PID对比例控制作用的理解

    PID的控制原理可以用人对炉温的手动控制来理解。假设用热电偶检测炉温，用数字式仪表显示温度值。

    在人工控制过程中，操作人员用眼睛读取炉温，并与炉温的给定值比较，得到温度的误差值。用手操作电位器，调节加热的电流，使炉温保持在给定值附近。有经验的操作人员通过手动操作可以得到很好的控制效果。

    操作人员知道使炉温稳定在给定值时电位器的大致位置（我们将它称为位置L），并根据当时的温度误差值调整电位器的转角。炉温小于给定值时，误差为正，在位置L的基础上顺时针增大电位器的转角，以增大加热的电流；炉温大于给定值时，误差为负，在位置L的基础上反时针减小电位器的转角，以减小加热的电流。令调节后的转角与位置L的差值与误差成正比，误差绝对值越大，调节的角度越大。上述控制策略就是比例控制，即PID控制器输出中的比例部分与误差成正比，比例系数为式(10-1)中的Kp。

    闭环中存在着各种各样的延迟作用。例如调节电位器转角后，到温度上升到新的转角对应的稳态值时有较大的延迟。温度的检测、模拟量转换为数字值和PID的周期性计算都有延迟。由于延迟因素的存在，调节电位器转角后不能马上看到调节的效果，因此闭环控制系统调节困难的主要原因是系统中的延迟作用。

    如果比例系数太小，即调节后电位器转角与位置L的差值太小，调节的力度不够，使温度的变化缓慢，调节时间过长。如果比例系数过大，即调节后电位器转角与位置L的差值过大，调节力度太强，造成调节过头，可能使温度忽高忽低，来回震荡。

    与具有较大滞后的积分控制作用相比，比例控制作用与误差同步，在误差出现时，比例控制能立即起作用，使被控制量朝着误差减小的方向变化。

    如果闭环系统没有积分作用（即系统为自动控制理论中的0型系统），由理论分析可知，单纯的比例控制有稳态误差，稳态误差与比例系数成反比。图10-6和图10-7中的方波是比例控制的给定曲线，图10-6中的系统比例系数小，超调量和震荡次数小，但是稳态误差大。比例系数增大几倍后，启动时被控量的上升速度加快（见图10-7），稳态误差减小，但是超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，动态性能变坏，比例系数过大甚至会使闭环系统不稳定。因此单纯的比例控制很难兼顾动态性能和静态性能。

    图10-6    比例控制的阶跃响应曲线

    图10-7    比例控制的阶跃响应曲线

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