有关自动控制系统的校正研究讨论

有关自动控制系统的校正研究讨论

何志豪

广东茂化建集团有限公司    广东   茂名   525000

摘  要：随着科学技术的发展，自控技术在各行各业、各方各面的应用越来越深入。被控对象的输出一方面直接输入到监控系统中，一方面经测量变送器输送回误差监测点与给定输入进行比较，偏差值向前输送到控制器。然后控制器按照内设的算法对信号进行处理得到控制信号并将控制信号反馈给执行器，执行器接收到控制器的控制信号后对被控对象做出相应的动作完成控制过程。基于此，本文就恐韩症系统的校正展开相关论述。

关键词：

一、控制系统的性能指标

1、抗干扰。控制系统的响应曲线稳定说明有一定的抗干扰能力。如果干扰前与干扰后的系统响应曲线相差无几，轨迹接近重合，那我们就说这种控制是稳定的，抗干扰强；如果干扰前与干扰后的系统响应曲线差距较大，轨迹即使允许范围大也不像可以接合，那我们就说这种控制是不稳定的，抗干扰较差，这种控制是要避免的。

2、快速性。在控制系统已经稳定的时候，突然改变输入信号，系统很快就根据信号的改变调节自身，信号与输出同步连接，无空白区。这是判断一个控制系统响应速度的指标，称之为快速性指标。在设计系统的时候，系统响应速度要快是必须要做到的。

3、准确性。在控制系统响应的中后期，响应曲线会在某个可允许范围内上下波动，我们就说该系统稳定了。曲线波动的大小代表着准确性，而准确性是衡量稳态误差的关键的指标。准确性好，说明系统的稳态误差越小，系统各方面的性能越好。如果稳态误差为零，那么该控制系统称为无差系统；如果不等于零，那么该称为有差系统。

二、控制系统的校正方式

1、串联校正方式。从装置设备有没有源出发分析研究，串联校正装置可以有两类，分别是无源和有源，放置在控制系统最中心的信号传输通道中。同时系统的信号放大器以及比较通过反馈回路输送回来的信号和给定值信号差值的差值测量点之间是留有空位来放置串联校正装置的。该校正方式还有着容易变换信号的特点。

2、反馈校正。反馈校正在结构方面相对简单且能改善校正系统的性能指标。这是因为反馈校正缺少放大器对信号的放大，对一些参数变化或者外来干扰有一定的遏制作用。虽然反馈校正有诸多优点，但是在实现方面将会比较困难。

3、前馈校正。前馈又称为顺馈校正，是指在系统的主反馈回路之外，输入信号经过校正装置校正后直接校正系统。输入信号经前馈校正装置进行校正后，校正信号顺着前向通道直接把信号输送给控制器以及被控对象。前馈校正可以在开环控制系统中单独使用。对于外来扰动乃至这些扰动带来的不利影响，前馈校正最大的优点就是能迅速的克服，还原一个真实的响应。

4、复合校正。复合校正方式是在反馈控制回路中，加入前馈校正通路，组成一个有机的整体。他将前馈校正和反馈校正有机的结合起来。不过这种校正方式的最大缺点便是因结合了两种校正方式带来的结构复杂。因前馈装置其不变性，复合校正分为按扰动补偿、按输入补偿。

三、控制系统的控制规律

控制系统校正前应先了解该校正装置的控制规律，根据性能指标等方面的要求结合校正装置控制规律的作用来选择相应的元件。控制器（包括校正装置）常采用比例（P）、微分（D）、积分（I）三种控制规律，或者这些基本规律的组合，比如比例微分（PD）、比例积分（PI）、比例积分微分（PID），以实现控制过程的有效控制。

1、基本控制规律

(1)P（比例）控制规律

有且仅有比例控制规律的控制器位比例控制器。比例控制器在控制系统中是最不可缺少的，是自动控制的基础。单纯的比例控制虽说作用及时，但会有余差，一般情况下很少会单独使用比例控制。

输入输出的函数关系式表示如下：

(1)

其中Kp——比例放大倍数，或称之为比例增益。Kp的大小决定控制作用的强弱。Kp越大，控制作用越强，响应就越及时有效；反之亦然。在模拟控制器中，用Kp的倒数即比例度δ进行刻度的。

(2)I(积分)控制

比例控制器虽然有作用及时的优点，但缺点也很明显，响应方面无法消除余差的影响。如果控制系统此时需要消除余差，那么此时积分作用就显得很重要了。函数关系式表示如下：

(2)

积分作用的输出与时间是呈线性关系。在偏差作用一定的时候，时间越长，积分作用强度也增加。也正因如此常常造成前后信号不统一，动作反应不及时，所以积分作用在很多情况下不会独自使用，一般都会与组合比例控制使用。

(3)D(微分)控制

比例作用作用及时，积分作用消除余差。一些对反应或者加工精度要求比较高的自控场合，通常需要自控系统能时刻关注着变量的各种变化数据，与此同时根据各个监控变量变化的情况，而采取控制措施，从萌芽前就防止被控变量产生太大的误差而造成系统出现崩盘，影响后续的工作或者生产。因此添加微分控制是至关重要的，这是因为其有超前作用的优点。

微分作用下，微分作用输出与偏差变化速度成正比，可用下式来表示：

(3)

其中，TD是微分时间，/dt为偏差变化速度。如果控制系统有一个固定不变的输入偏差，那么不管这个偏差有多大，即使达到无穷了，其微分作用的输出依然都是零。需要注意的是：一旦微分时间过长，就很容易引起控制系统输出响应的不良振荡，无法达到要求的目标；另一方面，当微分时间为零时，微分作用就没有了，控制器失去作用。

2、组合控制规律

在控制场合，经常需要在控制回路中增加控制器以实现系统更好的控制，但是单个控制器的优点却不够用。比如控制需要响应及时且余差也要小，但只用P控制器的话也只是符合响应及时这一点，只用I控制器的话也只是符合余差小这一点。在这时刻，组合型控制器就显得非常重要。

(1)比例-积分（PI）控制规律

既能响应及时，又能消除余差的控制器，我们称之为PI控制器。这是使用最多的一种组合方式。数学式中，输入信号e(t)、积分与控制器输出u(t)之间是比例关系。数学式如下所示：

(4)

它的传递函数是：

(5)

从上式中可以看出加入积分作用后，系统由0型变成1型，根据自动控制原理的内容，可以得知1型系统比0型系统更稳定，原因是多了一个极点。

(2)比例-微分（PD）控制

具有实际比例（P）－微分（D）控制规律的控制器，其u(t)与e(t)关系为：

u(t)=(6)

它的传递函数就是

(7)

式中Kp为比例系数；TD为微分时间。

(3)比例-积分-微分（PID）控制

PID控制规律是由比例（P）、积分（I）（或比例积分（PI））与微分（D）（或比例微分（PD））控制规律的组合式控制规律。

其微分关系式可以表示为：

(8)

PID控制器的传函表达式为：

(9)

把PID控制器引入自控系统有利也有弊。利的方面，积分引入了极点，系统相角裕度变大，稳定性变好；弊的方面，积分引入了极点的同时，微分引入了零点，零点的出现有可能使阶跃响应稳定性变差，超调量变大等也会随之出现。

可知PID控制不仅有P（比例）控制的优点、I（积分）控制的优点、也会有D（微分）控制的优点：作用及时、消除余差、超前作用，既可以改善稳态性能指标，又可以改善系统的动态特性。

四、小结

总之，科技的日新月异，带动了自控技术的发展与应用速度，自控技术越来越重要。本文对控制系统的性能指标进行概述、接着对其校正方式进行讨论，最后详细分析了控制系统的控制规律，以期为今后的相关工作提供指导。     

参考文献

[1]孔凡才.自动控制原理与系统[M].第3版.上海：机械工业出版社，2007．

[2]郭劲，王卫兵，陈娟，王挺峰，姜振华.最小节拍组合控制方法在光电跟踪系统中的应用[M].长春：光学精密工程，2013.

[3]袁璞.生产过程动态数学模型及其在线应用[M].北京：中国石化出版社，1994．