【正文】 出現(xiàn)了偏差，這個偏差控制輸出量達(dá)到新的平衡，這就是一個調(diào)節(jié)過程。圖23 動態(tài)響應(yīng)過程 理想的調(diào)節(jié)過程是:出現(xiàn)偏差后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)突然動作，使輸出量立即達(dá)到新的平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)過程瞬時完成，實際上這是不可能的，因為慣性當(dāng)輸出量發(fā)生跳變時，任何實際系統(tǒng)從原平衡狀態(tài)到達(dá)新的平衡狀態(tài)都要經(jīng)歷一個過渡過程，過渡過程的曲線形狀隨系統(tǒng)的不同而有所差異，有的是單調(diào)增長到穩(wěn)定值(曲線1)，有的是衰減到穩(wěn)定值(曲線2)。整個調(diào)節(jié)過程分為兩個階段:，反映系統(tǒng)的動態(tài)特性。，反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。陰影部分表示的是實際調(diào)節(jié)過程與理想調(diào)節(jié)過程的差異，差異越小，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量越高。 模擬量信號是一種連續(xù)變化的物理量，如電流、電壓、溫度、壓力、位移、液位、速度等，工業(yè)控制中需要用模擬量信號控制，例如電動閥門、液壓電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要用連續(xù)變化的模擬量信號來控制驅(qū)動。模擬系統(tǒng)的物理概念清晰、控制信號流向直觀，但模擬控制器硬設(shè)備只能控制一個回路、功能單一，控制過程中算法不能改變，因而線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響。信息分散、監(jiān)視操作不便。、優(yōu)點 采用數(shù)字技術(shù)處理信號的控制系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。直接數(shù)字控制器DDC中所有的控制邏輯均由微信號處理器，并以各控制器為基礎(chǔ)完成。由于計算機(jī)只能處理數(shù)字信號因此與模擬系統(tǒng)相比，微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點是離散化和數(shù)字化；一般控制系統(tǒng)的控制量與反饋量都是模擬的連續(xù)信號，為了把它們輸入計算機(jī)，必須首先在具有一定周期的采樣時刻對他們進(jìn)行實時采樣，形成一連串的脈沖信號，即離散的模擬信號。采樣后得到的離散模擬信號本質(zhì)上還是模擬信號，不能直接送入計算機(jī)，還需經(jīng)過量化來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，量化成為數(shù)字信號后，才能為計算機(jī)所接受。微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，數(shù)字控制器必須定時對給定信號和反饋信號進(jìn)行采樣，要使離散的數(shù)字信號在處理完畢后能夠不失真地復(fù)現(xiàn)連續(xù)的模擬信號，對系統(tǒng)的采樣頻率有一定的要求。采樣頻率越高，離散系統(tǒng)越接近于連續(xù)系統(tǒng)，但在采樣周期內(nèi)必須完成信號的采集與轉(zhuǎn)換，完成控制運(yùn)算，并輸出控制信號，所以采樣周期又不能太短，否則可能會造成不必要的累計誤差。 現(xiàn)在許多控制系統(tǒng)都采用微處理器直接作為控制器，負(fù)責(zé)采集信號、運(yùn)算控制規(guī)律以及產(chǎn)生控制指令等。機(jī)械系統(tǒng)是連續(xù)的物理過程，而微處理控制器處理離散的數(shù)字信號，二者之間必須通過采樣器和數(shù)據(jù)保持器連接起來，這類計算機(jī)控制系統(tǒng)通常稱為采樣一數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。 在采樣一數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，微處理機(jī)直接參與了閉環(huán)控制，起著控制器的作用。由于微處理機(jī)處理數(shù)字形式的信號人們就把微處理機(jī)控制器叫做數(shù)字控制器。數(shù)字控制器一般采用兩種設(shè)計方法: 一種是在一定條件下，把計算機(jī)控制系統(tǒng)近似地看成模擬系統(tǒng)，用連續(xù)系統(tǒng)的理論來進(jìn)行動態(tài)分析和設(shè)計，再將設(shè)計結(jié)果轉(zhuǎn)變成數(shù)字計算機(jī)的控制算法，這種方法稱為模擬化的設(shè)計方法，也稱間接設(shè)計方法；另一種是把計算機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q，變成純粹的離散系統(tǒng)，用數(shù)學(xué)變換等工具進(jìn)行分析和設(shè)計，直接設(shè)計出控制算法，這種方法稱為離散化設(shè)計方法，也稱直接設(shè)計方法。 以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響，具有完善的輸入、輸出通道，包括模擬量輸入輸出通道和數(shù)字量或開關(guān)量輸入輸出通道。具有實時控制功能。其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來靈活方便，實時性好，穩(wěn)定性好，可靠性高，可以提高控制性能，抗干擾能力強(qiáng)，此外還有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。 數(shù)字控制器軟設(shè)備可控制多個回路，控制過程中算法可以改變，可實現(xiàn)多種復(fù)雜的控制。微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)與用模擬器件組成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)相同，給定信號和反饋信號為數(shù)字量，用下標(biāo)“dig”表示，分別為ndig、iddig等，反饋系數(shù)改為存儲系數(shù)，就構(gòu)成了數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)，電流調(diào)節(jié)器(ACR)均為PI調(diào)節(jié)器。電機(jī)啟動過程中，在轉(zhuǎn)速沒有達(dá)到穩(wěn)態(tài)值之前，ASR一直處于飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，ACR起主導(dǎo)作用，啟動電流迅速上升并維持最大值，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值且略有超調(diào)時，ASR退出飽和，ASR起主導(dǎo)作用，ACR起跟隨作用，啟動電流快速下降到負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速下降至穩(wěn)態(tài)值并保持。內(nèi)環(huán)時間常數(shù)小，過度過程快，影響電動機(jī)動態(tài)性能的主要是外環(huán)。 交流電源經(jīng)整流器變換為電壓恒定的直流電源，給直流電動機(jī)供電。 檢測回路包括電壓、電流和轉(zhuǎn)速檢測，其中電壓、電流檢測由A/D轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入單片機(jī)。故障綜合：對電壓、電流等信號進(jìn)行分析比較，若發(fā)生故障立即通知單片機(jī)，以便及時處理。數(shù)字控制器：數(shù)字控制器是系統(tǒng)的核心，選用專為電機(jī)控制設(shè)計的系列8051系列單片機(jī)，配以顯示、鍵盤等外圍電路，通過通信接口與其它外設(shè)交換數(shù)據(jù)。 數(shù)字測速具有測速精度高、分辨力強(qiáng)、受器件影響小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于速度要求高、調(diào)速范圍大的調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機(jī)相連，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。采用旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字測速方法有三種:M法(脈沖直接計數(shù))、T法(脈沖時間計數(shù))、MT(脈沖時間混合計數(shù))法。 PI調(diào)節(jié)器是電力拖動自動控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法。 在數(shù)字控制系統(tǒng)中，參數(shù)的整定是十分重要的，其好壞直接影響調(diào)節(jié)的品質(zhì)。需要整定的參數(shù)有比例系數(shù)Kp，積分時間常數(shù)Ti和采樣周期T，在數(shù)字控制系統(tǒng)中，采樣周期T的選擇與系統(tǒng)的穩(wěn)定性密一切相關(guān)，一方面要滿足Shannon定理，即采樣信號的最高角頻率≥2 。是被采樣信號的最高角頻率。所以根據(jù)采樣定理可以確定采樣周期的上限值，即T≤，另一方面，采樣周期沒有一個精確的計算公式，只能根據(jù)工程應(yīng)用按經(jīng)驗選取，對于PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定主要有擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法和PID歸一參數(shù)整定法等。3 PID控制的基本原理 簡單地說，PID就是運(yùn)用比例、積分、微分算法，來對回路中的偏差進(jìn)行修正，通過執(zhí)行器調(diào)節(jié)參數(shù)，使測量值穩(wěn)定在設(shè)定值附近，達(dá)到控制某一參數(shù)的目的。 PID算法:下面對控制點所采用的PID控制算法進(jìn)行說明?？刂泣c目前包含二種比較簡單的PID控制算法，分別是:增量式算法，位置式算法，微分先行。這二種PID算法雖然簡單，但各有特點，基本上能滿足一般控制的大多數(shù)要求。 PID增量式算法離散化公式:注:各符號含義如下u (t)——控制器的輸出值。e (t)——控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差?！壤禂?shù)?！e分時間常數(shù)?！⒎謺r間常數(shù)。T——調(diào)節(jié)周期。 對于增量式算法，可以選擇的功能有: (1) 濾波的選擇 可以對輸入加一個前置濾波器，使得進(jìn)入控制算法的給定值不突變，而是有一定慣性延遲的緩變量。 (2)系統(tǒng)的動態(tài)過程加速 在增量式算法中，比例項與積分項的符號有以下關(guān)系：如果被控量繼續(xù)偏離給定值，則這兩項符號相同，而當(dāng)被控量向給定值方向變化時，則這兩項的符號相反。 由于這一性質(zhì)，當(dāng)被控量接近給定值的時候，反號的比例作用阻礙了積分作用，因而去避免了積分超調(diào)以及隨之帶來的振蕩，這顯然是有利于控制的。但如果被控量遠(yuǎn)未接近給定值，僅剛開始向給定值變化時，由于比例和積分反向，將會減慢控制過程。 為了加快開始的動態(tài)過程，我們可以設(shè)定一個偏差范圍v，當(dāng)偏差β時，即被控量接近給定值時，就按正常規(guī)律調(diào)節(jié)，而當(dāng)β時，則不管比例作用為正或為負(fù)，都使它向有利于接近給定值的方向調(diào)整，即取其值為，其符與與積分項一致。利用這樣的算法，可以加快控制的動態(tài)過程。 (3) PID增量算法的飽和作用及其抑制 在PID增量算法中，由于執(zhí)行元件本身是機(jī)械或物理的積分儲存單元，如果給定值發(fā)生突變時，由算法的比例部分和微分部分計算出的控制增量可能比較大，如果該值超過了執(zhí)行元件所允許的最大限度，那么實際上執(zhí)行的控制增量將時受到限制時的值，多余的部分將丟失，將使系統(tǒng)的動態(tài)過程變長，因此，需要采取一定的措施改善這種情況。 糾正這種缺陷的方法是采用積累補(bǔ)償法，當(dāng)超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行能力時，將其多余部分積累起來，而當(dāng)一旦可能時，再補(bǔ)充執(zhí)行。 PID位置算法對于位置式算法，可以選擇的功能有： A、濾波:同上為一階慣性濾波 B、飽和作用抑制 (1)遇限削弱積分法 一旦控制變量進(jìn)入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項的運(yùn)算而停止進(jìn)行增大積分項的運(yùn)算。具體地說，在計算Ui時，將判斷上一個時刻的控制量Ui是否已經(jīng)超出限制范圍，如果已經(jīng)超出，那么將根據(jù)偏差的符號，判斷系統(tǒng)是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否將相應(yīng)偏差計入積分項。 (2)積分分離法 在基本PID控制中，當(dāng)有較大幅度的擾動或大幅度改變給定值時，由于此時有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項的作用下，往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)量和長時間的波動。特別是對于溫度、成份等變化緩慢的過程，這一現(xiàn)象將更嚴(yán)重。為此可以采用積分分離措施，即偏差較大的時，取消積分作用。當(dāng)偏差較小時才將積分作用投入。 另外積分分離的閩值應(yīng)視具體對象和要求而去定。若閥值太大，達(dá)不到積分分離的目的，若太小又有可能因被控量無法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)行PID控制，將會出現(xiàn)殘差。 (3)有效偏差法 當(dāng)根據(jù)PID位置算法算出的控制量超出限制范圍時，控制量實際上只能取邊際值U=，或U=，有效偏差法是將相應(yīng)的這一控制量的偏差值作為有效偏差值計入積分累計而不是去將實際的偏差計入積分累計。因為按實際偏差計算出的控制量并沒有執(zhí)行。 當(dāng)控制系統(tǒng)的給定值發(fā)生階躍時，微分作用將導(dǎo)致輸出值大幅度變化，這樣不利于生產(chǎn)的穩(wěn)定操作。因此在微分項中不考慮給定值，只對被控量(控制器輸入值)進(jìn)行微分。微分先行PID算法又叫測量值微分PID算法。對于純滯后對象的補(bǔ)償，控制點采用了Smith預(yù)測器，使控制對象與補(bǔ)償環(huán)節(jié)一起構(gòu)成一個簡單的慣性環(huán)節(jié)。 PID參數(shù)整定（1）比例系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響： 比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢?？梢赃x負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對象的特性決定的。如果的符號選擇不當(dāng)對象狀態(tài)(pv值)就會離控制目標(biāo)的狀態(tài)(sv值)越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況的符號就一定要取反。（2）積分控制對系統(tǒng)性能的影響: 積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，小(積分作用強(qiáng))會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。（3）微分控制對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動態(tài)特性，較大時，超調(diào)量也較大，調(diào)時間較短。偏小時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間也較長。只有合適，才使超調(diào)量較小，減小調(diào)節(jié)時間。 在連續(xù)一時間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計技術(shù)成熟，長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。 數(shù)字PID控制比連續(xù)PID控制更為優(yōu)越，因為計算機(jī)程序的靈活性，很容易克服連續(xù)PID控制中存在的問題，經(jīng)修正就會得到更完善的數(shù)字PID算法。 P I D 控制系統(tǒng) 連續(xù)一時間PID控制系統(tǒng)如圖31所示。圖中D (S)為控制器。在PID控制系統(tǒng)中，D (S)完成PID控制規(guī)律，稱為PID控制器。圖31 連續(xù)時間PID控制系統(tǒng)PID控制器是一種線性控制器，用輸出量y (t）和給定量r (t）之間的誤差的時間函數(shù)。 e (t) =r(t)y (t) (31)比例，積分，微分的線性組合，構(gòu)成控制量u (t），稱為比例(Proportional)、積分(Integrating)、微分(Differentiation)控制，簡稱PID控制。 控制器實際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對象的特性和控制的性能要求，靈活地采用不同的控制組合，構(gòu)成比例(P)控制器 (32)比例+積分(PI)控制器 (33)比例+積分+微分(PID)控制器 (34)式中——比例放大系數(shù)?！e分時間；——微分時間。 控制作用 比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分控制的作用是，只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。從而只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，而去改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 應(yīng)用PID控制，必須適當(dāng)?shù)卣{(diào)整比例放大系數(shù)，積分時間和微分時間使整個控制系統(tǒng)得到良好的性能。 PID控制器的實現(xiàn) 在電子數(shù)字計算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制器是通過計算機(jī)PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。計算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多數(shù)是采樣一數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。進(jìn)入計算機(jī)的連續(xù)—時間信號，必須經(jīng)過采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入計算機(jī)的存貯器和寄存器，而在數(shù)字計算機(jī)中的計算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計算去逼近。 在數(shù)字計算機(jī)中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)，也必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，將描述連續(xù)一時間PI