PID控制的核心在于P、I、D三个参数的合理配置。要想充分发挥控制器的性能,达到最佳的控制效果,必须深入理解这三个参数的内涵与功能。熟练进行PID参数的整定,并将自动控制系统切换至自动模式,这是衡量工程技术人员自动化技能水平的重要标志。然而,现实情况是,许多人对于PID控制和PID参数整定缺乏深入的了解。接下来,我们将深入剖析PID控制中P、I、D参数的具体作用。
比例作用比例控制器本质上是一个放大倍数可调的放大器,其数学表达式为△P=Kp×e,其中Kp表示比例增益,e则是控制器的输入,即测量值与设定值之间的偏差。需要注意的是,在实际的模拟控制器中,我们通常不直接使用比例增益Kp进行刻度,而是采用比例度δ来衡量,其与放大倍数成反比。换句话说,比例度越大,放大倍数越小,从而影响被控参数的平稳性;而比例度越小,放大倍数则越大,导致被控参数曲线更加波动。
然而,比例控制存在一个固有的问题——余差。为了克服这一缺点,我们需要引入积分作用。
积分作用积分控制器旨在消除自控系统的余差。它通过随时间累积偏差来工作,即当偏差e存在时,积分控制器会不断累积这个偏差。积分速度与偏差e的大小以及积分速度本身成正比。只要偏差e持续存在,积分控制器的输出就会持续改变,直至偏差消失。
对于恒定的偏差,调整积分作用实质上是在改变控制器输出的变化速率。这个速率可以通过积分输出与比例输出达到平衡所需的时间来衡量。积分时间短意味着积分速度快,积分作用强;反之,积分时间长则积分作用弱。当积分时间趋于无穷大时,积分作用消失,控制器变为纯比例控制器。
实际上,积分作用通常与比例作用结合使用,以充分发挥两者的优势。在这种模式下,控制器输出为△P=Ke+△Pi,其中△P表示控制器输出的变化量,Ke和△Pi分别代表比例和积分作用引起的输出变化。微分作用在控制系统中扮演着克服对象滞后的关键角色,特别是在温度控制方面有着广泛的应用。然而,在使用微分作用时,我们需要注意避免其过强可能引发的系统振荡,如“尖峰”或“突跳”现象。为了解决这一问题,PID调节器和DCS中采用了微分先行PID运算规律,确保仅对测量值进行微分,从而在人工改变给定值时,避免控制器输出的突变。
此外,微分器的性能指标之一是微分放大倍数Kd,即微分增益,其单位为时间。通过调整微分时间或微分增益,我们可以灵活地启用或禁用微分功能。
为了帮助记忆比例、积分、微分三个作用的特点,我们编写了以下顺口溜:
比例作用顺口溜:比例控制器,犹如放大镜;偏差一出现,即刻被放大;放大倍数高,旋钮可调校;比例度增大,放大效果减。
积分作用顺口溜:积分调节器,累积能力强;偏差持续在,累积不休止;累积速度快,旋钮来定夺;积分时间长,累积速度缓。
微分作用顺口溜:谈及微分器,其义不神秘;阶跃信号到,输出即跳跃;下降速度快,旋钮可把控;微分时间长,下降速度慢。ZHINANCHE
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