機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書
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- 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br />
1、了解FESTO電氣伺服實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)和工作原理。
2、熟悉示波器使用的方法。
3、熟悉用實(shí)驗(yàn)湊試法整定PID控制器參數(shù)的方法。
4、加深理解PID控制器。
二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
PID控制是在工程上最常用的自動調(diào)節(jié)器，它是基于經(jīng)典控制理論，對以P、I、D及其組合作為控制規(guī)律而構(gòu)成的控制器的統(tǒng)稱，在實(shí)際工程中多是選擇P或PI、PID、PD的不同組合構(gòu)成控制器，幾乎沒有單獨(dú)的D調(diào)節(jié)器，單獨(dú)的I調(diào)節(jié)器是有應(yīng)用的，但也很少。它們都是通過對誤差e進(jìn)行比例P、積分I、微分D 處理和計(jì)算，獨(dú)立形成控制器的各自輸出項(xiàng)，并進(jìn)一步形成完整的控制變量，再去控制執(zhí)行器的動作。 對于不同的控制對象具有不同的控制特性，工程上對于各種對象盡量做線性化等簡化處理，降低傳遞函數(shù)的階次，簡化數(shù)學(xué)模型，最終多是按照二階系統(tǒng)假設(shè)來控制的。現(xiàn)在就是在此假設(shè)基礎(chǔ)上，分別談下不同的P、I、D參數(shù)對控制系統(tǒng)動、靜態(tài)響應(yīng)的影響：
一、比例作用：比例作用P可以是以比例增益的現(xiàn)實(shí)體現(xiàn)，但在儀表自動化中多是以比例度的形式出現(xiàn)（對于單元組合二次儀表或現(xiàn)在的DCS系統(tǒng)來說比例度相當(dāng)于比例增益的倒數(shù)），比例控制的作用是抑制誤差，比例作用的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系，比例增益越大（即比例度越小），從靜態(tài)來講，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差將越發(fā)減小，對于系統(tǒng)動態(tài)來說，此時系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快。但比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，增強(qiáng)比例作用將使系統(tǒng)趨于產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此比例增益不能取的過大（即比例度不能過小）；而如果比例增益取值較小，會增大穩(wěn)態(tài)誤差，也使動態(tài)響應(yīng)速度變緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)動、靜態(tài)響應(yīng)品質(zhì)都變差。
二、積分作用： 積分控制作用也是可能以積分時間常數(shù)或積分增益兩種形式體現(xiàn)，兩者也是互為倒數(shù)關(guān)系。積分作用對控制器輸出的貢獻(xiàn)表現(xiàn)為與輸入誤差信號對時間的的積分成正比關(guān)系。控制系統(tǒng)引入積分作用的目的，簡單講就是有消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用，引入的“積分項(xiàng)”會因誤差量隨著時間的增加而增大，這樣推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此積分作用，可以使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無誤差。 積分增益越大（即積分時間越小）控制系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)靜差消除越快，但過大了會在響應(yīng)的過渡過程中會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)，使動態(tài)性能變差；但如果積分增益過小，使積分作用變?nèi)酰瓜到y(tǒng)的靜差難以迅速消除，調(diào)整過程時間加長，不能較快的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，影響系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)特性；
三、微分作用：微分作用對控制器的輸出貢獻(xiàn)項(xiàng)是與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 控制系統(tǒng)在克服誤差的過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)，這是因?yàn)榇嬖诘膽T性環(huán)節(jié)或有滯后可抑制誤差，但其變化總是落后于誤差的變化，微分的作用在于解決誤差變化總是“超前”的問題，也就是能預(yù)測誤差變化的趨勢，提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而在對慣性或滯后較大的過程對象的控制時，可以避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)，改善控制對象的動態(tài)特性。所以，引入微分作用主要是著眼于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。 微分作用體現(xiàn)為微分增益（或微分時間常數(shù)），它與誤差的變化率成正比，并同樣參與形成控制器的輸出項(xiàng)。微分時間常數(shù)整定不可過大，否則會使響應(yīng)過程過分提前制動，從而拖長調(diào)節(jié)時間，而且系統(tǒng)的抗干擾性較差。
四、PID控制器的參數(shù)整定 ：基于以上對三種作用的認(rèn)識，在PID控制器的參數(shù)整定時，可以有針對性的根據(jù)被控過程的特性分別確定PID控制器的比例增益（比例度）、積分時間（積分增益）和微分時間（微分增益）的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法概括起來有兩大類：一類是理論計(jì)算整定法。它需要依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法一般不便于直接應(yīng)用在工程上。另一類是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，方法簡單、直觀、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。工程整定方法又可具體分為臨界比例度法、飛升曲線法和最優(yōu)衰減比法等。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過對過程施加不同類型得的給定或干擾作用，通過觀察作用后被控對象的響應(yīng)特性，按照工程經(jīng)驗(yàn)（尤其是基于P、I、D作用對典型一、二階系統(tǒng)響應(yīng)特性影響的認(rèn)識，雖然還只是停留在定性認(rèn)識層面上的，但對于工程調(diào)試中大方向的判斷把握是很有指導(dǎo)意義的）對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。臨界比例度法整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作﹔(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例增益δk和臨界振蕩周期Tk﹔(3)在一定的控制度下通過下表的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。 表中經(jīng)驗(yàn)公式的參數(shù)系數(shù)是參考一些專業(yè)書籍，也可以個人經(jīng)驗(yàn)積累確定
PID控制器控制參數(shù)的選擇，可按連續(xù)-時間PID參數(shù)整定方法進(jìn)行。
1）首先應(yīng)該確定控制器結(jié)構(gòu)。對允許有靜差（或穩(wěn)態(tài)誤差）的系統(tǒng)，可以適當(dāng)選擇P或PD控制器，使穩(wěn)態(tài)誤差在允許的范圍內(nèi)。對必須消除穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)，應(yīng)選擇包含積分控制的PI或PID控制器。
2） 控制器結(jié)構(gòu)確定后，即可開始選擇參數(shù)。參數(shù)的選擇，要根據(jù)受控對象的具體特性和對控制系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行。工程上，一般要求整個閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，對給定量的變化能迅速響應(yīng)并平滑跟蹤，超調(diào)量小；在不同干擾作用下，能保證被控量在給定值；當(dāng)環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時，整個系統(tǒng)能保持穩(wěn)定，等等。
3）整定方法：一般采用實(shí)驗(yàn)湊試法：它是通過閉環(huán)運(yùn)行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對系統(tǒng)的影響，反復(fù)湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)，從而確定PID控制參數(shù)。
4）整定步驟：實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為"先比例，再積分，最后微分"。a)整定比例控制 ：將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。b)整定積分環(huán)節(jié)：若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。c） 可以先將選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的...
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