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浅析调节参数对调节过程的影响

2021.2.18
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qi

致力于为分析测试行业奉献终身

  笔者在多年的工作中发现,一些工作人员对一些异常情况下的调节系统,不易投入自动。究其原因,是对调节参数在调节过程中的影响,不大明白。笔者也翻阅了大量有关书籍,发现大多数不太实用。看了之后看似懂了,遇到实际问题分析起来还是困难。根据以往的经验,笔者总结了一些规律,现总结出来,供各位专家指正。

  1纯比例作用:

  纯比例作用下,调节器的输出:

  Tout=△e·(1/δ)

  △e:PID的输入偏差,即被调量减去定值的差。

  δ:比例带。

  可以看出,调节器的输出与输入偏差呈纯比例关系。定值一般不变,单PID下,各曲线变化如图示。假设被调量偏高时

  调门应关小,即PID为负作用。在定值有一阶跃扰动时,调节器输入偏差为—△e。此时Tout也应有一阶跃量△e·(1/δ),然后被调量不变。经过一个滞后期t2,被调量开始响应Tout。因为被调量增加,Tout也开始降低。一直到t4时刻,被调量开始回复时,Tout才开始升高。由此可见,比例作用下,各曲线有如下特点:

  1.1作用与△e的变化量有关(1/δ倍),与静差无关。1.2拐点时刻一致;

  1.3波动周期一致;

  2积分作用:

  在某些调节器中,积分作用不能单独使用,它必须和其它参数合用。为了分析方便,在此暂不考虑其它参数的影响,来分析积分作用下的曲线。

  积分作用下,输入偏差变化的响应曲线与比例作用有很大的不同。假设被调量偏高时调门应关小,在定值有一个阶跃扰动时,Tout不会作阶跃变化,而是以较高的速率开始升高。

  因Tout的响应较比例作用不明显,故被调量开始变化的时刻t2,较比例作用滞后。在t1到t2的时间内,因为Tout不变,即△e不变,所以Tout以不变的速率上升,即Tout是一条直线。在t2时刻,被调量开始变化时,Tout的速率开始降低。

  到t3时刻,△e=0时,Tout不变。然后△e开始为正时,Tout才开始降低。

  到t4时刻,被调量达到顶点开始回复,但是因△e仍旧为正,故Tout继续降低只是速率开始减缓。

  直到t5时刻,△e=0时,Tout才重新升高。

  由此可见,积分作用下,各曲线有如下特点:

  2.1积分作用与△e的趋势无关,与△e的正负有关,Tout的上升和下降与△e的大小无关,速率与△e的大小有关。

  2.2被调量有阶跃扰动时,Tout无阶跃扰动。

  2.3被调量到达拐点时,Tout的趋势不变,速率减缓。

  2.4Tout到拐点时,必是△e=0时。

  3比例积分作用:

  比例积分作用是比例作用和积分作用的叠加。在简单系统中,仅仅靠比例作用即可使系统稳定,但是不可能实现无差调节。那么综合作用下如何判断设置的参数不当呢?比较简单的方法是,先判断积分作用。

  3.1积分参数不当:

  积分作用过小很容易判断,那就是系统稳定的情况下,△e很难等于零。

  系统不稳定有可能是比例带不当或积分过强。

  如图,定值有阶跃扰动时,比例作用使Tout同时有一个阶跃扰动,同时积分作用使Tout开始继续增大。

  T2时刻后,被调量响应Tout开始增大。此时比例作用因△e减小而使Tout开始降低(如图中点划线Tout(δ)所示);但是前文说了积分作用与△e的趋势无关,与△e的正负有关,积分作用因△e还在负向,故继续使Tout增大,只是速率有所减缓。比例作用和积分作用的叠加,决定了Tout的实际走向,如图Tout(δi)所示。

  只要比例作用不是无穷大,或是积分作用不为零,从t2时刻开始,总要有一段时间是积分作用强于微分作用,使得Tout继续升高。然后持平(t3时刻),然后降低。

  在被调量升到顶峰的t5时刻,同理,比例作用使Tout也达到顶点(负向),而积分作用使得zui终Tout的拐点向后延时(t6时刻)。

  那么积分作用的这个特性对系统带来的影响,到底有利还是有害?

  笔者未作深处考虑,觉得好像有害无益。

  前面已经说过,在一个较为简单的系统中,仅仅靠比例作用是可以使系统稳定的。如图1,以t4为例,我们不能要求一步就使被调量趋于稳定(如图4),如果没有其它扰动的话,被调量的开始降低,说明了Tout有些过调,因为那么就需要将Tout再做一定幅度的回调。比例作用下Tout确实这样做了。说明如果不考虑其它因素,只要参数恰当,该系统可以稳定。

  但是,因为积分作用的存在,阻止了Tout的回调。以图3中t5时刻为例,积分作用使Tout不但不回调,而且使过调增大了。这样必然影响了比例作用的回调效果。所以此时我们希望积分作用越小越好。但是为了消除静差,积分作用又必不可少,所以我们希望,在保证可以消除静差的前提下,积分作用弱些为好。大致的估计是,t6—t5这段拐点的延时期,

  在t7—t5这段1/4波动周期内,所占比例不大于1/4,即

  T滞后=(t6—t5)/t7—t5≤1/3

  但是,比例和积分是互为影响的,如果比例作用太弱,即使积分作用恰当,也会造成T滞后过大.

  3.2比例参数不当:

  在定值扰动下,在其它干扰因素暂不考虑的情况下,并且假设扰动之前系统是稳定的,如果比例带过大,那么Tout单位扰动的变化量较小,被调量调整到定值的速度也很慢。

  在测量值受到一个短时间的干扰的情况下,假设没有其它因素的干扰,如果比例带过大,那么因为Tout单位扰动的变化量较小,所以被调量很难纠正,它的*个半周的波动量就会很大。当然zui终被调量是会回复的,但是此时Tout已经调节过量了。当被调量回复时,Tout同样很难纠正上半周期的过调,所以下半个周期的Tout超调量会更大。由此可见,比例带过小带来的曲线特征有:

  3.2.1.1被调量受到一个类似于脉冲的扰动后,其*个半周期的超调量就会很大。

  3.2.1.2曲线呈发散或等幅震荡型。(是否如我所说,望大家批评)

  3.2.1.3波动周期长。

  同样情况下,如果比例带过小,那么扰动刚一发展,比例作用及时发挥作用,Tout的调节使被调量及早得到抑制,但是这个调节一定会过调,使被调量向下半个周期大幅波动。由此可见,比例带过小带来的曲线特征有:

  3.2.2.1被调量受到一个类似于脉冲的扰动后,其*个半周期的超调量就会很大。

  3.2.2.2曲线呈发散或等幅震荡型。(是否如我所说,望大家批评)。

  3.2.2.3波动周期短。

  4微分作用:

  微分作用,不可单独使用。它用在滞后和惯性较大的环节。它可以在被调量有变化的趋势,而实际上还没有来得及有较大变化的时候,及时地调整Tout,因而微分作用有个超前调节的美称。许多人在调节质量不好的时候,往往想到微分作用,其实微分作用有一些“禁区”。总结起来,它有如下特点:

  4.1微分作用与△e的变化量无关,△e的变化速率有关,与△e的正负无关,与△e的变化趋势有关。

  4.2被调量有频率较快的变化,而这些变化并不能代表被调量总的变化趋势时(如水位调节系统),不能用微分作用。

  4.3被调量信号有干扰之类的抖动,而这些抖动没有被滤去时,不能用微分作用。

  4.4系统没有较大的惯性和滞后时,不加微分作用。

  原因是显而易见的,前两项都不能正确地反映被调量的变化

  趋势。而分不清变化趋势的调节,对被调量反而是一种干扰。zui后一项加不加微分都对系统影响不大,干脆不加避免了可能的干扰。

  微分作用有两个参数:微分幅度KD和微分时间KT。

  在积分参数设置恰当之后,如果系统仍旧不能稳定,那就是

  比例参数不当了。比例参数的判定各教科书中都已经阐明。


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