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如何衡量PID調節系統質量好壞

時間:2015-10-05 21:59來源:www.jamespellerite.com 編輯:自動控制網
PID參數整定口訣中說:理想曲線兩個波,前高后低4比1,這個曲線實質就是PID調節系統質量指標問題。圖1是大家所熟悉的PID調節系統方框圖,圖1中每個方塊代表控制系統的一個組成部分,從圖中可看出系統中各組成部分的相互關系和影響。即PID調節系統是具有被調

PID參數整定口訣中說:“理想曲線兩個波,前高后低4比1”,這個曲線實質就是PID調節系統質量指標問題。圖1是大家所熟悉的PID調節系統方框圖,圖1中每個方塊代表控制系統的一個組成部分,從圖中可看出系統中各組成部分的相互關系和影響。即PID調節系統是具有被調參數負反饋的閉環系統。當被控量Y受到干擾的影響而升高時,反饋信號藝將高于給定值X,經過比較而到放大元件去的偏差信號e將為負值,控制器將發出信號而使執行元件動作,其作用方向為負,使被控量下降,這就達到了自動控制的目的。
PID調節系統方框圖 
                                     圖1 PID調節系統方框圖
當一個PID調節系統的給定和干擾恒定不變時,整個系統處于一種相對的平衡狀態,即
測量元件、放大調節元件、執行元件都暫不動作,系統的輸出信號也處于相對靜止狀態,即被控量不隨時間而變化的平衡狀態稱為系統的靜態。但由于干擾的作用而破壞了這種平衡狀態,被控量就會改變,智能PID調節器就會改變調節參數以克服干擾的影響,并力圖使系統恢復平衡狀態。從干擾的發生到系統重新建立平衡,在這一段時間中,整個系統的各個環節和參數都處于變動狀態之中,所以這種狀態叫做動態。PID調節系統在動態時,被控量是不斷變化的。它隨時間而變化的過程稱為PID調節系統的過渡過程。也就是系統從一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過程;也就是不斷克服干擾影響的過程。

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PID調節系統在設計、整定和運行中,衡量系統質量的依據就是系統的過渡過程。當系統的輸人為階躍變化時,系統的過渡過程大多表現形式為振蕩過程,如發散振蕩、等幅振蕩、衰減振蕩、單調過程等形式。但在大多數情況下,都希望得到衰減振蕩這種過渡過程,因為它是用來衡量控制系統質量的依據。

PID調節系統過渡過程質量指標示意圖
                         圖2  PID調節系統過渡過程質量指標示意圖 
圖2是過渡過程質量指標示意圖,也是干擾作用影響下的過渡過程。用過渡過程衡量系統質量時,常用的指標有:衰減比、余差、最大偏差、過渡時間、振蕩周期和振蕩次數。
衰減比
衰減比也就是前后兩個峰值的比,習慣上表示為n:1。
余差
余差就是過渡過程終了時的殘余偏差,如圖中的C.

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最大偏差
最大偏差即第一個波的峰值,如圖中的人,有時也用超調量來表示被調參數的偏離程度。
過渡時間
過渡時間是干擾發生起至被調參數又建立新的平衡狀態止這一段時間。
振蕩周期
振蕩周期是過渡過程從第一個波峰到第二個波峰之間的時間。
振蕩次數
振蕩次數是過渡時間內被調參數振蕩的次數。
衡量一個PID調節系統質量的好壞,主要是看在外界干擾產生后,被控量儀偏離給定值的情況,假如偏離了以后能很快平穩地回復到給定值,就認為是好的。通常認為圖2所示的過渡過程是最好的,并以此作為衡量PİD控制系統工的質量指標。選用這個曲線作為指標的理由是:因為它第一次回復到給定值較問快,以后雖然又偏離了,但是偏離不大,并經過幾次振蕩就穩定下來了,定量地看,
第一個波峰的高度是第二個波峰高度的四倍,所以這種曲線又叫做4:1衰減曲線。在控制器的工程參數整定時,以能得到4:1的衰減過渡過程為最好,這時的PID控制參數可叫最佳參數。
“理想曲線兩個波,前高后低4比1”就是指圖2這樣的曲線,也就是過渡過程振蕩兩次就能穩定下來,并且振蕩兩次后有近于4:1的衰減比,它被認為是最好的過渡過程。
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