比例控制比例控制技術(shù)

比例控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)元件或系統(tǒng)的被控制量(油液的壓力、流量等) 與控制量(電氣信號(hào)) 之間線性關(guān)系的技術(shù)手段，它彌補(bǔ)了電液伺服控制應(yīng)用和維護(hù)條件苛刻、成本高、能耗大以及傳統(tǒng)的電液開(kāi)關(guān)控制性能差等缺陷，很好地滿足了工程實(shí)際的需要并得到迅速的發(fā)展。

比例控制比例控制與積分控制結(jié)合（PI控制）

具有比例-積分控制規(guī)律的控制器，稱PI控制器，其輸出信號(hào)m(t)同時(shí)成比例地反應(yīng)輸入信號(hào)e(t)及其積分，即

式中，Kp為可調(diào)比例系數(shù)；Ti為可調(diào)積分時(shí)間常數(shù)。

在串聯(lián)校正時(shí)，PI控制器相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于s左半平面的開(kāi)環(huán)零點(diǎn)。位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而增加的負(fù)實(shí)零點(diǎn)則用來(lái)減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和PI控制器極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)過(guò)程產(chǎn)生的不利影響。只要積分時(shí)間常數(shù)Ti足夠大，PI控制器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響可大為減弱。在控制工程實(shí)踐中，PI控制器主要用來(lái)改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

比例控制比例控制與微分控制結(jié)合（PD控制）

具有比例——微分控制規(guī)律的控制器，稱為PD控制器，其輸出m (t)與輸入e(t)的關(guān)系如下式所示：

式中，Kp為比例系數(shù)；

PD控制器中的微分控制規(guī)律，能反應(yīng)輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生有效的早期修正信號(hào)，以增加系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在串聯(lián)校正時(shí)，可使系統(tǒng)增加一個(gè)

比例控制比例、積分、微分控制結(jié)合（PID控制）

具有比例-積分-微分控制規(guī)律的控制器，稱PID控制器。這種組合具有三種基本規(guī)律各自的特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)方程為

與PI控制器相比，PID控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的優(yōu)點(diǎn)外，還多提供一個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)，從而在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能方面，具有更大的優(yōu)越性。因此，在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中，廣泛使用PID控制器。PID控制器各部分參數(shù)的選擇，在系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中最后確定。通常，應(yīng)使I部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而使D部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的中頻段，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

控制器的輸出信號(hào)m(t)能夠成比例地反應(yīng)其輸入信號(hào)e(t)。用數(shù)學(xué)式表達(dá)，即：m(t)=kpe(t)。式中，kp為比例系數(shù)。

P控制器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可調(diào)增益的放大器。在信號(hào)變換過(guò)程中，P控制器只改變信號(hào)的增益而不影響其相位。在串聯(lián)校正中，加大控制器增益Kp，可以提高系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，在系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)中，很少單獨(dú)使用比例控制規(guī)律。

比例系統(tǒng)比例控制與積分控制結(jié)合（PI控制）

具有比例-積分控制規(guī)律的控制器，稱PI控制器，其輸出信號(hào)

式中，

在串聯(lián)校正時(shí)，PI控制器相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于s左半平面的開(kāi)環(huán)零點(diǎn)。位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而增加的負(fù)實(shí)零點(diǎn)則用來(lái)減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和PI控制器極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)過(guò)程產(chǎn)生的不利影響。只要積分時(shí)間常數(shù)

比例系統(tǒng)比例控制與微分控制結(jié)合（PD控制）

具有比例——微分控制規(guī)律的控制器，稱為PD控制器，其輸出與輸入的關(guān)系如下式所示：

式中，

PD控制器中的微分控制規(guī)律，能反應(yīng)輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生有效的早期修正信號(hào)，以增加系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在串聯(lián)校正時(shí)，可使系統(tǒng)增加一個(gè)

比例系統(tǒng)比例、積分、微分控制結(jié)合（PID控制）

具有比例-積分-微分控制規(guī)律的控制器，稱PID控制器。這種組合具有三種基本規(guī)律各自的特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)方程為：

比例控制系統(tǒng)系統(tǒng)中的作用

電液比例閥是比例控制系統(tǒng)中的主要功率放大元件，按輸入電信號(hào)指令連續(xù)地成比例地控制液壓系統(tǒng)的壓力、流量等參數(shù)。與伺服控制系統(tǒng)中的伺服閥相比，在某些方面還有一定的性能差距，但它顯著的優(yōu)點(diǎn)是抗污染能力強(qiáng)，大大地減少了由污染而造成的工作故障，提高了液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性;另一方面比例閥的成本比伺服閥低，結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，已在許多場(chǎng)合獲得廣泛應(yīng)用。

比例控制系統(tǒng)分類

比例閥按主要功能分類，分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥三大類，每一類又可以分為直接控制和先導(dǎo)控制兩種結(jié)構(gòu)形式，直接控制用在小流量小功率系統(tǒng)中，先導(dǎo)控制用在大流量大功率系統(tǒng)中。比例閥的輸入單元是電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，它將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械量。轉(zhuǎn)換器有伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)、力馬達(dá)和力矩馬達(dá)、比例電磁鐵等形式。但常用的比例閥大都采用了比例電磁鐵，比例電磁鐵根據(jù)電磁原理設(shè)計(jì)，能使其產(chǎn)生的機(jī)械量(力或力矩和位移)與輸入電信號(hào)(電流)的大小成比例，再連續(xù)地控制液壓閥閥芯的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)地控制液壓系統(tǒng)的壓力、方向和流量。

比例閥有三大類:

(1)比例壓力閥，有溢流閥、減壓閥，分別有直動(dòng)和先導(dǎo)兩種結(jié)構(gòu);

(2)比例方向閥，有直動(dòng)和先導(dǎo)兩種結(jié)構(gòu)，直動(dòng)閥有帶位移傳感器和不帶位移傳感器兩類;

(3)比例流量閥，有比例調(diào)速閥和比例溢流流量控制閥。

比例閥與放大器配套使用，放大器采用電流負(fù)反饋，設(shè)置斜坡信號(hào)發(fā)生器，控制升壓、降壓時(shí)間或運(yùn)動(dòng)加速度及減速度。斷電時(shí)，能使閥芯處于安全位置。

比例控制系統(tǒng)比例閥的選用

(1)根據(jù)用途和被控對(duì)象選擇比例閥的類型;

(2)正確了解比例閥的動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo)，主要有額定輸出流量、起始電流、滯環(huán)、重復(fù)精度、額定壓力損失、溫飄、響應(yīng)特性、頻率特性等;

(3)根據(jù)執(zhí)行器的工作精度要求選擇比例閥的精度，內(nèi)含反饋閉環(huán)閥的穩(wěn)態(tài)性、動(dòng)態(tài)品質(zhì)好。如果比例閥的固有特性如滯環(huán)、非線性等無(wú)法使被控系統(tǒng)達(dá)到理想的效果時(shí)，可以使用軟件程序改善系統(tǒng)的性能;

(4)如果選擇帶先導(dǎo)閥的比例閥，要注意先導(dǎo)閥對(duì)油液污染度的要求。一般應(yīng)符合ISO18/15標(biāo)準(zhǔn)，并在油路上加裝過(guò)濾精度為10μm以下的進(jìn)油過(guò)濾器;

(5)比例閥的通徑應(yīng)按執(zhí)行器在最高速度時(shí)通過(guò)的流量來(lái)確定，通徑選得過(guò)大，會(huì)使系統(tǒng)的分辨率降低;

(6)比例閥必須使用與之配套的放大器，閥與放大器的距離應(yīng)盡可能地短。

在工業(yè)上所使用的調(diào)節(jié)器，習(xí)慣上而是采用比例度δ(也稱比例帶，在儀表上用P表示)，而不用放大倍數(shù)K_P來(lái)衡量比例控制作用的強(qiáng)弱。

所謂比例度指調(diào)節(jié)器輸入的變化與相應(yīng)輸出變化的百分?jǐn)?shù)。比例度就是使調(diào)節(jié)器的輸出變化滿刻度時(shí)(也就是調(diào)節(jié)閥從全關(guān)到全開(kāi)或相反)，相應(yīng)的儀表指針變化占儀表測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù)，或者說(shuō)使調(diào)節(jié)器輸出變化滿刻度時(shí)，輸入偏差對(duì)應(yīng)于指示刻度的百分?jǐn)?shù)。

例如，一只電動(dòng)比例溫度調(diào)節(jié)器，溫度刻度范圍是50～100℃，電動(dòng)調(diào)節(jié)器輸出是0～10mA，當(dāng)指示指針從70℃移到80℃時(shí)，調(diào)節(jié)器相應(yīng)的輸出電流從3mA變化到8mA，其比例度為δ=40%。

當(dāng)溫度變化全量程的40%時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出從0mA變化到10mA，在這個(gè)范圍內(nèi)，溫度的變化e和調(diào)節(jié)器的輸出變化△p是成比例的。但當(dāng)溫度變化超過(guò)全量程的40%時(shí)，(在上例中，即溫度變化超過(guò)20℃時(shí))，調(diào)節(jié)器的輸出就不能再跟著變化了，因此，調(diào)節(jié)器的輸出最多只能變化100%。

調(diào)節(jié)器的比例度δ的大小與輸入輸出的關(guān)系如圖3所示。從圖3中可以看出，比例度越大，使輸出變化全范圍時(shí)所需的輸入偏差變化區(qū)間也就越大，而比例放大作用就越弱，反之亦然。

比例度δ與放大倍數(shù)K_P成反比，是互為倒數(shù)關(guān)系。調(diào)節(jié)器的比例度δ越小，它的放大倍數(shù)越大，它將偏差(調(diào)節(jié)器輸入)放大的能力也越大，反之亦然。因此比例度δ和放大倍數(shù)K_P一樣，都是表示一個(gè)比例調(diào)節(jié)器的控制作用強(qiáng)弱的參數(shù)。