自衡過程
自衡過程的過程變量在輸入發(fā)生變化時(shí)，無需外加任何控制作用，過程能夠自發(fā)地趨于新的平衡狀態(tài)。
PID控制器輸出的階躍變化響應(yīng)，初始過程變量穩(wěn)定的自衡過程將重新穩(wěn)定在一個(gè)平衡位置，如圖1所示。到目前為止我們討論的所有過程都是自衡過程。
圖1 自衡過程階躍響應(yīng)曲線
積分過程
積分過程的過程變量在開環(huán)情況下僅在平衡點(diǎn)是穩(wěn)定的，過程變量與過程輸入對(duì)時(shí)間的積分成比例。
積分過程依賴于平衡過程輸入和輸出來保持穩(wěn)定。對(duì)處于穩(wěn)定積分過程的PID控制器輸出進(jìn)行階躍變化，將導(dǎo)致過程變量向一個(gè)方向逐漸移動(dòng)，直到物理限值。圖2顯示了積分過程的階躍響應(yīng)曲線。
圖2 積分過程階躍響應(yīng)曲線
儲(chǔ)罐液位是典型的積分過程。當(dāng)流入儲(chǔ)罐的物料量與流出儲(chǔ)罐的物料量相匹配時(shí)，過程輸入和輸出處于平衡狀態(tài)，儲(chǔ)罐液位將保持恒定。如果我們做一個(gè)階躍變化，增加進(jìn)入儲(chǔ)罐的物料流量，過程將失去平衡，儲(chǔ)罐液位逐漸上升，直到物料溢出儲(chǔ)罐。
積分過程如果處于手動(dòng)工作模式，很容易受到外界的影響而在某個(gè)時(shí)刻失控。對(duì)生產(chǎn)過程中的任何積分過程，都應(yīng)該設(shè)計(jì)控制方案以通過反饋實(shí)現(xiàn)過程穩(wěn)定。
雖然積分過程的響應(yīng)曲線與自衡過程的響應(yīng)曲線顯著不同，但積分過程仍然可以用和自衡過程純滯后時(shí)間、時(shí)間常數(shù)和增益類似的參數(shù)進(jìn)行表征。
1、積分過程的純滯后時(shí)間
積分過程的純滯后時(shí)間可以與自衡過程同樣的方式測(cè)量，純滯后時(shí)間為PID控制器輸出變化和過程變量開始變化之間的時(shí)間。
2、積分過程的時(shí)間
積分過程的特性決定了不能從響應(yīng)曲線中輕易確定時(shí)間常數(shù)，因?yàn)榉e分過程沒有穩(wěn)定的過程變量變化。同時(shí)PID參數(shù)整定方法研究表明：時(shí)間常數(shù)在積分過程的PID參數(shù)整定中并不那么重要。 一個(gè)自衡過程的時(shí)間常數(shù)會(huì)提供一個(gè)很好的積分時(shí)間的參考值，而積分過程只能人為決定不會(huì)引起振蕩的積分時(shí)間。在積分過程響應(yīng)曲線中使用時(shí)間△T 代替時(shí)間常數(shù)。
對(duì)積分對(duì)象我們使用過程變量按一定斜率穩(wěn)定變化后的任一點(diǎn)來確定△PV, 從階躍測(cè)試開始到該點(diǎn)的時(shí)間為τ+△T 的總時(shí)間，過程變量開始變化的時(shí)間到△PV的時(shí)間為時(shí)間△T。
3、積分過程的增益
△T時(shí)間內(nèi)的△PV與△OP的商作為積分過程的增益。這個(gè)增益和△T的比值是個(gè)固定值。
4、積分過程表征參數(shù)計(jì)算
圖2是積分過程對(duì)控制器輸出5%階躍變化的響應(yīng)曲線，控制器輸出在1s 時(shí)改變，直到8s過程變量才開始變化。這個(gè)過程的純滯后時(shí)間是：
τ=8-1=7s
圖3 積分過程響應(yīng)曲線
如圖3所示，過程變量從第8s開始變化，從8s到13s過程變量從0到50。積分過程的增益與自衡過程類似，但是因?yàn)轫憫?yīng)曲線不同，我們現(xiàn)在規(guī)定：
△T=13-8=5s
△PV=50-0=50
△OP=5-0=5
K=50/5=10
不管如何選擇△T, 計(jì)算的K/△T的值恒等于2，這其實(shí)是單位階躍輸入變化引起的積分過程的過程變量穩(wěn)態(tài)變化斜率，也稱飛升速率。
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◆什么是自衡對(duì)象和積分對(duì)象
