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  • 發布時間:2021-02-18 09:34 原文鏈接: 淺析調節參數對調節過程的影響

      筆者在多年的工作中發現,一些工作人員對一些異常情況下的調節系統,不易投入自動。究其原因,是對調節參數在調節過程中的影響,不大明白。筆者也翻閱了大量有關書籍,發現大多數不太實用。看了之后看似懂了,遇到實際問題分析起來還是困難。根據以往的經驗,筆者總結了一些規律,現總結出來,供各位專家指正。

      1純比例作用:

      純比例作用下,調節器的輸出:

      Tout=△e·(1/δ)

      △e:PID的輸入偏差,即被調量減去定值的差。

      δ:比例帶。

      可以看出,調節器的輸出與輸入偏差呈純比例關系。定值一般不變,單PID下,各曲線變化如圖示。假設被調量偏高時

      調門應關小,即PID為負作用。在定值有一階躍擾動時,調節器輸入偏差為—△e。此時Tout也應有一階躍量△e·(1/δ),然后被調量不變。經過一個滯后期t2,被調量開始響應Tout。因為被調量增加,Tout也開始降低。一直到t4時刻,被調量開始回復時,Tout才開始升高。由此可見,比例作用下,各曲線有如下特點:

      1.1作用與△e的變化量有關(1/δ倍),與靜差無關。1.2拐點時刻一致;

      1.3波動周期一致;

      2積分作用:

      在某些調節器中,積分作用不能單獨使用,它必須和其它參數合用。為了分析方便,在此暫不考慮其它參數的影響,來分析積分作用下的曲線。

      積分作用下,輸入偏差變化的響應曲線與比例作用有很大的不同。假設被調量偏高時調門應關小,在定值有一個階躍擾動時,Tout不會作階躍變化,而是以較高的速率開始升高。

      因Tout的響應較比例作用不明顯,故被調量開始變化的時刻t2,較比例作用滯后。在t1到t2的時間內,因為Tout不變,即△e不變,所以Tout以不變的速率上升,即Tout是一條直線。在t2時刻,被調量開始變化時,Tout的速率開始降低。

      到t3時刻,△e=0時,Tout不變。然后△e開始為正時,Tout才開始降低。

      到t4時刻,被調量達到頂點開始回復,但是因△e仍舊為正,故Tout繼續降低只是速率開始減緩。

      直到t5時刻,△e=0時,Tout才重新升高。

      由此可見,積分作用下,各曲線有如下特點:

      2.1積分作用與△e的趨勢無關,與△e的正負有關,Tout的上升和下降與△e的大小無關,速率與△e的大小有關。

      2.2被調量有階躍擾動時,Tout無階躍擾動。

      2.3被調量到達拐點時,Tout的趨勢不變,速率減緩。

      2.4Tout到拐點時,必是△e=0時。

      3比例積分作用:

      比例積分作用是比例作用和積分作用的疊加。在簡單系統中,僅僅靠比例作用即可使系統穩定,但是不可能實現無差調節。那么綜合作用下如何判斷設置的參數不當呢?比較簡單的方法是,先判斷積分作用。

      3.1積分參數不當:

      積分作用過小很容易判斷,那就是系統穩定的情況下,△e很難等于零。

      系統不穩定有可能是比例帶不當或積分過強。

      如圖,定值有階躍擾動時,比例作用使Tout同時有一個階躍擾動,同時積分作用使Tout開始繼續增大。

      T2時刻后,被調量響應Tout開始增大。此時比例作用因△e減小而使Tout開始降低(如圖中點劃線Tout(δ)所示);但是前文說了積分作用與△e的趨勢無關,與△e的正負有關,積分作用因△e還在負向,故繼續使Tout增大,只是速率有所減緩。比例作用和積分作用的疊加,決定了Tout的實際走向,如圖Tout(δi)所示。

      只要比例作用不是無窮大,或是積分作用不為零,從t2時刻開始,總要有一段時間是積分作用強于微分作用,使得Tout繼續升高。然后持平(t3時刻),然后降低。

      在被調量升到頂峰的t5時刻,同理,比例作用使Tout也達到頂點(負向),而積分作用使得zui終Tout的拐點向后延時(t6時刻)。

      那么積分作用的這個特性對系統帶來的影響,到底有利還是有害?

      筆者未作深處考慮,覺得好像有害無益。

      前面已經說過,在一個較為簡單的系統中,僅僅靠比例作用是可以使系統穩定的。如圖1,以t4為例,我們不能要求一步就使被調量趨于穩定(如圖4),如果沒有其它擾動的話,被調量的開始降低,說明了Tout有些過調,因為那么就需要將Tout再做一定幅度的回調。比例作用下Tout確實這樣做了。說明如果不考慮其它因素,只要參數恰當,該系統可以穩定。

      但是,因為積分作用的存在,阻止了Tout的回調。以圖3中t5時刻為例,積分作用使Tout不但不回調,而且使過調增大了。這樣必然影響了比例作用的回調效果。所以此時我們希望積分作用越小越好。但是為了消除靜差,積分作用又必不可少,所以我們希望,在保證可以消除靜差的前提下,積分作用弱些為好。大致的估計是,t6—t5這段拐點的延時期,

      在t7—t5這段1/4波動周期內,所占比例不大于1/4,即

      T滯后=(t6—t5)/t7—t5≤1/3

      但是,比例和積分是互為影響的,如果比例作用太弱,即使積分作用恰當,也會造成T滯后過大.

      3.2比例參數不當:

      在定值擾動下,在其它干擾因素暫不考慮的情況下,并且假設擾動之前系統是穩定的,如果比例帶過大,那么Tout單位擾動的變化量較小,被調量調整到定值的速度也很慢。

      在測量值受到一個短時間的干擾的情況下,假設沒有其它因素的干擾,如果比例帶過大,那么因為Tout單位擾動的變化量較小,所以被調量很難糾正,它的*個半周的波動量就會很大。當然zui終被調量是會回復的,但是此時Tout已經調節過量了。當被調量回復時,Tout同樣很難糾正上半周期的過調,所以下半個周期的Tout超調量會更大。由此可見,比例帶過小帶來的曲線特征有:

      3.2.1.1被調量受到一個類似于脈沖的擾動后,其*個半周期的超調量就會很大。

      3.2.1.2曲線呈發散或等幅震蕩型。(是否如我所說,望大家批評)

      3.2.1.3波動周期長。

      同樣情況下,如果比例帶過小,那么擾動剛一發展,比例作用及時發揮作用,Tout的調節使被調量及早得到抑制,但是這個調節一定會過調,使被調量向下半個周期大幅波動。由此可見,比例帶過小帶來的曲線特征有:

      3.2.2.1被調量受到一個類似于脈沖的擾動后,其*個半周期的超調量就會很大。

      3.2.2.2曲線呈發散或等幅震蕩型。(是否如我所說,望大家批評)。

      3.2.2.3波動周期短。

      4微分作用:

      微分作用,不可單獨使用。它用在滯后和慣性較大的環節。它可以在被調量有變化的趨勢,而實際上還沒有來得及有較大變化的時候,及時地調整Tout,因而微分作用有個超前調節的美稱。許多人在調節質量不好的時候,往往想到微分作用,其實微分作用有一些“禁區”。總結起來,它有如下特點:

      4.1微分作用與△e的變化量無關,△e的變化速率有關,與△e的正負無關,與△e的變化趨勢有關。

      4.2被調量有頻率較快的變化,而這些變化并不能代表被調量總的變化趨勢時(如水位調節系統),不能用微分作用。

      4.3被調量信號有干擾之類的抖動,而這些抖動沒有被濾去時,不能用微分作用。

      4.4系統沒有較大的慣性和滯后時,不加微分作用。

      原因是顯而易見的,前兩項都不能正確地反映被調量的變化

      趨勢。而分不清變化趨勢的調節,對被調量反而是一種干擾。zui后一項加不加微分都對系統影響不大,干脆不加避免了可能的干擾。

      微分作用有兩個參數:微分幅度KD和微分時間KT。

      在積分參數設置恰當之后,如果系統仍舊不能穩定,那就是

      比例參數不當了。比例參數的判定各教科書中都已經闡明。


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