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02月22日 2020

位式調(diào)節(jié)原理與PID調(diào)節(jié)原理

發(fā)布者:虹潤集團

在工業(yè)生產(chǎn)過程中,人工調(diào)節(jié)勞動強度大,工作單調(diào),易生差錯,生產(chǎn)效率低,產(chǎn)品質(zhì)量不易保證。人工調(diào)節(jié)不能遠離生產(chǎn)設(shè)備,因而很難確保安全。此外,現(xiàn)代化生產(chǎn)工藝流程變化速度快、精度要求高,由于人的生理條件所限不能達到控制要求。為此,人們通過實踐,研究設(shè)計并制造出各種各樣的儀器、儀表、調(diào)節(jié)設(shè)備、控制裝置等來替代人在調(diào)節(jié)中的作用,這樣就從人工調(diào)節(jié)發(fā)展到自動調(diào)節(jié)。

      工業(yè)生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)對象范圍很廣,有冶金、化工、石油、電站這四大基礎(chǔ)工業(yè)中的調(diào)節(jié)對象,另外還有輕工、軍工、機械、實驗設(shè)備等的調(diào)節(jié)對象。被調(diào)量X(或稱對象的輸出量、被調(diào)節(jié)參數(shù)、被控制參數(shù)等)包括的范圍更廣,有四大類:熱工量(溫度T、壓力P、壓差ΔP、流量G、物位H等),成分量(氣體成分A,如含氧O2%、含二氧化碳CO2%等;溶液濃度C,如硫酸H2SO4濃度、氫離子濃度PH值等;物質(zhì)性質(zhì),如濕度,比重,粘度,密度等),電工量(電壓U、電流I、電功率N、電頻率F等)和機械量(重量、厚度,轉(zhuǎn)速等)。

一、位式調(diào)節(jié)原理淺釋

 

      (一)二位式調(diào)節(jié)又稱通斷式控制,是將測量值與設(shè)定值相比較之差值經(jīng)放大處理后,對調(diào)節(jié)對象作開或關(guān)控制的調(diào)節(jié)。當測量值低于設(shè)定值時,儀表輸出“通”的信號,負載因獲得全部能源而升溫;當測量值高于設(shè)定值時,儀表輸出“斷”的信號,負載因失去全部能源而降溫;須指出由傳感器-儀表-執(zhí)行器(閥門或接觸器)-負載(電爐)-傳感器各部分組成的閉環(huán)系統(tǒng)在信號的傳遞、處理和調(diào)節(jié)中都不可避免地存在滯后,故儀表作出調(diào)節(jié)輸出后,需要一定的時間才能把調(diào)節(jié)結(jié)果再通過傳感器反饋至儀表,在此段滯后時間內(nèi),調(diào)節(jié)對象的溫度仍呈慣性上升或慣性下降,儀表此時處于“失控”階段。能源全部接通和全部關(guān)斷二種狀態(tài)的交替出現(xiàn),必然使被控參數(shù)有周期性的起伏,形成在設(shè)定值上下的震蕩,震蕩的幅度由儀表的回差(又稱開關(guān)差)和感溫元件的響應(yīng)時間、加熱器的熱阻等系統(tǒng)其他部分的特性所決定。這在二位式調(diào)節(jié)中無法避免。但在空調(diào)、農(nóng)業(yè)培植等允許溫度有一定范圍波動的場合,可避免執(zhí)行器的頻繁動作,反有利于系統(tǒng)的運行。

      儀表的回差越小,被控值的波動范圍越小,但調(diào)節(jié)輸出的動作越頻繁,執(zhí)行器的壽命縮短。儀表的回差越大,情況則反之,一般把回差值設(shè)置在儀表全量程的0.2%-0.5%左右比較合適。

根據(jù)上述原理,二位式調(diào)節(jié)可靠性高而成本低,應(yīng)用場合十分廣泛。

      (二)三位式調(diào)節(jié)是為了克服二位式調(diào)節(jié)容易產(chǎn)生的升溫速度與溫度對沖量(超調(diào))之間的矛盾而發(fā)展的一種調(diào)節(jié)方式。以電爐加熱為例。三位式調(diào)節(jié)可以用兩個繼電器的觸點組成“升溫加熱”、“恒溫調(diào)節(jié)”及“停止加熱”三種輸出狀態(tài)。

具體實現(xiàn)方法為采用輔助加熱器A和主加熱器B兩組加熱器,當測量值低于下限設(shè)定值時,上、下限繼電器均吸合,系統(tǒng)進入“升溫加熱”狀態(tài),此時A、B二組加熱器同時加熱,因此升溫速度較快。

當測量值到達下限設(shè)定值,但尚低于上限設(shè)定值時,下限繼電器釋放,斷開輔助加熱器A的能源供給,升溫速率隨之下降,系統(tǒng)進入“恒溫加熱”狀態(tài)。

       當測量值到達上限設(shè)定時,下限繼電器仍保持斷開狀態(tài),上限繼電器開始釋放,斷開主加熱器B能源供給。此時由于主輔加熱器均失去能源供給,故溫度逐漸下降,直至降到上限設(shè)定回差的下限時,上限繼電器又吸合,接通主加熱器B的能源供給,溫度又逐漸上升,周而復(fù)始。由此可見三位式調(diào)節(jié)比兩位式調(diào)節(jié)升溫的速度快,進入恒溫調(diào)節(jié)狀態(tài)后溫度的波動小,精度高。

一般情況下,輔助加熱器A的加熱能量為總加熱能量的30%-50%,具體視系統(tǒng)及工況而定。

對不便設(shè)置二組加熱器的對象,可以用下限繼電器控制串入負載的電感器或二極管的辦法實現(xiàn)三位式調(diào)節(jié),成本降低,且加熱器壽命延長,效果更好。

       三位式調(diào)節(jié)的儀表還可以由下限繼電器承擔(dān)加熱調(diào)節(jié),而把上限繼電器作超溫時的冷卻輸出或報警輸出,且報警值可由用戶隨意設(shè)置,但報警的方式是上限繼電器常閉觸點重新閉合,與正規(guī)的報警動作相反,對此須注意。

三位式調(diào)節(jié)還可用于回差可調(diào)的寬中間帶調(diào)節(jié)方式,其回差約等于上限設(shè)定值與下限設(shè)定值之差值,在制冷控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多。

 

(三)連續(xù)比例調(diào)節(jié)

      比例的符號為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,所需輸入信號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,儀表的輸出降低至零。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)方式和可逆電機驅(qū)動電感式調(diào)節(jié)器方式。

(四)時間比例調(diào)節(jié)

      與上述連續(xù)比例式調(diào)節(jié)相比,時間比例式調(diào)節(jié)的差別在于其對負載的調(diào)節(jié)是用脈寬調(diào)制方式,以改變單位時間(即周期)內(nèi)平均加熱功率的方式來實現(xiàn)的。如果一個1000瓦的電爐在30秒鐘周期內(nèi)通電15秒鐘,斷電15秒鐘,那么在這個周期內(nèi),電爐實際得到的加熱功率為50%,即500瓦。以此類推,就可以用簡單的繼電器觸點通與斷之間的時間比值,即用改變“接通”與“關(guān)斷”二者占空比的辦法,模擬輸出具有相當分辨率的連續(xù)量。由于多數(shù)情況下被控對象有較大的熱容量,幾十秒鐘的通斷周期不會表現(xiàn)在被控對象的溫度速變上,因此有很寬的應(yīng)用范圍。時間比例調(diào)節(jié)故又稱作斷續(xù)式比例調(diào)節(jié)。

 

      時間比例調(diào)節(jié)的基本原理:當實際溫度進入儀表的下比例帶時,繼電器即開始周期性地釋放、吸合,靠改變吸與放的時間之比值來改變加熱負載上的平均加熱功率,從而改變溫度的目的。吸放的時間同設(shè)定值與測量值的偏差成正比,即偏差越大,單位時間(即吸放周期T)內(nèi)吸合時間越長,反之越短;當偏差為零時,吸放為等周期,而出現(xiàn)負偏差時,吸合時間比釋放時間短,直至測量值到達比例帶上限,繼電器不再吸合,負載上無輸出。

      繼電器吸合時間T1和釋放時間T2之和為時間比例的周期。而吸合時間T1與周期T之比為時間比值。

與位式調(diào)節(jié)相比,時間比例式調(diào)節(jié)對負載的調(diào)節(jié)是用由偏差決定,連續(xù)改變輸出量的大小這一方式去實現(xiàn)的,因此調(diào)節(jié)結(jié)果的波動較小。在有擾動時,被控對象能很快趨向平穩(wěn)。在比例帶值合適的情況下,不會產(chǎn)生持續(xù)的振蕩現(xiàn)象。

 

      比例調(diào)節(jié)的靜差:比例或時間比例調(diào)節(jié)在系統(tǒng)穩(wěn)定時,其實際溫度值與設(shè)置溫度值之間有時會有一個偏差,即調(diào)節(jié)的結(jié)果值與設(shè)置的目標值之間有一差值,專業(yè)上稱之為“靜差”,靜差一般為數(shù)攝氏度,可正可負。靜差的大小和方向取決于全輸出時加熱功率的高低、環(huán)境溫度或電網(wǎng)電壓的改變和比例帶的大小等各種原因。

 

二、PID

      比例、積分、微分控制(簡稱PID控制)是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。1868年麥克斯韋發(fā)表了“論調(diào)速器”闡述了控制理論基礎(chǔ)。1936年,在此基礎(chǔ)上,ASTRON發(fā)表了著名的“PID”調(diào)節(jié)理論。最優(yōu)控制理論可以證明,PID控制能滿足相當多工業(yè)對象的控制要求。所以,它至今仍然是一種最基本的控制方式。

一個典型的PID單回路控制系統(tǒng),C是被控參數(shù),RC的給定值。

1.調(diào)節(jié)器的特性

      調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律或稱調(diào)節(jié)器的特性。第一種稱為比例調(diào)節(jié)規(guī)律,第二種稱為積分調(diào)節(jié)規(guī)律,第三種稱為微分調(diào)節(jié)規(guī)律。此外就是比例加積分,比例加微分以及比例加積分加微分調(diào)節(jié)規(guī)律。這些調(diào)節(jié)規(guī)律的微積分方程式、在階躍(即訊號一下子)輸入下的輸出時間特性以及傳遞函數(shù)等。

      PID算式有兩種基本類型—完全微分型(即理想微分型)與不完全微分型(即實際微分型),根據(jù)所采用的計算機的不同輸出部件,兩種類型的算式又各有三種不同的型式,即位置型算式,增量型算式和速度型算式。

1)位置型算式

      智能PID調(diào)節(jié)器經(jīng)PID運算,其輸出信號值與調(diào)節(jié)閥門的開度一一對應(yīng)。

2)增量型算式

      智能PID調(diào)節(jié)器經(jīng)PID運算,指明執(zhí)行機構(gòu)所需的相對改變量。計算機的輸出增量為前后兩次采樣所計算的位置值之差。

  (3)速度型算式

     速度型算式是指智能PID調(diào)節(jié)器的輸出信號值與調(diào)節(jié)閥門開度的變化率一一對應(yīng),如指明直流伺服電機的轉(zhuǎn)動速度。

(一)完全微分型算式與不完全微分型算式

     一臺智能PID調(diào)節(jié)器中,要實現(xiàn)所描述的運算是相當困難的,這主要是完全微分項難以制作,因此,在實際控制系統(tǒng)中,采用的微分項往往都是不完全型的。

     另一方面,在智能PID調(diào)節(jié)器中,CPU對每條回路輸出的時間是短暫的,而驅(qū)動步進電機走步則需要一定的時間。這樣,如果經(jīng)過計算得到一個輸出值較大,在智能PID調(diào)節(jié)器輸出的短暫時間內(nèi),步進電機將完成不了這種走步的要求,從而不能實現(xiàn)原來的控制要求。也就是說,由于輸出通道的限制,在被控變量變化較大、并且微分作用Td較大時,雖然計算得了較大的,但是控制作用并沒有較大的變化,從而把微分作用限制住了。這說明,從控制要求的角度來說,希望把過大的微分作用能逐步、平滑地輸出,這樣,能使微分作用真正起作用,從而達到改善控制質(zhì)量的要求。這就提出了如何實現(xiàn)不完全微分的問題。智能PID調(diào)節(jié)器的完全微分型式

 

(二)兩類算式的比較和幾點看法

       (1)從上面介紹可以看出,完全微分型算式比較簡單。

       (2)完全微分型算式調(diào)節(jié)性能不好,因為完全微分型算式的微分作用在調(diào)節(jié)過程中受到抑制,不利于按偏差的趨勢進行調(diào)節(jié)(數(shù)學(xué)上可以嚴格地予以證明,這里從略),這個缺點是相當嚴重的,許多智能PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)品質(zhì)不如常規(guī)模擬系統(tǒng),原因便在于此。而采用不完全微分型算式,便可以避免此缺點,從而大大地改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。

       (3)完全微分型算式與不完全微分型算式的常數(shù),均需事先離線算好,一般智能PID調(diào)節(jié)器配有相應(yīng)的子程序,以實現(xiàn)這些常數(shù)的離線計算。

       (4)這些算式中,增量型算式是最基本的。鑒于國內(nèi)目前所采用的    對過程變量PV值進行“微分先行”的運算,這種方式對輸出的擾動較小。也有采用比例運算僅對PV進行的“比例先行”方式,這種方式對偏差的響應(yīng)速度較快。而它們都屬于增量型保持器,所以智能PID調(diào)節(jié)器算式以增量型為基礎(chǔ)是有實際意義的。

      (5)增量型算式轉(zhuǎn)化成其它型算式是相當容易的。

      (6)采用完全微分型算式,計算值容易超出界限,引起溢出停機。這是由于算式在計算第一周期時微分效果相當強的緣故。因此,如采用完全微分型算式,則簡易算式應(yīng)附加輸出增量限幅部分,否則系統(tǒng)難于正常工作。

      (7)綜上所述,雖然完全微分型算式比較簡單,但從滿足調(diào)節(jié)品質(zhì)指標方面來看,不完全微分型算式具有更多的優(yōu)點。從國外的發(fā)展趨勢以及據(jù)外國專家來華進行技術(shù)交流的資料介紹,智能PID調(diào)節(jié)器越來越傾向于采用不完全微分型算式,并作成許多種偽硬件功能塊(每個功能塊可完成一個控制算式,目前已形成60余種)。因此,在智能PID調(diào)節(jié)器中,我們建議以采用不完全微分型算式為宜。

(三)編制控制算式子程序框圖的幾點說明

      (1)抗積分飽和與限幅

      眾所周知,積分的作用可以消除控制系統(tǒng)的殘余偏差。但它也有一個付作用,即在偏差沒有消除以前,它會使計算輸出值一直向兩個極端位置變化,使輸出信號超出正常信號的運行范圍,進入深飽和區(qū)。一旦偏差小時,輸出從深飽和區(qū)退出需要相當長的時間,這會惡化調(diào)節(jié)品質(zhì)。另外,輸出趨于兩個極端,也容易使執(zhí)行機構(gòu)頻繁動作振蕩磨損。為避免由于積分飽和現(xiàn)象或其它因素(如過強的微分作用)引起輸出超過執(zhí)行機構(gòu)的信號范圍,經(jīng)常用閥位反饋的方法,在被控參數(shù)讀入的同時,把閥位信號也采樣讀入。這樣,計算機就可以知道,閥門尚有多少余量可以調(diào)節(jié)。但對非線性調(diào)節(jié)閥要作適當校正。

      (2)防止積分極限環(huán)的產(chǎn)生

      智能PID調(diào)節(jié)器控制具有較高的控制精度,只要系統(tǒng)的偏差大于其精度范圍,智能PID調(diào)節(jié)器就要不斷進行控制,改變執(zhí)行機構(gòu)的位置。為防止控制過程產(chǎn)生極限環(huán),對智能PID調(diào)節(jié)器輸出增加一個判斷條件,如果是預(yù)先制定一個相當小的常數(shù),即所謂不靈敏區(qū),則智能PID調(diào)節(jié)器不輸出。

      (3PID參數(shù)的選取:如果選用的PID參數(shù)不合適,PID調(diào)節(jié)的結(jié)果很可能比二位式調(diào)節(jié)的結(jié)果還差,例如產(chǎn)生幅度很大的連續(xù)振蕩,產(chǎn)生長期不能消除的靜差,或者是在系統(tǒng)受擾動后不能盡快復(fù)原等等,因此,根據(jù)被控對象的工藝過程選取合適的PID參數(shù),是用好智能PID調(diào)節(jié)器儀表的關(guān)鍵點。

      (4PID參數(shù)人工整定方法:PID參數(shù)的設(shè)置情況直接影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)結(jié)果。人工整定PID參數(shù),最簡單實用的辦法是使用“鄰界比例度法”來確定PID參數(shù)。具體方法是:將系統(tǒng)接成閉環(huán),關(guān)掉I、D(即將參數(shù)積分時間I和微分時間D均設(shè)置為0),多次調(diào)節(jié)比例帶P值的大小,使系統(tǒng)剛剛產(chǎn)生振蕩,記錄此時的比例帶參數(shù)(XP1)及振蕩周期時間(T),則正確的PID參數(shù)可以從表中計算出來(以恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例說明)。

      根據(jù)比例帶XP1和振蕩周期T,查表后計算出合適的比例帶、積分時間、微分時間三個參數(shù)的具體數(shù)值,再按儀表的設(shè)置步驟鍵入PID參數(shù)并稍作微調(diào)即可。

      概括地說,比例帶P設(shè)置的數(shù)值越大,系統(tǒng)越不會發(fā)生振蕩,靜差也越大;積分時間I設(shè)置的數(shù)值越大,積分的作用越不明顯,消除靜差所需的時間也越長,系統(tǒng)越不會發(fā)生振蕩;微分時間D設(shè)置的數(shù)值越小,對比例帶和積分的作用越小,系統(tǒng)越不會發(fā)生振蕩,但系統(tǒng)的響應(yīng)速度也變得遲鈍。積分的作用是使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定,而微分的作用是抑制超調(diào),但會使系統(tǒng)趨向不穩(wěn)定,微分與積分配合得當,就可獲得盡快而穩(wěn)定的調(diào)節(jié)過程。

      一般建議:初次運行先以儀表出廠時已設(shè)置的PID參數(shù)為基礎(chǔ),如發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)一直在設(shè)定值上下產(chǎn)生非衰減性的振蕩,可逐次把比例帶P或積分時間I的數(shù)值增大三分之一左右,直至穩(wěn)定。反之如發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的靜差消除過慢,可減小比例帶P的數(shù)值或積分時間I的數(shù)值,直至穩(wěn)定。如發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)抗擾動的能力不夠,可適當增強微分的作用,即適當加大微分時間。

在一些工況固定的場合,只選用儀表的比例P和積分I功能,而把微分D功能關(guān)掉(設(shè)置為0),反能取得理想的調(diào)節(jié)效果。

      (5)自整定控制的基本原理

比例-積分-微分控制器或叫“PID回路”事實上作為工業(yè)反饋控制方面的標準方法已經(jīng)超過95年了,但是使用它們并不簡單。為了使PID回路工作到最佳狀態(tài),它們必須在一開始就進行整定以適應(yīng)每種應(yīng)用場合。

       “自動整定”控制器可以通過自動地響應(yīng)請求以生成合適的整定參數(shù)來完成整定。當控制功能失效時,操作人員只需要按動“自整定”這個按鈕并觀察控制器的整定功能對過程進行操作,直到有足夠多的符合過程自身特性的輸入/輸出數(shù)據(jù)。大多數(shù)自動整定技術(shù)就是簡單地模仿一位有經(jīng)驗的控制工程師在第一次將回路連線時所做的事情。

  1. 自整定方法

      自整定方法有好多種,如利用微處理器生成M序列偽隨機信號測取對象脈沖反應(yīng)函數(shù);用最小2乘法在線遞推識別;用優(yōu)選法在線修改*K p、*T i、*T d等。但前兩種方法占機容量較多,而一般微處理器運算速度較低,內(nèi)存也有限;后一種方法要在好幾個過渡過程結(jié)束后才能完成,不甚及時。

      根據(jù)筆者以前工作中嘗試過的溫度控制對象自整定方法介紹如下。

      (1)開關(guān)階躍響應(yīng)PID參數(shù)自整定

      這是一種開環(huán)整定方法,即利用系統(tǒng)廣義過程的階躍響應(yīng)特性曲線對調(diào)節(jié)器參數(shù)進行整定。具體做法是:先使系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)。在執(zhí)行單元輸入端施加一個階躍信號,這個階躍信號的幅度以不影響系統(tǒng)的安全運行限制。記錄下過程量的變化值。根據(jù)這個階躍響應(yīng)曲線將廣義被控過程的傳遞函數(shù)近似表示如下:

      對于有自衡能力的廣義過程(因為控制對象為加熱爐),傳遞函數(shù)可寫為:

                                                         

       我們通過大量試驗,可以得到,P=Td×最大斜率×輸入幅度/滿量程×100%   Ti=0.4×Td    TD=0.4/Td

      自整定調(diào)試試驗結(jié)束時,儀表即自動切換到PID控制。

      以上經(jīng)驗數(shù)值可能還需要在實際過程中進行修正。

     (2)繼電振蕩PID參數(shù)自整定方法

      1984年,K.J.Astrom提出了在繼電反饋下觀測被控過程的極限環(huán)振蕩自整定方法。在自整定調(diào)節(jié)期間,繼電控制使被控過程產(chǎn)生極限環(huán)振蕩,由振蕩曲線可以得到動態(tài)過程數(shù)學(xué)模型的特征參數(shù)Tu和Ku,再利用Z-N整定公式計算PID參數(shù)。調(diào)節(jié)過程結(jié)束后,系統(tǒng)切換到PID控制。該方法大量節(jié)省了技術(shù)人員的工作量和調(diào)試時間,并且比手動操作有效和可靠,被許多實用的工業(yè)控制器所采用。

      實用的基于繼電振蕩的PID參數(shù)自整定算法的控制過程曲線,該自整定過程至少需要滿量程階躍峰值時間加近兩個振蕩周期,相比基于開環(huán)階躍響應(yīng)的PID參數(shù)自整定算法整定時間大大延長。并且被控過程將長時間處于等幅振蕩狀態(tài),這對于許多被控過程和執(zhí)行器是不允許的。一旦反饋控制功能啟動后,整定功能就可以給出一套P、I和D的整定參數(shù)并得到理想的閉環(huán)回路行為。因為整定和控制功能是同時進行操作的??刂破鞅仨毘掷m(xù)地保持過程變量在規(guī)定范圍內(nèi),因此它必須試著了解過程變量是如何對控制量進行反作用的。

      不幸的是,這些功能都是相互對立的。保持過程變量穩(wěn)定就會削弱對于過程行為有用的整定功能,反之,模擬整個過程可以了解對控制量如何反應(yīng)會減弱控制功能。

      而幸運的是,總有幾次當控制量和過程變量無論如何波動的時候,閉環(huán)回路運行的依然正常,而且大多數(shù)的自整定器被設(shè)計成可以利用該情況。

A、B:依據(jù)不同溫度控制對象決定的系數(shù)

      注:John ZieglerNathaniel Nichols發(fā)明了著名的回路整定技術(shù)使得PID算法在所有應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的反饋控制策略中是最常用的。Ziegler-Nichols整定技術(shù)是1942年第一次發(fā)表出來,直到現(xiàn)在還被廣泛地應(yīng)用著。

      經(jīng)過許多年的發(fā)展,Zigeler-Nichols方法已經(jīng)發(fā)展成為一種參數(shù)設(shè)定中,處于經(jīng)驗和計算法之間的中間方法。這種方法可以為控制器確定非常精確的參數(shù),在此之后也可以進行微調(diào)。

      Ziegler-Nichols方法分為兩步:

      構(gòu)建閉環(huán)控制回路,確定穩(wěn)定極限。

      根據(jù)公式計算控制器參數(shù)。

      整定原則

      自整定過程結(jié)束時,PID參數(shù)由自整定算法計算得出。計算PID參數(shù)的公式基于增益和過程滯后時間與響應(yīng)時間的比例??紤]到魯棒性,算法必須在不失穩(wěn)定性的條件下支持增益與時間常數(shù)變化。

     (6)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)指標

     1.目前描述自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的具體品質(zhì)指標是在承受階躍形式擾動后被調(diào)量過渡過程的一些參數(shù)和形態(tài)。這些參數(shù)有以下幾項:

    (1)無差度或穩(wěn)態(tài)誤差ε;

    (2)超調(diào)量σ%,定值調(diào)節(jié)系統(tǒng):和隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng);

     圖1(a)  定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)在階躍擾動作用下被調(diào)量的波動過程

 

 

    圖1(b)  隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)在階躍擾動作用下被調(diào)量的波動過程

 

    (3)調(diào)節(jié)時間Tp;

    (4)振蕩數(shù)X;

    (5)衰減度或衰減率;

     (6)誤差平方積分值

     如果系統(tǒng)的上述項品質(zhì)指標都不超過預(yù)先規(guī)定的限值,那末系統(tǒng)就具有所需的品質(zhì),或者說滿足給定的品質(zhì)要求。

    2.作為系統(tǒng)品質(zhì)要求的過渡過程的典型形態(tài)有以下幾種:

    (1)超調(diào)20%過程(σ%=20%);

   (2)4:1衰減過程()

   (3)10:1衰減過程

   (4)調(diào)節(jié)時間最短過程(Tp最小);

   (5)平方積分值最小過程(F最小);

   (6)無超調(diào)過程(σ%=0)。

                  三.近代發(fā)展的幾種先進智能預(yù)測控制

   (a)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

    (b)遺傳法PID控制

    (c)模糊PID控制

    (d)專家控制

    (e)免疫反饋機理控制

    (f)網(wǎng)絡(luò)化控制

    (g)模糊控制

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,還會出現(xiàn)新的,更先進的整定方法。

 

 

                                          戈    劍

     

                                       2019.1.15整理

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