控制系统各种分类的方法.docx

一、控制系统各种分类的方法
（l）如果按被控变量可划分为：温度、压力、液位、流量和成分等控制系统。这是一种常见的分类。
（2）如果按被控系统中控制仪表及装置所用的动力和传递信号的介质可划分为：气动、电动、液动、机械式等控制系统。如图l－4所示就是一个机械式液位控制系统；图1-5所示是一个电动式液位控制系统；如果图l－5中的LT和LC用气动仪表代替，阀门也采用气动的，就构成气动控制系统。
（3）如果按被控制对象可划分为：流体输送设备、传热设备、精馏塔和化学反应器控制系统等。
（4）按调节器的控制规律可划分为：比例控制、积分控制、微分控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制等。
（5）按系统功能与结构可划分为：单回路简单控制系统；串级、比值、选择性、分程、前馈和均匀等常规复杂控制系统；解耦、预测、推断和自适应等先进控制系统和程序控制系统等。
（6）按结定值的变化情况可划分为：定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。
二、PID控制的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
1.比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
2.积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
3.微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。PID（比例，积分，微分）控制没有看起来那么复杂，阅读下面简单的实现步骤，效果立竿见影。
虽然控制系统的问题需要大量专业知识，但是大多数控制系统问题能用简单的方法来解决，根本就不诉诸任何控制理论。PID控制器以各种形式使用超过了1个世纪，广泛应用在机械设备、气动设备和电子设备。采用微处理器的数字PID控制器已经出现，正如你即将看到，嵌入一个PID控制器到你的代码中是一个简单的任务。
PID实指“比例proportional”、“积分integral”、“微分derivative”，这三项构成PID基本要素。每一项完成不同任务，对系统功能产生不同的影响。
典型的PID系统中，输入命令值(system commad)和被控器(通常被称为plant)反馈信号的组合作为PID控制器三项的输入，三项的输出相加起来形成PID系统的控制输出。
（一）
在自动控制系统中，P、I、D调节是比例调节，积分调节和微分调节作用。调节控制质量的好坏取决于控制规律的合理选取和参数的整定。在控制系统中总是希望被控参数稳定在工艺要求的范围内。但在实际中被控参数总是与设定值有一定的差别。调节规律的选取原则为：调节规律有效，能迅速克服干扰。下面介绍比例、积分、微分之间的联系与相匹配使用效果：
（1）比例调节简单，控制及时，参数整定方便，控制结果有余差。因此，比例控制规律适应于对象容量大负荷变化不大纯滞后小，允许有余差存在的系统，一般可用于液位、次要压力的控制。
（2）比例积分控制作用：为比例及时加上积分可以消除偏差。积分会使控制速度变慢，系统稳定性变差。比例积分适应于对象滞后大，负荷变化较大，但变化速度缓慢并要求控制结果没有余差。广泛使用于流量，压力，液位和那些没有大的时间滞后的具体对象。
（3）比例微分控制作用：响应快、偏差小，能增加系统稳定性，有超前控制作用，可以克服对象的惯性，控制结果有余差。适应于对象滞后大，负荷变化不大，被控对象变化不频繁，结果允许有余差的系统。
在自动调节系统中，E=SP-PV。其中，E为偏差，SP为给定值，PV为测量值。当SP大于PV时为正偏差，反之为负偏差。
（4）比例调节作用的动作与偏差的大小成正比；当比例度为100时，比例作用的输出与偏差按各自量程范围的1：1动作。当比例度为10时，按lO：l动作。即比例度越小。比例作用越强。比例作用太强会引起振荡。太弱会造成比例欠调，造成系统收敛过程的波动周期太多，衰减比太小。其作用是稳定被调参数。
（5）积分调节作用的动作与偏差对时间的积分成正比。即偏差存在积分作用就会有输出。它起着消除余差的作用。积分作用太强也会引起振荡，太弱会使系统存在余差。
（6）微分调节作用的动作与偏差的变化速度成正比。其效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用。对滞后大的对象有很好的效果。但不能克服纯滞后。适用于温度调节。使用微分调节可使系统收敛周期的时间缩短。微分时间太长也会引起振荡。
（7）参数设定的一般方法：先比例次积分后微分的顺序进行。看曲线调参数，从调节品质的曲线逐步找到最佳参数．
在随动系统中，采用数字PI控制可以达到控制精度高、无超调、响应快、曲线拟合精度高等优点，并简化了控制电路。传统的位置式PI算法一般是可以达到基本控制要求，但必须有一个前提：控制周期要足够小。如果控制周期过长，曲线拟合差，要达到15％的曲线拟合误差有点困难，甚至可能会造成系统失控，并造成对机械设备的损伤。因此，针对本文所提到的控制系统，不能简单的采用位置式PI算法，而应该对其进行改进，以适应该控制系统的要求。
比例系数K是和每次采样的偏差值有直接关系，因此提高Kp能使系统响应较快；同时积分系数Ⅸ尾和前面所有的采样偏差值有关，由于采样周期长，每次采样的误差影响较大，因此降低积分系数对提高控制精度有好处。但提高比例系数和降低积分系数会使计算机每次输出值的变化较大。
（二）
PID控制(实际中还有仅用到PI和PD的控制)，就是根据系统的误差或者加上系统误差的变化率，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。任何闭环控制系统的调节目标是使系统的响应达到快(快速)、准(准确)、稳(稳定)的最佳状态，PID调整的主要工作就是如何实现这一目标。增大比例P项将加快系统的响应，其作用是放大误差的幅值，它能快速影响系统的控制输出值，但仅靠比例系数的作用，系统不能很好地稳定在一个理想的数值，其结果是虽较能有效地克服扰动的影响，但有稳态误差出现。过大的比例系数还会使系统出现较大的超调并产生振荡，使稳定性变差。
积分的作用是消除稳态误差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整，减小稳态误差。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统为有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。积分项对误差的作用取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出向稳态误差减小的方向变化，直到稳态误差等于零。
微分具有超前作用，对于具有滞后的控制系统，引入微分控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标有着显著效果，它可以使系统超调量减小，稳定性增加，动态误差减小。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存在有较大惯性环节或滞后的被控对象，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。微分项能预测误差变化的趋势，从而做到提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调，改善了系统在调节过程中的动态特性。
（三）
PID控制器参数调节的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算来确定控制器参数，这种方法可能会由于系统模型的不精确性使得所得到的PID参数不能直接应用，还必须通过工程实际进行调整和修改；二是工程方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，该方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。工程实际中，PID控制器参数的调节方法主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。3种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行调节。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法，利用该方法进行PID控制器参数的调节步骤如下：①首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；②仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应表现出临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；③在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。PID控制器参数的调试实例当调速系统的各项基本参数设定后，接下来是调整PID参数以取得最理想的控制效果。下面以控制目标为恒定转速的柴油机电站的PID调节器为例，具体说明工程法的调节步骤。
(1)比例参数：在保持转速稳定时应使用最大比例增益。增加比例增益直到转速开始波动，然后减小比例增益直到波动停止。如果一直没有转速波动，则抖动执行器连杆，然后减小比例增益直到波动停止。但比例增益太大会导致系统转速出现振荡，这时应减小比例增益。
(2)积分参数：在保持转速稳定时应使用最大积分增益。增加积分增益直到转速开始波动，然后减小积分增益直到波动停止。如果一直没有转速波动，则抖动执行器连杆，然后减小积分增益直到波动停止。但积分增益太大会导致系统转速出现振荡，这时应减小积分增益。
(3)微分参数：增加微分增益直到出现反应对负载瞬变有最小的超调量。但微分增益太大也会导致系统转速出现振荡，这时应减小微分增益。
(4)PID调整顺序：调试时，可以先调比例参数，然后调积分参数，最后调微分参数，之后再调比例参数和积分参数。如果需要，重复进行(1)～(3)步骤，直至达到理想的效果。PID控制是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律，它具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点。但在实际在线调试中，需要遵循一定的规律，掌握一定的调试技巧才能又快又好地将控制系统调整到最佳的效果。温度控制系统具有非线性、时变性和滞后性的特性，并且锅炉水温控制系统中的循环水也是强干扰，增加了系统控制的复杂性，常规PID控制效果不太理想，而模糊PID参数自整定控制算法对于解决温度系统中的非线性、时变性和大延时起到明显的改善效果，对干扰也具有较好的抑制词节能力。当前绝大多数生产过程的自动控制系统中采用的自动控制装置，尽管它们的结构不同，但是它们具有的控制规律都是比例、积分和微分规律(即PID控制规律)，敌称之为PID控制器。在生产过程自动控制的发展过程中，PID控制器是历史最久、生命力最强的基本控制装置。PID控制器具有以下优点：
(1)原理简单，应用方便。
(2)适应性强。已经广泛应用于电力、机械、化工、热工、冶金、建材和石油等各种生产部门。即便是目前最新发展的过程计算机控制系统，其基本的控制规律仍然是PID控制规律。
(3)鲁棒性强。即其控制品质对被控对象特性的变化不敏感。大多数受控对象在受到外界扰动时，尤其是当外界负荷变化时，受控对象的动态特性往往会有较大的变化，为了满足要求的控制性能，就需要经常改变控制器的参数，这是很麻烦的。如果控制器的鲁棒性好，就无需频繁地改变控制器的参数。