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§7-3模擬PID調(diào)節(jié)器

長(zhǎng)期以來,PID(比例—積分—微分)調(diào)節(jié)器一直作為工業(yè)控制上的主要調(diào)節(jié)裝置而得到廣泛應(yīng)用。PID調(diào)節(jié)器有如下一些特點(diǎn):1.

對(duì)被控對(duì)象的模型要求低。甚至在系統(tǒng)模型完全未知的情況下,也能進(jìn)行調(diào)節(jié)。2.

調(diào)節(jié)方便。在PID調(diào)節(jié)器中,其比例、積分、微分的調(diào)節(jié)作用相互獨(dú)立,最后以求和的形式出現(xiàn)的,人們可以任意的改變其中的某一種調(diào)節(jié)規(guī)律,這就大大地增加了使用的靈活性。3.

適應(yīng)范圍較廣。原系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí),仍有很好的調(diào)節(jié)效果。1常用的PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 等式的右邊分別對(duì)應(yīng)于比例(P)、微分(D)和積分(I)。Kp、KD、KI的參數(shù)確定,PID調(diào)節(jié)器形式也定了。一、

比例(P)調(diào)節(jié)器系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)形式:

比例調(diào)節(jié)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)可調(diào)放大器。增大KP,就是增大開環(huán)放大系數(shù)K,可以減小穩(wěn)態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。

2二、

比例微分(PD)調(diào)節(jié)器及其控制規(guī)律結(jié)構(gòu)形式:調(diào)節(jié)器運(yùn)動(dòng)方程:或式中:KD=KpTD——微分調(diào)節(jié)器比例系數(shù);TD——微分時(shí)間常數(shù)。PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)相當(dāng)于開環(huán)傳遞函數(shù)增加了一個(gè)零點(diǎn):s=-Kp/KD3動(dòng)態(tài)過程分析:原系統(tǒng)在單位階躍輸入作用下:0t1電動(dòng)機(jī)提供了過大的轉(zhuǎn)矩,慣性的存在,出現(xiàn)正向超調(diào)t1t3電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為負(fù),輸出的加速度下降,由于慣性的存在,加之缺少阻尼,在t3<t<t5的時(shí)間內(nèi),出現(xiàn)了向下的超調(diào)量。

引起超調(diào)的原因:

0<t<t1:正的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩太大。t1<t<t2:阻尼轉(zhuǎn)矩不足。引入PD調(diào)節(jié)器之后:m(t)除原來的誤差信號(hào)外,又疊加了一個(gè)與誤差信號(hào)變化速率成正比的信號(hào),此信號(hào)具有“提前”制動(dòng)的作用,只要正確選擇TD,就可使σp下降,ts縮短。4當(dāng)t=ta時(shí),系統(tǒng)的輸出接近于穩(wěn)態(tài)值,為了減小超調(diào),系統(tǒng)應(yīng)提前制動(dòng),使之減速。此時(shí)PD調(diào)節(jié)器的輸出m(t)正好由正向負(fù)變化,從而保證系統(tǒng)停止加速,開始減速運(yùn)動(dòng)。減速的時(shí)間,由微分調(diào)節(jié)器D的時(shí)間常數(shù)TD所決定。制動(dòng)時(shí)間ta的選取,直接影響到系統(tǒng)控制性能的好壞。如果制動(dòng)過早,即TD太大,微分作用過強(qiáng),會(huì)使系統(tǒng)的輸出尚未來得及加速到相當(dāng)數(shù)值時(shí)即制動(dòng),結(jié)果使c(t)達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間加長(zhǎng),導(dǎo)致ts加大。如果制動(dòng)過遲,即TD太小,微分作用過弱,c(ta)已十分接近系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值。由于慣性的作用,控制器的m(t)不能有效地阻止系統(tǒng)出現(xiàn)較大超調(diào),同樣會(huì)使ts加大。因此,采用PD調(diào)節(jié)器時(shí),微分時(shí)間常數(shù)TD的選擇是極為重要的。對(duì)于t=tb、t=tc

時(shí)刻的分析與t=ta時(shí)的分析完全類同。5例分析引入P、PD調(diào)節(jié)器后,系統(tǒng)性能的變化解:引入P

調(diào)節(jié)器后系統(tǒng)輸出:當(dāng)Kp=1時(shí),ζ=1.2,系統(tǒng)過阻尼狀態(tài),無振蕩和超調(diào),過渡過程時(shí)間很長(zhǎng)。當(dāng)Kp=2.88時(shí),ζ=0.707,系統(tǒng)欠阻尼狀態(tài),σp=4.3%,ts=0.17s,是一種比較理想的情況。當(dāng)Kp=100時(shí),ζ=0.12,系統(tǒng)欠阻尼狀態(tài),σp=68%。比較發(fā)現(xiàn),如果Kp是唯一設(shè)計(jì)參數(shù),應(yīng)取值Kp=2.88,使系統(tǒng)的阻尼比ζ=0.707左右,以獲得盡量好的性能。

6引入PD調(diào)節(jié)器系統(tǒng)輸出:當(dāng)Kp=100,KD=0時(shí),系統(tǒng)的極點(diǎn)為:-24±j198.6,隨著KD的增加,兩個(gè)極點(diǎn)向?qū)嵼S方向移動(dòng),當(dāng)KD=0.88時(shí),兩個(gè)極點(diǎn)正好為-200,系統(tǒng)的阻尼作用明顯地增加了。注意:模擬PD調(diào)節(jié)器的微分環(huán)節(jié)是一個(gè)高通濾波器,會(huì)使系統(tǒng)的噪聲放大,抗干擾能力下降,在實(shí)際使用中須加以注意解決。7三、比例積分(PI)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的運(yùn)動(dòng)方程:式中:T1——積分時(shí)間常數(shù)KI=Kp/T1——積分比例常數(shù)則PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)8例:設(shè)原系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)引入PI調(diào)節(jié)器后,系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可見,閉環(huán)系統(tǒng)由原來的Ⅰ型變?yōu)棰蛐停瑢?duì)改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性是有好處的。對(duì)于穩(wěn)定系統(tǒng)來說,原系統(tǒng)對(duì)速度輸入的穩(wěn)態(tài)誤差由原來為一個(gè)常數(shù),現(xiàn)在減小為零了。另一方面由于系統(tǒng)的階次提高,即由原來的二階變成了三階,系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降了。如果Kp、KI選擇不當(dāng),很可能會(huì)造成不穩(wěn)定。9四、比例,積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)器同時(shí)集中比例、積分、微分三種控制規(guī)律。

使用調(diào)節(jié)器關(guān)鍵是如何取Kp、KI、KD三個(gè)參數(shù),有的地方把這過程

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