lái)表示。當(dāng)然，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)常用近似公式，例如近似取n=3時(shí)則：/\3廠l習(xí)(4-18)即用三個(gè)一階環(huán)節(jié)串聯(lián)來(lái)近似。對(duì)于式(4-17)的表示形式，n取得愈大則愈精確地近似理想值，但增加了分析計(jì)算時(shí)的復(fù)雜性。指數(shù)函數(shù)的另一個(gè)近似公式是用馬克勞林展開(kāi)式，它由式(4-19)表示：1(4-19)(4-20)1十俗十2!(4-19)(4-20)在計(jì)算時(shí)，可以取前面幾項(xiàng)。如取一項(xiàng)則可寫成:1+7^(1+風(fēng)(1+暗)同理，也可以將式(4-16)近似表示為：

依c0.7212_打0.7212附(時(shí)=e*七槌占(1+閭(1+對(duì)(4-21)當(dāng)PID參數(shù)整定為：5=23%；寫=360s；弓=90s時(shí)，其仿真結(jié)果如圖(4-16)所示。在仿真過(guò)程中設(shè)定值采用的是單位階躍信號(hào)6=2%；寫二360s；%=90s；6=50%；虧=360s；舄=90s；6=23%；寫二720s；舄=90s；6=23%；虧=180s；舄=90s；6=23%；寫二360s；舄二180s；6=23%；虧=360s；舄=40s；若比例作用增加，即PID參數(shù)整定為若比例作用減弱，即PID參數(shù)整定為若積分作用減弱，即PID參數(shù)整定為若積分作用增加，即PID參數(shù)整定為若微分作用增加，即PID參數(shù)整定為若微分作用減弱，即PID參數(shù)整定為取上述參數(shù)時(shí)其仿真結(jié)果比較如圖(4-17)所示。a)對(duì)象響應(yīng)曲線b)調(diào)節(jié)器輸出曲線圖4-15取不同控制參數(shù)時(shí)二階慣性環(huán)節(jié)仿真結(jié)果的比較a)對(duì)象響應(yīng)曲線b)調(diào)節(jié)器輸出曲線圖4-17取不同控制參數(shù)時(shí)具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)仿真結(jié)果的比較§4.3.4仿真結(jié)果分析[19][25]1.基本控制規(guī)律對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響⑻⑼控制規(guī)律就是控制器接受了輸入的偏差信號(hào)后，控制器的輸出隨輸入變化的規(guī)律，在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中最基本的控制規(guī)律有：比例控制、積分控制、微分控制。(1)比例控制規(guī)律：比例控制規(guī)律是控制器輸出的變化量與被控參數(shù)的偏差值成比例的關(guān)系，常用P表示。工業(yè)上所用的控制器，都用比例度6(也稱比例帶)來(lái)表示比例控制作用的強(qiáng)弱。比例度可以用下式來(lái)表示：8="d_*云X100%日(也-髦)(4-22)式中e控制器輸入變化量(即偏差)；P控制器的輸出變化量;X岫*皿——儀表的量程；電——控制器輸出的工作范圍。比例度就是使控制器輸出變化全范圍時(shí)，輸入偏差改變了滿量程的百分?jǐn)?shù)。當(dāng)儀表的量程和控制器輸出的工作范圍相等時(shí)，比例度就和儀表的放大倍數(shù)Kc互為倒數(shù)關(guān)系，即：^=—X100%隊(duì)(4-23)比例控制規(guī)律就是控制器的輸出與輸入成比例關(guān)系，只要控制器有偏差輸入，其輸出立即按比例度變化，因此比例控制作用及時(shí)迅速；但只是具有比例控制規(guī)律的控制系統(tǒng)，當(dāng)被控參數(shù)受干擾影響而偏離給定值后，控制器的輸出必定改變，在系統(tǒng)穩(wěn)定后，由于比例關(guān)系，被控參數(shù)就不可能回到原先數(shù)值上，即存在殘余偏差一余差。余差是比例控制器應(yīng)用方面的一個(gè)缺點(diǎn)，在控制器的輸出變化量相同的情況下，比例度6越小(即Kp越大)，余差越小。但是若比例度過(guò)分減小，系統(tǒng)容易振蕩。比例度對(duì)控制過(guò)程的影響如圖(4-18)所示。由圖中可以看出，比例度越大，過(guò)渡過(guò)程曲線越平穩(wěn)，但余差也越大。比例度越小，則過(guò)渡過(guò)程曲線越振蕩。圖4-18比例度對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響(1)積分控制規(guī)律：積分控制規(guī)律是控制器的輸出變化與輸入偏差的積分成比例關(guān)系，常用I表示。由于積分作用是偏差對(duì)時(shí)間的積分，因此積分作用的輸出與時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)。在一定偏差作用下，積分作用的輸出隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，因此積分作用有“慢慢來(lái)”的特點(diǎn)。由于這一特點(diǎn)，調(diào)節(jié)不及時(shí)，使被調(diào)參數(shù)的超調(diào)量增加，操作周期和回復(fù)時(shí)間增長(zhǎng)，這些對(duì)控制是不利的。因此積分作用往往與比例作用一起使用。當(dāng)然若積分時(shí)間Ti減小些，被調(diào)參數(shù)的過(guò)渡過(guò)程會(huì)有所改善，但是Ti過(guò)小，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)激烈的振蕩；也是由于這一特點(diǎn)，對(duì)一個(gè)很小的偏差，雖然在很短的時(shí)間內(nèi)，積分作用的輸出變化很小，還不足以消除偏差，然而經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間后，積分作用的輸出總可以增大到足以消除偏差的程度。因此積分作用具有消除余差的能力。圖(4-19)是表示在同樣的比例度下積分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響。由圖可以看出，積分時(shí)間過(guò)大，積分作用不明顯，余差消除很慢(見(jiàn)曲線3)；積分時(shí)間過(guò)小，過(guò)渡過(guò)程振蕩太劇烈，穩(wěn)定程度降低(見(jiàn)曲線1)。圖4-19積分時(shí)間對(duì)